电子商务网站推广策划方案,制作网站低价,网站兼容性代码,网站建设与网页设计 视频教程波束成形技术是将信号以一种能量集中和定向方式发送给无线终端的技术#xff0c;能全面改善无线终端接收的信号质量#xff0c;并提升吞吐量。 如果要采用波束成形技术#xff0c; 前提是必须采用多天线系统。例如#xff0c;多进多出#xff08;MIMO#xff09;#xf…波束成形技术是将信号以一种能量集中和定向方式发送给无线终端的技术能全面改善无线终端接收的信号质量并提升吞吐量。 如果要采用波束成形技术 前提是必须采用多天线系统。例如多进多出MIMO不仅采用多接收天线还可用多发射天线。由于采用了多组天线从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams) 是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时也能获得较好的信号质量。
一
Beamforming最早是由802.11n引入到802.11协议簇中的在802.11ac只支持显式反馈的beamforming(Explicit feedback)。
Beamforming会给传输数据带来什么好处呢从下面的这个例子对比可以有一个直观的印象。 其中空间流1的RMS EVM为4.1%空间流2的RMS EVM为2.5%。从结果来看使用Beamforming技术对信号传输质量有明显的改善。接下来我将详细介绍这个非常关键和有用的技术。 Beamforming真正能发挥性能优势的情况是发射天线数量超过接收天线的数量以及空间流数目时在这种情况下空间流可以选择更好的信道来传输并且在接收侧还可以享受SDMMRC带来的额外性能增益。
二
关于Beamforming现在越来越多的走入了实际生活中。最先将Beamforming带入实际生产生活中的应该是802.11n但当时还是optional而不是critical直接导致大部分当时的产品没有上Beamforming技术。如今技术的发展Beamforming已经成为4G、5G技术的critical项。Beamforming是基于MIMO天线的一种技术其区别于xTxR的主要特征为在同一个时间截面中组成Beamforming阵列的天线上只存在一条数据流虽然可以通过时分的方式对数据流进行切换。而xTxR会在同一个时间截面中多条天线上跑的数据流并不相同其比Beamforming而言单位时间吞吐速率是十分明显的。
Beamforming技术本质是通过改变发射端不同链路间的相位差多信号在接收端叠加恢复出原有信号的技术其可以方便的将能量集中在较小的区域从而使得较小的能量也能获得较远的传输距离同时相比于传统的的定向天线其最大的特点在于其主瓣方向可以通过软件进行调整无需机械调整。当然基站中甚至会用到可重构天线整列每个阵元之间既可以组成Beamforming也可以组成xTxR方便多用户多角度的定向通讯。
Beamforming给无线通讯带来了更大的想象空间尤其在mmWave及频率更高的频段定向传输能量和信息有着无可比拟的优势降低整机发射功率为节点实现更长的维护周期。
波束成形技术Beam FormingBF可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向图是固定的把IS-95中的三个120°扇区分割即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展将每个120°的扇区再分为多个更小的分区每个分区有一固定波束当用户在一扇区内移动时切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。
自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径最佳地形成方向图在不同到达方向上给予不同的天线增益实时地形成窄波束对准用户信号而在其他方向尽量压低旁瓣采用指向性接收从而提高系统的容量。由于移动站的移动性以及散射环境基站接收到的信号的到达方向是时变的使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开并跟踪这些信号调整天线阵的加权值使天线阵的波束指向理想信号的方向。自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数。
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
光束很简单实现只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。这是因为可见光近似沿直线传播衍射能力很弱。然而在无线通讯系统中信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在。由于无线通讯使用的电磁波衍射能力很强所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型而必须使用其他方法。无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气并在接收端由天线接收。因此电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图即天线发射的信号在空间不同方向的幅度来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱即每个方向的辐射强度都差不多类似电灯泡而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线即瞄准一个方向辐射类似手电筒。然而此类天线往往体积较大很难安装到移动终端上想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子。另外波束成型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向而这在手机上显然不可能。因此实用的波束成型方案使用的是智能天线阵列。
在波束成型中我们有许多个波源即天线阵列通过仔细控制波源发射接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射接收增益都集中在一个方向上即接收机发射机所在的位置而在其他地方电磁波辐射接收增益都很小即减少了对其他接收机的干扰减小了被其他发射机干扰的机会。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波波前到达天线阵列中每个天线的时间相位均有所不同。对于每一个天线我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别因此在经过该相位延迟后我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合因此在加和后幅度并不会变大。这样天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。
三
在Wi-FiWiFi标准中从Wi-Fi 4802.11n开始引入该技术。根据辐射方向图将WiFi天线分为以下几类
• 全向定向天线
• 半定向天线
• 定向天线
全向定向WiFi天线在所有方向均等量发射电磁波。半定向天线以特定模式发射无线电波而定向天线仅在特定方向上发射能量。它们通常用于WiFi路由器和WiFi适配器中。
Wi-Fi为什么要用波束成形
Wi-Fi标准一直致力于提升无线的传输速率尤其是从Wi-Fi 4802.11n开始引入了MIMO和波束成形技术让传输速率提升到了数百兆提升了1个量级。
MIMO技术通过多天线传输带来传输速率的成倍增长。但在实际应用中STA无线终端往往只有1到2个天线这使得STA发送和接收信号的收益有所差异。STA向AP发送信号时AP可以利用自己的多天线系统增强接收增益获得更好的信号强度AP向STA发送信号时如果仅使用对应数量的天线发送信号则无法利用多天线带来的增益。为了解决这一问题通过引入波束成形技术可以增强STA接收到的信号强度从而使AP和STA可以协商出更高的传输速率。
为了充分利用AP的多天线资源Wi-Fi 5802.11ac又引入了MU-MIMO技术使AP可以同时向多个STA发送信号有效提升了无线的传输效率。MU-MIMO也需要波束成形技术波束成形使AP的多天线信号叠加后让各STA仅收到自己的信号消除其他STA的信号避免干扰。Wi-Fi 6802.11ax在Wi-Fi 5的技术上进一步增加了MU-MIMO的多用户数量这些都离不开波束成形技术的使用。
波束成形是如何工作的
波束成形从字面理解就是塑造波束的形状那么如何塑造出波束的形状呢以光束为例用一个手电筒打出一道光束光束的形状是固定的。如果在平行方向增加一个手电筒则会发现两道光束叠加后光束亮度增加光束形状发生了改变。如果继续增加手电筒的数量光束的亮度继续增加叠加后的光束形状也继续变化。在多个手电筒的情况下改变手电筒的开关状态或调整发光的强弱也会影响光束的形状。
对于无线通信天线就相当于手电筒无线信号的波束就相当于光束通过多个天线控制每个天线发射的信号就可以改变无线信号的波束形状。
在多天线系统中如果不同天线传输的信号在到达某一位置时存在两条衰减相等的波束且两条波束相位相反就可能会出现空间空洞。波束成形技术可以通过预先补偿发射天线的相位让两条波束进行叠加以实现信号增强的效果。
波束成形怎么知道该如何调整发射天线的信号呢这是通过检测信道状态信息CSIChannel State Information来获取并计算出调整参数的。按照CSI获取方式的不同波束成形可以分为显式波束成形Explicit beamforming和隐式波束成形Implicit beamforming。
显式波束成形
显式波束成形是一种需要STA反馈信道信息的波束成形方式。显式波束成形信道信息的探测和反馈流程如下
AP向STA发送探测数据Training Symbol。在802.11n标准中AP发送探测数据包括空数据包NDP和交错前导码两种方式802.11ac标准开始则直接使用NDP的方式。 NDP是一种没有数据的空帧其没有负荷。AP向STA发送NDP探测通告和空数据包STA收到探测通告和空数据包后进行信道信息反馈。 交错前导码是利用发送的带有负荷的帧实现探测这个帧会承载一个MAC帧和探测信道。 STA向AP反馈信道信息。 在802.11n标准中STA的信道信息反馈有三种方式
CSI方式STA将原始的信道信息直接发送给AP由AP计算最终的波束成形权重值。 非压缩波束成形权重值STA收到探测后由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP。这种方式会增加系统开销因此有了压缩波束成形权重值。 压缩波束成形权重值同样是由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP并且通过一些方法降低了系统开销。 802.11ac标准开始STA采用压缩波束成形权重值的方式反馈信道信息。
AP根据STA反馈或自己计算的权重信息进行波束成形多径信号在STA处汇聚形成增益。
隐式波束成形
隐式波束成形是由Beamformer计算发送方向信道信息的波束成形方式其利用了时分双工TDDTime Division Duplexing系统的互易性即认为同频段的上下行的信道状态信息是相等的将Beamformee反馈的上行接收方向信道信息直接应用于下行发送方向进行波束成形。由于隐式波束成形具体实现的复杂性从802.11ac协议开始已经明确不再支持隐式波束成形且业界也基本无厂商实现该方式波束成形这里我们也不再做更详细的描述。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/112048308 https://zhuanlan.zhihu.com/p/110251527 https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/%E6%B3%A2%E6%9D%9F%E6%88%90%E5%BD%A2.html