獅吼功還有一招大喇叭——覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

本篇部分內(nèi)容來源自世界無線局域網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展聯(lián)盟（WAA）同名白皮書原文。

之前，我們解讀過WAA在其夏季論壇上發(fā)布的《企業(yè)典型場(chǎng)景高品質(zhì)WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)白皮書》，白皮書介紹了非常多構(gòu)建高品質(zhì)WLAN的技術(shù)。我們準(zhǔn)備通過幾期的內(nèi)容，展開談?wù)勥@個(gè)話題。今天，咱們先聊聊其中的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。

對(duì)于WLAN而言，提升信號(hào)覆蓋，是永恒不變的訴求。在家庭使用的時(shí)候，我們都會(huì)不經(jīng)意去選擇多天線的路由器，就不用說對(duì)WLAN覆蓋有更高要求的辦公、商圈和更高性能要求的工業(yè)化場(chǎng)景了。但是僅僅是提高功率就可以嗎？自然沒那么簡(jiǎn)單。

無線網(wǎng)絡(luò)的流量模型是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的，終端會(huì)陸續(xù)不斷的接入、離線、移動(dòng)，漫游，如何保障終端在不同的位置，尤其是邊緣都能具有良好的體驗(yàn)是個(gè)關(guān)鍵的話題。

學(xué)通信工程的小伙伴們都很熟悉香農(nóng)公式：

其中：

• C：最大可靠傳輸速率（單位為比特每秒，bps）

• B：信道的帶寬（單位為赫茲，Hz）

• S：信號(hào)的平均功率

• N：信道的平均噪聲功率

根據(jù)香農(nóng)公式，在空間流，信號(hào)帶寬不變的情況下，進(jìn)一步提升傳輸速率與體驗(yàn)，就需要從信噪比上入手。AP 與終端位置固定的場(chǎng)景下，能夠提升接收信噪比的措施主要有增大發(fā)射功率、智能天線、預(yù)編碼技術(shù)和接收增強(qiáng)等技術(shù)。如果拿《功夫》電影里面包租婆的獅吼功做類比的話，這些技術(shù)就是獅吼功里的那招大喇叭。下面，我們就詳細(xì)談一下，這些技術(shù)都是怎么一回事兒。

增大發(fā)射功率是指增加無線訪問點(diǎn)（AP）發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度。通過增大發(fā)射功率，信號(hào)在傳輸過程中的衰減可以減少，接收端能夠接收到更強(qiáng)的信號(hào)，從而提高接收信噪比。這將有助于在信號(hào)覆蓋范圍較廣或存在障礙物干擾的情況下提高終端的接收質(zhì)量。但與此同時(shí)，由于信號(hào)與噪聲是共存的，噪聲功率也會(huì)增加。因此，信噪比的提升可能并不顯著，從而對(duì)傳輸速率的改善有限。

而且，需要注意的是，增大發(fā)射功率也可能引發(fā)其他問題。例如，可能導(dǎo)致干擾其他無線網(wǎng)絡(luò)，增加功耗和熱量，以及增加終端和AP之間的干擾。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須平衡信號(hào)覆蓋范圍和功率消耗之間的關(guān)系。

所以增大發(fā)射功率，并不被推薦。

提到增強(qiáng)覆蓋，自然離不開天線技術(shù)的變革。MIMO(Multi-Input Multi-Output多輸入多輸出)技術(shù)意味著多根天線。而智能天線是指該技術(shù)利用具有多個(gè)硬件天線的天線陣列，智能的從中選擇多個(gè)天線陣子進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收，不同天線的組合可以形成不同的信號(hào)輻射方向，從而可以為處于不同位置的STA選擇最佳的發(fā)送或接收天線，提高信號(hào)接收質(zhì)量，最終提升系統(tǒng)的吞吐量。

智能天線技術(shù)主要包括2個(gè)方面：一方面是智能天線陣列，即天線陣列硬件設(shè)計(jì)；另一方面是智能天線波束選擇算法，即如何選擇天線陣列里的天線。前者可以理解為是部署在發(fā)送端的技術(shù)，后者是部署在接收端的技術(shù)。

3.1智能天線陣列（Smart Antenna Array）

天線陣列是由一系列的小天線組合而形成一個(gè)陣列，通過在天線上引入相位和幅度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的方向性調(diào)節(jié)。通過智能天線陣列，可以改變信號(hào)的輻射方向，將信號(hào)能量集中在特定的方向，從而增強(qiáng)該方向上的信號(hào)強(qiáng)度。這種技術(shù)的本質(zhì)就是波束成形（Beamforming）。

波束成形在WLAN對(duì)應(yīng)的協(xié)議里，經(jīng)常稱為TxBF (Tx Beamforming)，Tx就是發(fā)送端（Transmitter）的縮寫。再具體分，就是隱式波束成形（Implicit Beamforming）和顯式波束成形（Explicit Beamforming）。

3.1.1隱式波束成形（Implicit Beamforming）

隱式波束成形，發(fā)送端會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的波束成形算法和天線權(quán)重，將信號(hào)的能量集中在特定方向上，以提高信號(hào)的傳輸強(qiáng)度和質(zhì)量。這種方式不需要接收端的參與，無需額外的信道信息反饋。

3.1.2顯式波束成形（Explicit Beamforming）

顯式波束成形，要復(fù)雜一些，發(fā)送端需要接收端的信息反饋，具體就是接收端會(huì)測(cè)量信道信息，并將信道狀態(tài)信息（CSI）發(fā)送回發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)接收到的CSI反饋信息來優(yōu)化波束成形的權(quán)重和方向，以使信號(hào)在接收端的方向上得到最大增強(qiáng)，從而最大程度上提高信號(hào)傳輸和接收性能。

3.1.3空間空洞（Spatial Nulling）

和波束成形對(duì)應(yīng)的是另外一個(gè)技術(shù)：空間空洞（Spatial Nulling），空間空洞通過調(diào)整天線元件的相位和振幅，使得在特定方向上抑制或消除信號(hào)。空間空洞的目的是在特定方向上形成一個(gè)信號(hào)弱化的區(qū)域，即空洞，從而減少特定方向上的干擾信號(hào)或噪聲的影響?？臻g空洞常用于抑制干擾源，特別是在無線通信中，可以用來抑制來自其他無線網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和性能。

上面說的波束成形和空間空洞結(jié)合起來的方向性天線技術(shù)就是讓信號(hào)指哪兒打哪兒，來針對(duì)特定用戶或特定方向進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，從而優(yōu)化信號(hào)覆蓋和接收性能。每個(gè)小天線可以是全向天線，也可以是定向天線。其排列方式與小天線本身的增益，極化方式，方向圖等都有關(guān)。小天線的數(shù)目決定了最終形成的波束的數(shù)目，與此同時(shí)小天線上的振子數(shù)量越多，天線組合就越多，則波束發(fā)射的方向性越精確，使信號(hào)更加集中，提高信號(hào)接收質(zhì)量，最終提升系統(tǒng)的吞吐量。

3.2智能天線波束選擇（Smart Antenna Beam Selection）

智能天線選擇算法其基本原理是在當(dāng)前天線配置下，通過發(fā)送訓(xùn)練包，根據(jù)該天線層反饋的PER（編者注：數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率“Packet Error Rate”的縮寫） 和RSSI （編者注：接收信號(hào)強(qiáng)度指示“Received Signal Strength Indicator”的縮寫）選擇當(dāng)前用戶最合適的天線配置。天線配置主要包括天線組合、發(fā)送速率。智能天線選擇算法是智能天線特性的重要組成部分。通過發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)終端的位置，從天線陣列中選擇合適的天線組合提升網(wǎng)絡(luò)性能。利用定向波束（Directional Beam）替代原來的全向波束（Omni-directional Beam），使能量集中，提高信號(hào)接收質(zhì)量，提升系統(tǒng)的吞吐量。

從上面的介紹來看，不管是智能天線陣列，還是智能天線波束選擇，都是圍繞著波束來的，所以智能天線技術(shù)，也被稱為“自適應(yīng)波束切換技術(shù)”。

預(yù)編碼（ Precoding) 技術(shù)預(yù)編碼技術(shù)是下行鏈路中至關(guān)重要的信號(hào)處理技術(shù)。伴隨MIMO(Multi-Input Multi-Output多輸入多輸出)技術(shù)一并開始進(jìn)行廣泛運(yùn)用，發(fā)射端通過上下行信道的互易性或終端協(xié)議報(bào)文的直接反饋，獲得信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)，并據(jù)此調(diào)整發(fā)射天線信號(hào)的幅度與相位，將有限的發(fā)射功率合理分配，將不同用戶及天線之間的干擾最小化，將信號(hào)能量集中到目標(biāo)用戶附近，有效對(duì)抗衰減和損耗，使接收端獲得較好的信噪比（SNR），提升了系統(tǒng)信道容量。使得終端的接收信號(hào)最優(yōu)。

預(yù)編碼技術(shù)分為：數(shù)字預(yù)編碼（Digital Precoding）、模擬預(yù)編碼（Analog Precoding）和混合預(yù)編碼（Hybrid Precoding）。

4.1數(shù)字預(yù)編碼（Digital Precoding）

數(shù)字基帶預(yù)編碼是在數(shù)模轉(zhuǎn)換前用矩陣處理調(diào)制的符號(hào)流。通過矩陣運(yùn)算或?yàn)V波等數(shù)字技術(shù)，將數(shù)據(jù)與發(fā)送端的天線權(quán)重進(jìn)行線性組合，生成優(yōu)化的傳輸信號(hào)。

4.2模擬預(yù)編碼（Analog Precoding）

模擬預(yù)編碼是在數(shù)模轉(zhuǎn)換之后對(duì)輸入符號(hào)流進(jìn)行處理。發(fā)送端的數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬信號(hào)處理，通過模擬調(diào)制、幅度調(diào)制、相位調(diào)制等模擬技術(shù)，調(diào)整發(fā)送端的天線信號(hào)相位和幅度，形成優(yōu)化的傳輸信號(hào)。

4.3混合預(yù)編碼（Hybrid Precoding）

在混合預(yù)編碼中，信號(hào)處理過程分為兩個(gè)步驟：首先進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼，將數(shù)據(jù)與一組數(shù)字權(quán)重進(jìn)行線性組合；然后再進(jìn)行模擬預(yù)編碼，將數(shù)字預(yù)編碼后的信號(hào)與一組模擬權(quán)重進(jìn)行線性組合，最終生成優(yōu)化的傳輸信號(hào)?；旌项A(yù)編碼技術(shù)結(jié)合了單純數(shù)據(jù)預(yù)編碼和模擬預(yù)編碼方案的優(yōu)點(diǎn)，在支持幅度調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)的同時(shí)，減少 RF 鏈數(shù)。

除了上述三種預(yù)編碼技術(shù)之外，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（Multi-Point-to-Multi-Point，MPtMP）的聯(lián)合預(yù)編碼技術(shù)在MIMO中經(jīng)常被采用。

4.4聯(lián)合預(yù)編碼技術(shù)（Multi-Point-to-Multi-Point，MPtMP）

聯(lián)合預(yù)編碼技術(shù)通過協(xié)同優(yōu)化發(fā)送端和接收端的預(yù)編碼權(quán)重，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路傳輸，進(jìn)一步提升終端的傳輸性能和邊緣吞吐速率（編者注：邊緣區(qū)域，通常是無線覆蓋的邊緣地帶）。它不僅考慮了發(fā)送端的預(yù)編碼權(quán)重，還考慮了接收端的預(yù)編碼權(quán)重，以實(shí)現(xiàn)多用戶之間的聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化。

當(dāng)接收天線射頻流數(shù)大于數(shù)據(jù)流數(shù)時(shí)，接收端可以根據(jù)信號(hào)情況選擇效果好的天線進(jìn)行接收（天線可選（ASEL）），或者將多個(gè)天線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并（最大比接收（MRC）技術(shù)），達(dá)到增強(qiáng)接收信噪比的效果。

5.1“自適應(yīng)天線選擇（Antenna Selection）

“自適應(yīng)天線選擇（Antenna Selection）”或簡(jiǎn)稱“ASEL”的技術(shù)。在接收端根據(jù)信號(hào)情況選擇效果最好的天線進(jìn)行接收信號(hào)。ASEL技術(shù)是一種MIMO系統(tǒng)中的子技術(shù)，它可以在不增加額外硬件天線的情況下，提高接收性能和系統(tǒng)的可靠性。

在一個(gè)MIMO系統(tǒng)中，接收端通常有多個(gè)天線，這些天線可以收到多個(gè)信號(hào)流，每個(gè)信號(hào)流對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)流。理論上，如果接收端的天線數(shù)量等于或大于發(fā)送端的天線數(shù)量，我們稱之為完全MIMO系統(tǒng)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于硬件成本和尺寸的限制，接收端的天線數(shù)量可能小于發(fā)送端。這就出現(xiàn)一個(gè)情況，接收端就必須要做一個(gè)決策：收到發(fā)送端多個(gè)天線的信號(hào)流后（每個(gè)發(fā)送端天線都生成一個(gè)獨(dú)立的射頻流），會(huì)對(duì)不同的天線進(jìn)行評(píng)估，比較它們之間的信號(hào)質(zhì)量。這種評(píng)估可以基于接收信號(hào)的信噪比、信號(hào)強(qiáng)度或其他性能指標(biāo)。接收端會(huì)選擇效果最好的一條或多條天線來接收數(shù)據(jù)。

而且上述這種選擇是動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)信道條件的變化，接收端可能會(huì)動(dòng)態(tài)地切換選擇的天線。以適應(yīng)不同的信道環(huán)境，并始終選擇性能最優(yōu)的天線來接收信號(hào)。

5.2最大比合并MRC（maximum ratio combining）

最大比合并MRC（maximum ratio combining）是一個(gè)分集接收技術(shù)，主要用于MIMO系統(tǒng)和多徑衰落信道環(huán)境中，通過有效地組合多個(gè)接收信號(hào)，減少信號(hào)的失真和干擾，從而提高信噪比和數(shù)據(jù)解碼的準(zhǔn)確性，目的是改善接收端的信號(hào)質(zhì)量。

對(duì)于來自發(fā)送端的同一個(gè)信號(hào)，由于在接收端使用多天線接收，這個(gè)信號(hào)將經(jīng)過多條路徑（多個(gè)天線）被接收端所接收。多個(gè)路徑質(zhì)量同時(shí)差的幾率非常小，一般總有一條路徑的信號(hào)比其他信號(hào)好。在接收端使用某種算法，在MRC中，對(duì)于每個(gè)時(shí)間片或符號(hào)時(shí)隙，接收端會(huì)對(duì)從不同天線接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)組合。每個(gè)信號(hào)在組合時(shí)，會(huì)乘以一個(gè)權(quán)重因子，這個(gè)權(quán)重因子根據(jù)每個(gè)天線的信道增益來確定。信道增益較大的天線分配較大的權(quán)重，信道增益較小的天線分配較小的權(quán)重，這樣做的目的是使得較強(qiáng)的信號(hào)在組合后所占比例更大，從而提高信噪比和接收性能，實(shí)現(xiàn)接收端的信號(hào)改善。當(dāng)多條路徑上信號(hào)都不太好時(shí)，通過MRC技術(shù)能夠提升解碼準(zhǔn)確性，獲得較好的接收信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和更穩(wěn)定的通信。

回顧一下，今天針對(duì)提升無線網(wǎng)絡(luò)中終端的傳輸性能和體驗(yàn)的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，我們提到了四點(diǎn)：增大發(fā)射功率、智能天線、預(yù)編碼和接收增強(qiáng)。這些技術(shù)相互協(xié)作，為終端在不同位置，特別是邊緣地帶提供良好的無線網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的傳輸速率和性能。

好了，今天我們就先聊到這兒，下次我們?cè)賮碚務(wù)刉LAN中的資源調(diào)度保障技術(shù)。

希望直接看《企業(yè)典型場(chǎng)景高品質(zhì)WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)白皮書》原文的，請(qǐng)掃下面的二維碼獲取下載鏈接。