无线局域网技术:波束成形

工作过程

波束成形的工作过程是怎样的?以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计算处理，给出了复形的指示，客户端方向上的增益得以加强，方向图随之整型，相应方向的传输距离也有所增加。AP如果用4组发射天线4x4三组空间流，便能在多天线得到的增益基础上，获取较大的空间分集增益。

从结构和设置来分，支持802.11n标准的波束成形可分为显性波束成形和隐形波束成形两大类。显性波束成形在AP和客户端均有设置，对增加距离和链路耐用性有很大提高。隐性波束成形的好处是客户端不需要做相应的处理，在设备实现上较为简单，对增加距离和耐用性也有一定帮助。

以显性波束成形的热点为例， 无线局域网信号传输过程是这样开始的：

基站与客户端之间需要不断地周期性握手(发送声信号，信道矩阵反馈)

客户端反馈信道信息给热点

热点根据信道状态信息发送复形数据包给客户端，加强某客户端方向的强度

由此获得空间分集增益 + 发射阵列增益(此与发射天线数量有关)

下图举例说明热点和客户端的工作过程和延伸距离的状况。该图定性地比较了不同 AP提供的不同效果。热点采用4组发射天线，延长了802.11n的传输距离，而采用波束成形，又进一步增加了客户端方向的增益和信号覆盖范围。值得注意的是，随着热点和客户端之间作用距离的增加，波束成形带来的优势越发明显，其动态增长的态势呈非线性递增。

图： 波束成形技术增加传输距离的示意图

发展趋势

随着WLAN的发展，基站的数量需求极大，而且基站安装的成本比较高，在这种情况下，增大覆盖范围，克服无线干扰显得尤为重要。

波束成形并不要求采用特殊的天线，也不增加其它无线子系统，就能在性能上得以提高，而且比其它数字信号处理技术，例如空时分组码(STBC)及低密度奇偶校验码(LDPC)的引入，效益更高，可高出数倍。在家庭和企业的环境下，均可适用。

WLAN产品支持双频，即2.4GHz 和5GHz，支持20/40 MHz

空间流从1x1，2x2/2x3， 到2008年的3x3上市，今年的市场上推出4 x4产品

随着WLAN应用的需求发展，波束成形逐渐有望从供选项成为必选项

半导体工艺 从2008年的90纳米CMOS进到2010年55纳米， 进而到2011年提升到40纳米

当前，波束成形也成为了802.11 ac 技术规范的一部分。而对于Wi-Fi认证来说，它仅是一种供选项，并不是必须的。将来是否成为Wi-Fi认证的必要构件，仍有待技术发展的态势而定。事实上，在任何Wi-Fi的设备上都是可以采用波束成形技术的，只不过，这涉及到设备得进行的相应配置。如果在两端均采取对应部署时，它才会真正获得增益最大化。当采用高阶的MIMO时，获取的增益提高会高于低阶的MIMO。例如，4x4的系统总是比2x2的系统具有更大的性能提高空间。

存在问题

波束成形技术固然能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。在多天线都处于连接的状态下，即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也可获提高，但要求信号处理能力也要很强。所以，多天线带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。

小结

波束成形并不要求采用特殊的天线，也不增加其它无线子系统，就能在性能上得以提高，而且比其它数字信号处理技术，例如空时分组码(STBC)及低密度奇偶校验码(LDPC)的引入，效益更高，可高出数倍。在家庭和企业的环境下，均可适用。