波束成形

波束成形是天線技術與數位訊號處理技術的結合，目的用於定向信號傳輸或接收。 波束成形，並非新名詞，其實它是一項經典的傳統天線技術。

基本介紹

• 中文名：波束成形
• 外文名：beamforming
• 套用學科：通信
• 追溯時期：上世紀60年代

背景由來

早在上世紀60年代就有採用天線分集接收的陣列信號處理技術，在電子對抗、相控陣雷達、聲納等通信設備中得到了高度重視。基於數字波束形成（DBF）的自適應陣列干擾置零技術，能夠提高雷達系統的抗干擾能力，是新一代軍用雷達必用的關鍵技術。定位通信系統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原理，對信號進行處理，確定信號來波方向，從而可對信源進行精確定向。只不過，由於早年半導體技術還處在微米級，所以它沒有在民用通信中發揮到理想的狀態。

而發展到WLAN階段，特別是套用在個人通信中，信號傳輸距離和信道質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技術發展歷程的關鍵。802.11n主要是結合物理層和MAC層的最佳化，來充分提高WLAN技術的吞吐。此時，波束成形又有了用武之地。

基本原理

波束成形，源於自適應天線的一個概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進行加權合成，形成所需的理想信號。從天線方向圖(pattern)視角來看，這樣做相當於形成了規定指向上的波束。 例如，將原來全方位的接收方向圖轉換成了有零點、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用於發射端。對天線陣元饋電進行幅度和相位調整，可形成所需形狀的方向圖。

如果要採用波束成形技術， 前提是必須採用多天線系統。例如，多進多出（MIMO），不僅採用多接收天線，還可用多發射天線。由於採用了多組天線，從發射端到接收端無線信號對應同一條空間流(spatial streams)， 是通過多條路徑傳輸的。在接收端採用一定的算法對多個天線收到信號進行處理，就可以明顯改善接收端的信噪比。即使在接收端較遠時，也能獲得較好的信號質量。

MIMO可大大提高網路傳輸速率、覆蓋範圍和性能。當基於MIMO而同時傳遞多條獨立空間流時，系統的吞吐量可成倍地提高。MIMO系統支持空間流的數量取決於傳送天線和接收天線的最小值。如傳送天線數量為3,而接收天線數量為2，則支持的空間流為2。在市場上，經歷了三年3×3模式的量產磨合期後，4X4模式嶄露頭角，立刻引起了業界重視。

工作過程

波束成形的工作過程是怎樣的？以熱點為例，基站給客戶端周期性傳送聲信號，客戶端將信道信息反饋給基站，於是基站可根據信道狀態傳送導向數據包給客戶端。高速的數據計算處理，給出了復形的指示，客戶端方向上的增益得以加強，方向圖隨之整型，相應方向的傳輸距離也有所增加。AP如果用4組發射天線4x4三組空間流，便能在多天線得到的增益基礎上，獲取較大的空間分集增益。

從結構和設定來分，支持802.11n標準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和客戶端均有設定，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的處理，在設備實現上較為簡單，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為例， 無線區域網路信號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（傳送聲信號，信道矩陣反饋）

· 客戶端反饋信道信息給熱點

· 熱點根據信道狀態信息傳送復形數據包給客戶端，加強某客戶端方向的強度

· 由此獲得空間分集增益 + 發射陣列增益（此與發射天線數量有關）

發展趨勢

隨著WLAN的發展，基站的數量需求極大，而且基站安裝的成本比較高，在這種情況下，增大覆蓋範圍，克服無線干擾顯得尤為重要。

波束成形並不要求採用特殊的天線，也不增加其它無線子系統，就能在性能上得以提高， 而且比其它數位訊號處理技術，例如空時分組碼(STBC)及低密度奇偶校驗碼(LDPC)的引入，效益更高，可高出數倍。 在家庭和企業的環境下，均可適用。

當前，波束成形也成為了802.11 ac 技術規範的一部分。而對於Wi-Fi認證來說，它僅是一種供選項， 並不是必須的。將來是否成為Wi-Fi認證的必要構件，仍有待技術發展的態勢而定。事實上，在任何Wi-Fi的設備上都是可以採用波束成形技術的，只不過，這涉及到設備得進行的相應配置。如果在兩端均採取對應部署時，它才會真正獲得增益最大化。當採用高階的MIMO時， 獲取的增益提高會高於低階的MIMO。例如，4x4的系統總是比2x2的系統具有更大的性能提高空間。

存在問題

波束成形技術固然能改善系統性能，增加接收距離，但同時也會增加設備成本和功耗。在多天線都處於連線的狀態下，即使在嚴重的衰落情況下，它提供的信號增益也可獲提高，但要求信號處理能力也要很強。所以，多天線帶來的問題是要求數據處理速度高，控制成本，並降低功耗。因而，晶片的高集成度高性能和電源管理高效性是至關重要的。一方面要提高吞吐量，同時又要將功耗降到最低。

波束成形技術

波束成形技術（Beam Forming，BF）可分為自適應波束成形、固定波束和切換波束成形技術。固定波束即天線的方向圖是固定的，把IS-95中的三個120°扇區分割即為固定波束。切換波束是對固定波束的擴展，將每個120°的扇區再分為多個更小的分區，每個分區有一固定波束，當用戶在一扇區內移動時，切換波束機制可自動將波束切換到包含最強信號的分區，但切換波束機制的致命弱點是不能區分理想信號和干擾信號。

自適應波束成形器可依據用戶信號在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達方向上給予不同的天線增益，實時地形成窄波束對準用戶信號，而在其他方向儘量壓低旁瓣，採用指向性接收，從而提高系統的容量。由於移動站的移動性以及散射環境，基站接收到的信號的到達方向是時變的，使用自適應波束成形器可以將頻率相近但空間可分離的信號分離開，並跟蹤這些信號，調整天線陣的加權值，使天線陣的波束指向理想信號的方向。自適應波束成形的關鍵技術是如何較精確地獲得信道參數。