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[技术交流] 聊聊Beamforming(二)

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发表于 2019-5-31 17:29:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
波束成形技术(Beam Forming,BF)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。

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