近年來,，通信運(yùn)營商競相提高無線局域網(wǎng)（WLAN）的地位，不僅視其為有線寬帶接入的輔助手段,，更不吝將其上升到戰(zhàn)略高度,，提升無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要為您介紹無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一——波束成形（Beamforming），包括基本概念和發(fā)展趨勢,。
背景由來
波束成形是天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合,，目的用于定向信號(hào)傳輸或接收。波束成形,，并非新名詞,，其實(shí)它是一項(xiàng)經(jīng)典的傳統(tǒng)天線技術(shù)。早在上世紀(jì)60年代就有采用天線分集接收的陣列信號(hào)處理技術(shù),，在電子對抗,、相控陣?yán)走_(dá)、聲納等通信設(shè)備中得到了高度重視,?；跀?shù)字波束形成（DBF）的自適應(yīng)陣列干擾置零技術(shù)，能夠提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力,，是新一代軍用雷達(dá)必用的關(guān)鍵技術(shù),。定位通信系統(tǒng)通過傳聲器陣列獲取聲場信息，使用波束成形和功率譜估計(jì)原理,，對信號(hào)進(jìn)行處理,，確定信號(hào)來波方向，從而可對信源進(jìn)行精確定向,。只不過,，由于早年半導(dǎo)體技術(shù)還處在微米級(jí)，所以它沒有在民用通信中發(fā)揮到理想的狀態(tài),。
而發(fā)展到WLAN階段,，特別是應(yīng)用在個(gè)人通信中，信號(hào)傳輸距離和信道質(zhì)量以及無線通信的抗干擾問題便成為瓶頸,。支持高吞吐是WLAN技術(shù)發(fā)展歷程的關(guān)鍵,。802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化，來充分提高WLAN技術(shù)的吞吐,。此時(shí),，波束成形又有了用武之地。
基本原理
波束成形,，源于自適應(yīng)天線的一個(gè)概念,。接收端的信號(hào)處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成,，形成所需的理想信號(hào),。從天線方向圖 （pattern）視角來看，這樣做相當(dāng)于形成了規(guī)定指向上的波束,。例如,，將原來全方位的接收方向圖轉(zhuǎn)換成了有零點(diǎn),、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端,。對天線陣元饋電進(jìn)行幅度和相位調(diào)整,，可形成所需形狀的方向圖。
如果要采用波束成形技術(shù),，前提是必須采用多天線系統(tǒng),。例如，多進(jìn)多出（MIMO）,，不僅采用多接收天線,，還可用多發(fā)射天線。由于采用了多組天線,，從發(fā)射端到接收端無線信號(hào)對應(yīng)同一條空間流（spatial streams）,，是通過多條路徑傳輸?shù)摹Ｔ诮邮斩瞬捎靡欢ǖ乃惴▽Χ鄠€(gè)天線收到信號(hào)進(jìn)行處理,，就可以明顯改善接收端的信噪比,。即使在接收端較遠(yuǎn)時(shí)，也能獲得較好的信號(hào)質(zhì)量,。
MIMO可大大提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,、覆蓋范圍和性能。當(dāng)基于MIMO而同時(shí)傳遞多條獨(dú)立空間流時(shí),，系統(tǒng)的吞吐量可成倍地提高,。MIMO系統(tǒng)支持空間流的數(shù)量取決于發(fā)送天線和接收天線的最小值。如發(fā)送天線數(shù)量為3,，而接收天線數(shù)量為2,，則支持的空間流為2。在市場上,，經(jīng)歷了三年3×3模式的量產(chǎn)磨合期后,，今年4X4模式嶄露頭角，立刻引起了業(yè)界重視,。
應(yīng)用舉例
本文列舉一個(gè)4x4 三空間流的802.11n 解決方案,。
Marvell 今年發(fā)布了支持4x4-3SS Wi-Fi 802.11n 性能的Avastar系列。這將顯著提高筆記本,、臺(tái)式電腦、平板電腦,、智能手機(jī),、電子閱讀器、打印機(jī),、路由器,、機(jī)頂盒,、高清電視、游戲設(shè)備,、DVD播放器等性能,。它采用波束成形技術(shù)后，使1x1- 4x4 MIMO 產(chǎn)品和傳統(tǒng)設(shè)備之間的鏈路耐用性大大改善,。 以雙頻接入熱點(diǎn)（AP）為例,， 它有如下特點(diǎn)：
性能高達(dá)450 Mbps數(shù)據(jù)率
支持802.11n 技術(shù)規(guī)范
支持802.11ac 技術(shù)規(guī)范
由數(shù)字信號(hào)處理DSP 實(shí)現(xiàn)，不要求額外的特殊硬件
波束成形雖然不是必須支持的,，但是有了它,，尤其是兩端都支持時(shí)，增益最大化
高效的電源管理模塊,，實(shí)現(xiàn)低功耗
藍(lán)牙技術(shù)和面向多種無線共存狀態(tài),，降低Wi-Fi和藍(lán)牙同時(shí)工作的相互干擾
工作過程
波束成形的工作過程是怎樣的？以熱點(diǎn)為例,，基站給客戶端周期性發(fā)送聲信號(hào),，客戶端將信道信息反饋給基站，于是基站可根據(jù)信道狀態(tài)發(fā)送導(dǎo)向數(shù)據(jù)包給客戶端,。高速的數(shù)據(jù)計(jì)算處理,，給出了復(fù)形的指示，客戶端方向上的增益得以加強(qiáng),，方向圖隨之整型,，相應(yīng)方向的傳輸距離也有所增加。AP如果用4組發(fā)射天線4x4三組空間流,，便能在多天線得到的增益基礎(chǔ)上,，獲取較大的空間分集增益。
從結(jié)構(gòu)和設(shè)置來分,，支持802.11n標(biāo)準(zhǔn)的波束成形可分為顯性波束成形和隱形波束成形兩大類,。顯性波束成形在AP和客戶端均有設(shè)置，對增加距離和鏈路耐用性有很大提高,。隱性波束成形的好處是客戶端不需要做相應(yīng)的處理,，在設(shè)備實(shí)現(xiàn)上較為簡單，對增加距離和耐用性也有一定幫助,。
以顯性波束成形的熱點(diǎn)為例,， 無線局域網(wǎng)信號(hào)傳輸過程是這樣開始的：
基站與客戶端之間需要不斷地周期性握手（發(fā)送聲信號(hào)，信道矩陣反饋）
客戶端反饋信道信息給熱點(diǎn)
熱點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)信息發(fā)送復(fù)形數(shù)據(jù)包給客戶端,，加強(qiáng)某客戶端方向的強(qiáng)度
由此獲得空間分集增益 + 發(fā)射陣列增益（此與發(fā)射天線數(shù)量有關(guān)）
下圖舉例說明熱點(diǎn)和客戶端的工作過程和延伸距離的狀況,。該圖定性地比較了不同 AP提供的不同效果。熱點(diǎn)采用4組發(fā)射天線,，延長了802.11n的傳輸距離,，而采用波束成形,，又進(jìn)一步增加了客戶端方向的增益和信號(hào)覆蓋范圍。值得注意的是,，隨著熱點(diǎn)和客戶端之間作用距離的增加,，波束成形帶來的優(yōu)勢越發(fā)明顯，其動(dòng)態(tài)增長的態(tài)勢呈非線性遞增,。
圖,。 波束成形技術(shù)增加傳輸距離的示意圖
發(fā)展趨勢
隨著WLAN的發(fā)展，基站的數(shù)量需求極大,，而且基站安裝的成本比較高,，在這種情況下，增大覆蓋范圍,，克服無線干擾顯得尤為重要,。
波束成形并不要求采用特殊的天線，也不增加其它無線子系統(tǒng),，就能在性能上得以提高,，而且比其它數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，例如空時(shí)分組碼（STBC）及低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的引入,，效益更高,，可高出數(shù)倍。在家庭和企業(yè)的環(huán)境下,，均可適用,。
WLAN產(chǎn)品支持雙頻，即2.4GHz 和5GHz,，支持20/40 MHz
空間流從1x1,，2x2/2x3， 到2008年的3x3上市,，今年的市場上推出4 x4產(chǎn)品
隨著WLAN應(yīng)用的需求發(fā)展,，波束成形逐漸有望從供選項(xiàng)成為必選項(xiàng)
半導(dǎo)體工藝 從2008年的90納米CMOS進(jìn)到2010年55納米， 進(jìn)而到2011年提升到40納米
當(dāng)前,，波束成形也成為了802.11 ac 技術(shù)規(guī)范的一部分,。而對于Wi-Fi認(rèn)證來說，它僅是一種供選項(xiàng),，并不是必須的,。將來是否成為Wi-Fi認(rèn)證的必要構(gòu)件，仍有待技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢而定,。事實(shí)上,，在任何Wi-Fi的設(shè)備上都是可以采用波束成形技術(shù)的，只不過，這涉及到設(shè)備得進(jìn)行的相應(yīng)配置,。如果在兩端均采取對應(yīng)部署時(shí)，它才會(huì)真正獲得增益最大化,。當(dāng)采用高階的MIMO時(shí),，獲取的增益提高會(huì)高于低階的MIMO。例如,，4x4的系統(tǒng)總是比2x2的系統(tǒng)具有更大的性能提高空間,。
存在問題
波束成形技術(shù)固然能改善系統(tǒng)性能，增加接收距離,，但同時(shí)也會(huì)增加設(shè)備成本和功耗,。在多天線都處于連接的狀態(tài)下，即使在嚴(yán)重的衰落情況下,，它提供的信號(hào)增益也可獲提高,，但要求信號(hào)處理能力也要很強(qiáng)。所以,，多天線帶來的問題是要求數(shù)據(jù)處理速度高,，控制成本，并降低功耗,。因而,，芯片的高集成度高性能和電源管理高效性是至關(guān)重要的。一方面要提高吞吐量,，同時(shí)又要將功耗降到最低,。
小結(jié)
波束成形并不要求采用特殊的天線，也不增加其它無線子系統(tǒng),，就能在性能上得以提高,，而且比其它數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，例如空時(shí)分組碼（STBC）及低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的引入,，效益更高,，可高出數(shù)倍。在家庭和企業(yè)的環(huán)境下,，均可適用,。