WiFi產(chǎn)品波束成形方法研究
本文分析介紹了市場(chǎng)上現(xiàn)有的兩種波束成形技術(shù)，一種是天線切換陣列波束成形，另一種是基于數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 的波束成形。其實(shí)這兩種技術(shù)的效果都無(wú)法與相控陣技術(shù)PK，只是在802.11n/802.11ac時(shí)代，相控陣技術(shù)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本文介紹的兩種方法中，天線切換陣列方式以Ruckus為典型，DSP方式以思科為典型。本文轉(zhuǎn)載自思科技術(shù)白皮書(shū)，所以會(huì)看到很多關(guān)于思科的贊美。
本文認(rèn)為，兩種方法均能帶來(lái)一定程度的性能提升，但基于 DSP 的波束成形（如 ClientLink 2.0 中所采用的）效果更佳（尤其在支持客戶(hù)端很多的網(wǎng)絡(luò)時(shí)）；因此出于下列原因，我們更傾向于使用這種方法：
1簡(jiǎn)介
隨著 802.11n 系統(tǒng)在市場(chǎng)中的普及，波束成形逐漸成為了企業(yè) WiFi 基礎(chǔ)設(shè)施中的重要功能。
為理解其原因，首先要指出的是基礎(chǔ)設(shè)施（無(wú)線接入點(diǎn)）側(cè)的 11n 無(wú)線電往往比客戶(hù)端側(cè)具有多得多的收發(fā)器。例如，一臺(tái) 11n 企業(yè)級(jí)無(wú)線接入點(diǎn)通常有三到四個(gè)收發(fā)器，而 11n 客戶(hù)端（如手機(jī)或平板電腦）通常只有一個(gè)收發(fā)器。甚至筆記本電腦通常都只有一兩個(gè)收發(fā)器。原因很簡(jiǎn)單：它們都受制于尺寸和功率（有時(shí)還有成本）限制。在一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備上安裝多個(gè)天線是很困難的，而且移動(dòng)設(shè)備還會(huì)受到電池電量的限制。因此，在典型的企業(yè)方案中，通常會(huì)有一臺(tái) 4×4無(wú)線接入點(diǎn)和一臺(tái) 1×1 客戶(hù)端。
在這樣的收發(fā)器數(shù)量的組合下，由于空間流的數(shù)量受制于連接中天線最少的一側(cè)，因而一個(gè)方向上只能傳輸一條空間流。但在傳輸單獨(dú)一條空間流時(shí)，上行鏈路性能（從客戶(hù)端到無(wú)線接入點(diǎn)）能夠優(yōu)于下行鏈路性能（從無(wú)線接入點(diǎn)到客戶(hù)端）。原因是在上行鏈路方向，無(wú)線接入點(diǎn)的多個(gè)收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)增益合并，從而帶來(lái)更強(qiáng)的信號(hào)。
波束成形是提高下行鏈路性能（無(wú)線接入點(diǎn)到客戶(hù)端）的主要方法，它利用了無(wú)線接入點(diǎn)上的多個(gè) MIMO 收發(fā)器。對(duì)下行鏈路傳輸使用波束成形，往往能夠在上行鏈路和下行鏈路之間形成更為平衡的性能水平。并且由于下行鏈路方向的流量負(fù)荷通常更大，達(dá)到這一平衡能夠帶來(lái)更好的整體系統(tǒng)性能。
WiFi 企業(yè)級(jí)市場(chǎng)中已經(jīng)存在兩種基本的波束成形類(lèi)型：天線切換陣列 (Ruckus及其模仿者) 和基于 DSP 的波束成形 (思科)。本文將探索這兩種方式的區(qū)別，并論證為什么基于 DSP 的方式更優(yōu)越。
2 波束成形的類(lèi)型
如上所述，市場(chǎng)中存在兩種類(lèi)型的波束成形。注意，這兩種方法都能提升下行鏈路方向的信號(hào)，但通常都不會(huì)對(duì)上行鏈路方向產(chǎn)生影響。
2.1 天線切換陣列
正旗通信注釋?zhuān)禾炀切換陣列方式以Ruckus為典型。
這類(lèi)波束成形的基礎(chǔ)是天線切換陣列，它可以使用多種定向天線模式。在天線切換陣列中，有一類(lèi)有時(shí)稱(chēng)為“點(diǎn)觸式二極管”陣列。簡(jiǎn)單而言，天線模式可以通過(guò)啟用某些天線元件并禁用（接地）其它元件來(lái)實(shí)現(xiàn)天線模式的轉(zhuǎn)換。元件的啟用和禁用的結(jié)合可以產(chǎn)生不同的傳播模式。例如，如果每個(gè)收發(fā)器的天線具有 4 個(gè)元件，則每個(gè)天線可以有 15 種可能的模式。（總共本應(yīng)有 16 種模式，但禁用所有元件的模式是無(wú)效的。）如果一臺(tái)無(wú)線接入點(diǎn)具有 3 個(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器有 4 個(gè)天線元件，則理論上總共可以得到 15 x 15 x 15 = 3375 種 MIMO 模式。該方式的思路是無(wú)線接入點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)不同的 MIMO 模式，識(shí)別出能夠?yàn)樘囟ǖ目蛻?hù)端位置帶來(lái)最佳下行性能的 MIMO 模式。
另一種天線切換陣列具有單獨(dú)的元件，這些元件都是定向的，并以一種扇形的方式排列。例如，圍繞無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)置六個(gè)天線，每個(gè)天線覆蓋 60 度的區(qū)域，并具有兩種極性，則可以形成十二個(gè)天線的配置。無(wú)線接入點(diǎn)可以再次試驗(yàn)?zāi)囊环N天線元件的組合能夠提供最佳的下行性能。
人們可能會(huì)產(chǎn)生一種疑問(wèn)：除了下行鏈路方向，定向天線模式可以用于提升上行鏈路方向的增益嗎？ 通常的回答都是“不能”，至少對(duì)于上行鏈路數(shù)據(jù)包（而非 ACK 數(shù)據(jù)包）來(lái)說(shuō)是這樣的。在如圖 2 所示的企業(yè)級(jí)方案中，一臺(tái)特定無(wú)線接入點(diǎn)上連接有許多客戶(hù)端，所以該無(wú)線接入點(diǎn)并不知道接下來(lái)哪一個(gè)客戶(hù)端將傳輸數(shù)據(jù)包。因此，處于接收模式下的企業(yè)級(jí)無(wú)線接入點(diǎn)不得不使用全向天線模式，因而無(wú)法得到定向增益。如果選擇定向模式作為接收模式，在對(duì)下一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的客戶(hù)端判斷錯(cuò)誤的情況下，還會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。下圖說(shuō)明了為什么定向天線模式不能用于上行鏈路流量。
2.2. 基于 DSP 的波束成形
這類(lèi)波束成形并不需要天線陣列，而是使用更傳統(tǒng)的每個(gè)收發(fā)器一個(gè)天線元件的配置。與天線切換陣列不同，這種方法使用 DSP 技術(shù)，對(duì)各天線上傳輸?shù)男盘?hào)的相位和波幅（功率）進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)改變所傳輸信號(hào)的相位和波幅，無(wú)線接入點(diǎn)能夠作出調(diào)整，使得客戶(hù)端收到的信號(hào)得到建設(shè)性干涉，從而提高客戶(hù)端處的信號(hào)質(zhì)量。
2.2.1. DSP 波束成形的工作原理
要理解其工作原理，請(qǐng)先看一個(gè)例子。在該例中，一臺(tái)只有一個(gè)收發(fā)器的 802.11a/g/n 客戶(hù)端向一臺(tái)帶有四個(gè) MIMO 收發(fā)器的思科 802.11n無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送上行鏈路數(shù)據(jù)包。當(dāng)無(wú)線接入點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，它實(shí)際上收到了四個(gè)不同的信號(hào)（每個(gè)接收天線收到一個(gè)）。所接收的每個(gè)信號(hào)的相位和波幅都是不同的，這些參數(shù)取決于無(wú)線接入點(diǎn)上的天線和客戶(hù)端上的天線之間的空間（或路徑）的物理特性。使用信號(hào)處理后，通過(guò)調(diào)整所接收信號(hào)的相位和波幅以形成可能得到的最佳信號(hào)，無(wú)線接入點(diǎn)能夠?qū)亩鄠(gè)路徑接收到的四個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)增強(qiáng)的信號(hào)。對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸，完成這一合并工作的算法稱(chēng)為最大比合并 (MRC)。對(duì)于多空間流傳輸，情況要復(fù)雜一些，但基本算法可稱(chēng)為 MIMO 均衡。圖 3 展示了 MRC 在補(bǔ)償任意接收路徑衰減并生成總體優(yōu)良信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)。 下圖展示了MRC算法如何提升接收質(zhì)量。
DSP 波束成形技術(shù)在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提升了下行鏈路方向的性能，即讓客戶(hù)端能夠更清楚地接收到來(lái)自無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)。在 WiFi 中，該信道是可反向的（即從無(wú)線接入點(diǎn)到客戶(hù)端與從客戶(hù)端到無(wú)線接入點(diǎn)是相同的），這是因?yàn)榻邮蘸蛡鬏敹荚谙嗤男诺李l率和天線上進(jìn)行。由于無(wú)線接入點(diǎn)知道能使自己的接收器接收到最佳信號(hào)的相位和波幅，它也可以使用同樣的相位和波幅（稱(chēng)為“權(quán)重”）來(lái)優(yōu)化傳輸回特定客戶(hù)端的信號(hào)。經(jīng)過(guò) DSP 波束成形算法的處理，客戶(hù)端在其唯一的天線上也能接收到經(jīng)過(guò)增強(qiáng)的最佳信號(hào)。確保 MIMO Tx 信號(hào)的相位一致性，使客戶(hù)端接收到最佳信號(hào)。
注意，802.11a/g/n 信號(hào)使用的調(diào)制方案稱(chēng)為正交頻分復(fù)用 (OFDM)，該方案使用多個(gè)子載波。由于這些子載波在頻率上被分隔，每個(gè)子載波在無(wú)線接入點(diǎn)和客戶(hù)端之間會(huì)存在信道特性上的差異。因此，各子載波的相位和波幅將分別計(jì)算和存儲(chǔ)。我們隨后會(huì)在 DSP 波束成形的優(yōu)點(diǎn)一節(jié)中再次討論這一點(diǎn)，因?yàn)檫@是帶來(lái) DSP 波束成形的性能增益的主要因素。
2.2.2. DSP 波束成形適用于任何客戶(hù)端
需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，2.2.1 節(jié)中闡述的 DSP 波束成形技術(shù)在實(shí)施時(shí)無(wú)需在客戶(hù)端一側(cè)安裝任何特殊的硬件或軟件功能。因此，這一波束成形技術(shù)適用于任何現(xiàn)有的 802.11 a/g/n 客戶(hù)端。這類(lèi) DSP 波束成形的代表之一是思科的ClientLink 2.0 技術(shù)。它實(shí)施于思科 3600 /2600/1600 系列無(wú)線接入點(diǎn)中，兼容任何客戶(hù)端（且能夠支持多達(dá) 128 臺(tái)802.11 a/g/n 混用的客戶(hù)端）。請(qǐng)勿將這類(lèi)波束成形與多種屬于 11n 標(biāo)準(zhǔn)的可選波束成形混淆，后者通常不會(huì)在客戶(hù)端中實(shí)施。11n 標(biāo)準(zhǔn)的波束成形方法要求接收設(shè)備（客戶(hù)端）與傳輸設(shè)備 (無(wú)線接入點(diǎn)) 共享信道狀態(tài)信息，否則波束成形無(wú)法工作。由于在實(shí)際情況中，客戶(hù)端極少安裝（或啟用）對(duì) 802.11n 波束成形的支持，因此目前它能提供的實(shí)際好處有限，且預(yù)計(jì)這一情況在將來(lái)也不會(huì)有什么改觀。
802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)也定義了一種可選的 DSP 波束成形方法，這一方法預(yù)計(jì)能在客戶(hù)端中得到更廣泛的支持。但不幸的是，11ac 并不與 11n 芯片集向后兼容。因此，11ac 波束成形僅能在使用 11ac 無(wú)線接入點(diǎn)和 11ac 客戶(hù)端且兩者同時(shí)支持 11ac 波束成形的情況下帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。
注意，某些供應(yīng)商聲稱(chēng)，由于客戶(hù)端的 Tx 路徑和 Rx 路徑存在差異，降低了信道的可反向性，所以沒(méi)有客戶(hù)端參與的 DSP 波束成形的效果欠佳。這一說(shuō)法是具有誤導(dǎo)性的，因?yàn)?Rx 路徑對(duì)于波束成形的性能影響甚微。空中傳輸信道中唯一需要具備可反向性的部分是客戶(hù)端的天線與無(wú)線接入點(diǎn)的 Rx 和 Tx 之間的部分。因此，要保持可反向性，無(wú)線接入點(diǎn)只需校準(zhǔn)其自身的 Rx 和 Tx 路徑之間的差異（思科已經(jīng)做到了這點(diǎn)），且客戶(hù)的 Tx 相在波束成形矩陣的計(jì)算中已完全將自身抵消。
3DSP 波束成形相比較于天線切換波束成形的優(yōu)勢(shì)
雖然通過(guò)天線切換實(shí)現(xiàn)波束成形的方法的確能帶來(lái)一些好處，但基于 DSP 的波束成形仍然具有顯著的優(yōu)勢(shì)。本節(jié)將闡述其中的主要優(yōu)勢(shì)。
3.1.1. 子載波單獨(dú)優(yōu)化
如前所述，DSP 波束成形的第一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠在子載波的級(jí)別上優(yōu)化信號(hào)。請(qǐng)記住，40 MHz 802.11n 信號(hào)具有 114 個(gè)子載波（數(shù)據(jù)和前導(dǎo)），而 80 MHz 802.11ac 信號(hào)具有 242 個(gè)子載波。OFDM 信號(hào)的載波分散在這些范圍寬廣的信道中，而在不同的頻率下，信號(hào)的反射方式也大不相同。如圖 3 所示，在 1 MHz 下進(jìn)入信道時(shí)，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)天線 1，然而在 16.5 MHz 下進(jìn)入信道時(shí)，卻應(yīng)強(qiáng)調(diào)天線 3 而非天線 1。
因此，天線模式事實(shí)上應(yīng)針對(duì)每一個(gè)子載波分別優(yōu)化（至少應(yīng)針對(duì)載波組）。在只有一個(gè)外部天線陣列時(shí)，對(duì)于所有子載波僅能使用一種模式。這自然導(dǎo)致該解決方案出現(xiàn)了妥協(xié)，它只能在整體上嘗試選擇最佳的模式，卻無(wú)法針對(duì)各個(gè)子載波單獨(dú)優(yōu)化。
3.1.2. 巨量模式能夠適應(yīng)復(fù)雜的室內(nèi)反射環(huán)境
天線切換陣列技術(shù)的供應(yīng)商吹噓他們能夠從數(shù)千種天線模式中任選其一，來(lái)優(yōu)化傳向客戶(hù)端的信號(hào)。如前所述，對(duì)于三個(gè)各自配有四個(gè)天線元件的收發(fā)器，可選的模式確有數(shù)千種。
但我們來(lái)看看 DSP 方式。一根天線上的單個(gè)子載波組的波束成形權(quán)重是一個(gè) 16 位值，這個(gè)值即為波幅和相位的編碼。如果有 4 根天線，該值就會(huì)變成 64 位，即每個(gè)子載波組 1019（40 億 x 40 億）種天線模式。對(duì)于 40 MHz802.11n 信號(hào)的 30 個(gè)載波組，總的模式數(shù)則為 10578。（除了這些波束成形模式，DSP 軟件還能為各空間流選擇不同的分發(fā)功率。）因此可以看到，DSP 波束成形方法在選擇最佳模式上具備極大的靈活性。
這對(duì)于室內(nèi)環(huán)境而言尤為重要，因?yàn)樵谶@些環(huán)境中可能存在成千上萬(wàn)次信號(hào)反射。事實(shí)上，視距中的信號(hào)路徑往往并不顯而易見(jiàn)或帶來(lái)最強(qiáng)的信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)會(huì)穿透障礙物（如墻壁）。要優(yōu)化這一異常復(fù)雜的信號(hào)，必須使用巨量模式，才能得到最佳信號(hào)。由于天線切換陣列的模式數(shù)量有限，它們不得不采用的模式往往會(huì)削弱部分反射路徑的信號(hào)。
3.1.3. 更快地獲得最佳天線模式
天線切換陣列方法的重大劣勢(shì)之一是無(wú)法很快地確定最佳天線模式。在使用天線切換陣列時(shí)，為了確定最佳模式，無(wú)線接入點(diǎn)必須掃描可用的模式集，并衡量哪種模式似乎具有最佳的表現(xiàn)（通過(guò)數(shù)據(jù)包成功率或達(dá)到的 MCS 率來(lái)確定）。這一掃描過(guò)程將占用一些時(shí)間，這在客戶(hù)端不斷移動(dòng)或環(huán)境變化劇烈（例如房間中有人員走動(dòng)），或需要支持大量客戶(hù)端的情況下尤其成問(wèn)題。
相反，DSP 波束成形僅憑一個(gè)上行鏈路數(shù)據(jù)包就能獲得最佳模式。只需運(yùn)行 MRC（對(duì)于多流傳輸則運(yùn)行 MIMO均衡算法），無(wú)線接入點(diǎn)就立即能知道通向客戶(hù)端的信道，從而確定應(yīng)使用的最佳波束成形模式。因此，DSP 波束成形方法在幾微秒內(nèi)就能得到最佳模式，而天線切換陣列方法則需要幾毫秒至幾秒的時(shí)間（取決于客戶(hù)端數(shù)量）才能獲得。所以，直接的結(jié)果是 DSP 波束成形對(duì)于快速變化的射頻環(huán)境支持更佳，且在該環(huán)境中能夠支持的客戶(hù)端數(shù)量也更多。
3.2. DSP 波束成形的其它物理優(yōu)勢(shì)
3.2.1. 相較于天線切換陣列，DSP 波束成形具有 更好的擴(kuò)展性
如前所述，天線切換陣列方法要求每個(gè)收發(fā)器具有多個(gè)天線元件。例如，對(duì)于 3 個(gè)各有 4 個(gè)元件的收發(fā)器，總共需要 12 個(gè)天線。
在 802.11n 和 802.11ac 系統(tǒng)中，不斷增加收發(fā)器已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。例如，早期的 802.11n 無(wú)線接入點(diǎn)有兩到三個(gè)收發(fā)器，而現(xiàn)今的頂尖企業(yè)級(jí)無(wú)線接入點(diǎn)已經(jīng)配有四個(gè)收發(fā)器。而隨著 802.11ac 的第 2 波發(fā)布，還可能出現(xiàn)超過(guò)四個(gè)收發(fā)器的系統(tǒng)。（11ac 標(biāo)準(zhǔn)定義了最多八個(gè)空間流，而這需要至少八個(gè)收發(fā)器才能實(shí)現(xiàn)。）隨著收發(fā)器數(shù)量的增長(zhǎng)，天線元件的數(shù)量也呈倍數(shù)級(jí)增加。對(duì)于天線切換陣列方法，這將造成體積和成本上的難題。
3.2.2. DSP 波束成形無(wú)需射頻開(kāi)關(guān)
天線切換陣列方法的第二個(gè)物理缺陷在于切換開(kāi)關(guān)自身。這些開(kāi)關(guān)是啟用或禁用單個(gè)天線元件以形成模式的必要部件。它們會(huì)造成傳輸信號(hào)的損失，而這也在一定程度上抵消了為客戶(hù)端選擇良好的定向模式所帶來(lái)的增益。DSP 波束成形方法不使用切換開(kāi)關(guān)，因而不存在因?yàn)殚_(kāi)關(guān)引起的信號(hào)丟失。
4 兩種波束成形方法的其它比較
4.1. 隱藏節(jié)點(diǎn)
在任何 WiFi 部署中都存在一個(gè)有趣的問(wèn)題：隱藏節(jié)點(diǎn)。如果您不清楚什么是隱藏節(jié)點(diǎn)，我們將在此作一簡(jiǎn)要介紹。您也可以參閱圖 5 中的說(shuō)明。假設(shè)有 3 個(gè)排成一排的設(shè)備，A、B 和 C。設(shè)備 A 正在向設(shè)備 B 傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備 C距離很遠(yuǎn)，以至于它并不知道 A 正在傳輸數(shù)據(jù)，于是它也同時(shí)開(kāi)始傳輸。不幸的是，B 離 C 很近，于是來(lái)自于 C的傳輸干擾了 B 偵聽(tīng) A 的能力。
天線切換陣列將更多的能量集中在一個(gè)方向上發(fā)送，更容易導(dǎo)致第三臺(tái)設(shè)備無(wú)法偵聽(tīng)到無(wú)線接入點(diǎn)向客戶(hù)端的傳輸從而對(duì)該傳輸造成干擾，因此這種方法反而會(huì)引起更多的隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。
與之相反，DSP 波束成形則不會(huì)增加隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。原因是在通常的室內(nèi)多路徑環(huán)境中，DSP 波束成形并不會(huì)完全向一個(gè)定相方向發(fā)送信號(hào)。相反，對(duì)于每個(gè)子載波，信號(hào)的傳播方向都是不同的，因此在整體上形成了眾多的方向。從某種意義上講，對(duì)這一效應(yīng)最簡(jiǎn)單的類(lèi)比是將無(wú)線接入點(diǎn)（在特定頻率段）上的覆蓋范圍想象成一片瑞士奶酪。請(qǐng)參閱圖 6。奶酪中的孔洞就是相消干涉偶然造成信號(hào)衰減的區(qū)域，在這些區(qū)域中信號(hào)等級(jí)很低。DSP 波束成形就像旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)頻率段的奶酪片，使得孔洞始終與接收信號(hào)的客戶(hù)端的位置錯(cuò)開(kāi)。通過(guò)移動(dòng)這些孔洞，整體性能也顯著提高了。
然而旋轉(zhuǎn)奶酪片對(duì)其它客戶(hù)端會(huì)造成什么影響？ 這是完全隨機(jī)的，在大多數(shù)情況下不會(huì)造成什么影響，有時(shí)會(huì)增強(qiáng)信號(hào)，有時(shí)又會(huì)減弱信號(hào)。但由于整體影響是隨機(jī)的，因此不會(huì)增加隱藏節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
4.2. 干擾抑制
某些天線陣列供應(yīng)商聲稱(chēng)，根據(jù)信號(hào)模式中的“前后比”增益，天線切換陣列還能在干擾抑制上帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。
這一論斷是有誤導(dǎo)性的，因?yàn)槿缜八，在企業(yè)環(huán)境中，只有在同已知的客戶(hù)端通信時(shí)，才能在下行鏈路方向使用定向天線模式。如果無(wú)線接入點(diǎn)處于 CSMA（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）偵聽(tīng)狀態(tài)下，則是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。原因在于在企業(yè)環(huán)境中，一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)幾乎總是要服務(wù)于多個(gè)客戶(hù)端。在 CSMA 偵聽(tīng)狀態(tài)中，必須使用全向模式，因?yàn)闊o(wú)線接入點(diǎn)不知道下一個(gè)將進(jìn)行傳輸?shù)目蛻?hù)端是哪一個(gè)。在全向模式下工作時(shí)，天線陣列不會(huì)有定向優(yōu)勢(shì)，因而也無(wú)法實(shí)現(xiàn)干擾抑制。
4.3. 極化增益
對(duì)于天線陣列，方法之一是使用極化的天線元件，這樣陣列就可以在不同極性的模式間選擇。信號(hào)的極化會(huì)造成影響。例如，由于手機(jī)天線的極化，為了播放視頻而側(cè)放的手機(jī)與其被豎直拿起時(shí)的性能是不同的。
但極化效應(yīng)通常僅限于視距環(huán)境，如室外。在室內(nèi)的多路徑環(huán)境中，多個(gè)路徑會(huì)引起大量極化差異，因此極化天線元件的優(yōu)勢(shì)也被大大削弱了。
5兩種波束成形方法的增益分析
最后，波束成形解決方案的真正優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)向特定客戶(hù)端發(fā)送的信號(hào)的平均增益來(lái)衡量。
5.1. 天線切換陣列波束成形增益
對(duì)于天線切換陣列，增益來(lái)自于所選擇的天線模式的定向增益。由于不同的時(shí)刻所用的模式也不同，我們可以看看多種模式的平均定向增益。但請(qǐng)注意，對(duì)于室內(nèi)多路徑環(huán)境，需要減去幾 dB，因?yàn)榧幢阍谧罴涯Ｊ较，某些原本能夠到達(dá)客戶(hù)端的反射信號(hào)也會(huì)被衰減。
在此我們以 Ruckus 7982 無(wú)線接入點(diǎn)為例，該無(wú)線接入點(diǎn)聲稱(chēng)其“自適應(yīng)天線增益”可達(dá) 6 dB。注意，對(duì)于 7962，Ruckus 還聲稱(chēng)能夠通過(guò)基于標(biāo)準(zhǔn)的 802.11n 波束成形獲得額外 3 dB 的增益。如 2.2.2 節(jié)中所討論的，這一論斷是非常理想化的，因?yàn)闆](méi)有有客戶(hù)端配備了 11n 標(biāo)準(zhǔn)的波束成形。Ruckus 指出，這一增益將在“未來(lái)幾年中客戶(hù)端普遍獲得兼容性”后實(shí)現(xiàn)。然而這一假設(shè)可能并不現(xiàn)實(shí)。因?yàn)闆](méi)有明顯的跡象表明在未來(lái)的任何時(shí)間 11n 客戶(hù)端會(huì)加入對(duì) 11n 波束成形的支持。
5.2. DSP 波束成形增益
對(duì)于 DSP 波束成形，可以探討一下基于信道數(shù)學(xué)模型的理論。某些增益是“陣列增益”，而另一些則是均衡信道的結(jié)果。陣列增益指的是實(shí)際波束模式的方向性。換句話說(shuō)，陣列增益是波束形成器將波束“指向”客戶(hù)端的能力。陣列增益可按如下方式直接計(jì)算：
GArray = 10Log10(nTx/nSS)
雖然陣列增益在 RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）中能為客戶(hù)端帶來(lái)不錯(cuò)的提升，但它無(wú)法為在整個(gè)信號(hào)帶寬中存在不均勻的 RSSI 的客戶(hù)端帶來(lái)相同的優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)非視距 (NLOS) 環(huán)境中，空中信道在整個(gè) 40-MHz 信道中變化劇烈，通常被稱(chēng)為頻率選擇性衰減信道。因此，即使某一組子載波能夠良好地接收信號(hào)，另一些子載波組收到的信號(hào)的功率也常常明顯低于其他子載波組（如圖 3 所示，衰減可達(dá) 30 dB 甚至更多）。這些嚴(yán)重的頻率選擇性衰減正是對(duì)子載波逐一進(jìn)行波束成形極其重要的原因。
由于客戶(hù)端通常并沒(méi)有多余的可用于 MIMO 均衡的接收天線，提升信道質(zhì)量的重任便落在了無(wú)線接入點(diǎn)波束形成器上。而這正是 DSP 波束成形的強(qiáng)項(xiàng)，因?yàn)樗軌蜥槍?duì)各個(gè)子載波組分別進(jìn)行波束成形。
雖然陣列增益可以直接計(jì)算，但確定整體波束成形增益（包括子載波逐一增益）卻無(wú)法僅通過(guò)計(jì)算得到，而需要用信道模型模擬。例如，使用下列模型參數(shù)進(jìn)行模擬：
6天線切換陣列無(wú)線接入點(diǎn)和基于 DSP 波束成形無(wú)線接入點(diǎn)的性能測(cè)量結(jié)果對(duì)比
為了為這些對(duì)比提供具體的數(shù)據(jù)，我們將比較兩款使用兩種不同的波束成形方法的企業(yè)級(jí)無(wú)線接入點(diǎn)。
對(duì)于天線切換陣列方法，我們選擇了 Ruckus 7982 無(wú)線接入點(diǎn)。7982 是一款 802.11n 無(wú)線接入點(diǎn)，配備 12個(gè)天線元件，共 3 個(gè)收發(fā)器，工作頻率為 5 GHz。
對(duì)于 DSP 波束成形方法，我們選擇了思科的 3602i 和 3602e 無(wú)線接入點(diǎn)。3602i 是一款 802.11n 無(wú)線接入點(diǎn)，帶有四個(gè)收發(fā)器和內(nèi)置的全向天線元件，并配備稱(chēng)為 ClientLink 2.0 的 DSP 波束成形技術(shù)（該技術(shù)適用于所有802.11a/g/n 客戶(hù)端）。3602e 與前者相同，但全向天線是外置的而非內(nèi)置。
6.1. 測(cè)量結(jié)果
下行 TCP 吞吐量
7總結(jié)
如本文所述，波束成形逐漸成為 802.11n（及其后）企業(yè)級(jí)無(wú)線接入點(diǎn)的重要功能，因?yàn)樗軌驇椭胶馍闲墟溌泛拖滦墟溌返男阅，并提高網(wǎng)絡(luò)的容量。
目前市面上有兩種波束成形實(shí)現(xiàn)方法：天線切換陣列和 DSP 波束成形。雖然兩者都能帶來(lái)一些好處，但事實(shí)證明DSP 波束成形方法能夠提供許多優(yōu)勢(shì)（包括更好的性能），因而使其成為了目前的首選解決方案。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-17
