科普：什么是智能天線技術(shù)？

什么是智能天線？

智能天線是指使用多個(gè)天線組成天線陣列，通過(guò)智能算法計(jì)算出最佳的天線組合，使各天線發(fā)射的信號(hào)在信號(hào)接收端疊加增強(qiáng)，從而增加信號(hào)覆蓋距離，提高傳輸速率。智能天線可通過(guò)波束成型和天線陣列兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而將兩種技術(shù)相結(jié)合，則能夠發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到更好的效果。

為什么需要智能天線

（一）普通天線存在的問(wèn)題

Wi-Fi（WiFi）標(biāo)準(zhǔn)已演進(jìn)到了第6代的Wi-Fi 6（802.11ax），Wi-Fi 6在理論速率接近10Gbit/s，但在實(shí)際使用中，往往無(wú)法給用戶帶來(lái)超高的速率。這是因?yàn)樵?a href="http://ttokpm.com/soft/data/43-45/" target="_blank">無(wú)線通信中，用戶最終體驗(yàn)到的速率不僅僅由Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)決定，還受無(wú)線環(huán)境中的各種干擾和障礙物的影響，天線的隔離度如何提高。

為了提升用戶最終的體驗(yàn)速率，需要增加AP的覆蓋范圍來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量，并減少信號(hào)間的干擾，而天線作為無(wú)線通信的核心組件，決定了發(fā)射信號(hào)的波束，影響著AP的覆蓋范圍。天線根據(jù)其在平面上的方向性，分為全向天線和定向天線。在實(shí)際的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，定向天線主要用于高密和回傳場(chǎng)景，其他多數(shù)場(chǎng)景下AP都使用普通全向天線。

有3個(gè)較為突出的難點(diǎn)需要解決：

·邊緣覆蓋：普通全向天線的增益有限，對(duì)于近距離用戶可以提供較好的體驗(yàn)，對(duì)于中遠(yuǎn)距離接近覆蓋邊緣的用戶則無(wú)法提供服務(wù)或者只能提供較低速率的體驗(yàn)。

·跨障礙物覆蓋：實(shí)際環(huán)境中不可能空無(wú)一物，往往存在諸如木板、玻璃、墻體等材質(zhì)的障礙物。當(dāng)天線和用戶中間存在障礙物遮擋時(shí)，無(wú)線信號(hào)穿過(guò)障礙物會(huì)有不同程度衰減，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差。

·高密場(chǎng)景覆蓋：在用戶分布密集的環(huán)境中，多用戶并發(fā)會(huì)導(dǎo)致空間內(nèi)的干擾大大增加，即使Wi-Fi 5和Wi-Fi 6相繼引入了MU-MIMO和OFDMA等多用戶技術(shù)，但對(duì)接近覆蓋邊緣的用戶體驗(yàn)提升并不明顯。

（二）智能天線對(duì)比普通天線有哪些好處

智能天線可以有效改善邊緣覆蓋、跨障礙物覆蓋、高密場(chǎng)景覆蓋中的用戶體驗(yàn)。和普通天線對(duì)比，智能天線有如下優(yōu)勢(shì)：

·覆蓋距離提升：相同位置的用戶信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，用戶體驗(yàn)速率提升；相同信號(hào)強(qiáng)度要求下，可以使用更少的AP，節(jié)約客戶投資成本。

·跨障礙物覆蓋體驗(yàn)提升：可靈活調(diào)整天線組合，在障礙物方向上增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)相同的衰減后，用戶體驗(yàn)速率提升；對(duì)于無(wú)法穿透的障礙物，可調(diào)整天線組合的方向，利用無(wú)線信號(hào)的反射、繞射等多徑方式繞過(guò)障礙物，能夠?yàn)橛脩籼峁┓?wù)。

·高密場(chǎng)景下降低干擾影響：可根據(jù)用戶的位置調(diào)整信號(hào)波束的方向，降低不同方向用戶間的干擾，從而提升用戶的體驗(yàn)速率。

智能天線的工作原理

智能天線可通過(guò)波束成型和天線陣列兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，兩種技術(shù)都是利用多天線的組合來(lái)改善發(fā)射信號(hào)的波束，從而改善無(wú)線用戶的體驗(yàn)。而將兩種技術(shù)相結(jié)合，則能夠同時(shí)發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到更好的效果。

（一）波束成型技術(shù)

什么是波束賦形？

圖1 波束成型提升用戶接收信號(hào)強(qiáng)度

在多天線系統(tǒng)中，如果不同天線傳輸?shù)男盘?hào)在到達(dá)某一位置時(shí)存在兩條衰減相等的波束，且兩條波束相位相反，就可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)能量零點(diǎn)。波束成型技術(shù)可以通過(guò)預(yù)先補(bǔ)償天線發(fā)射信號(hào)的相位，讓兩條波束進(jìn)行相干疊加，提升用戶的接收信號(hào)強(qiáng)度，以改善用戶體驗(yàn)。

（二）天線陣列技術(shù)

什么是天線陣列？

圖2 天線陣列和振子

天線陣列是一種波束切換技術(shù)，由多個(gè)小天線組成天線陣列。每個(gè)小天線由數(shù)個(gè)天線振子組成，天線振子可以獨(dú)立開(kāi)關(guān)，從而讓小天線既可做全向天線，也可以做定向天線。小天線的組合方式與小天線本身的增益、極化方式、方向圖等都有關(guān)系，所以小天線和其天線振子的數(shù)量決定了最終形成的波束的數(shù)量。例如2.4G頻段共有 4 個(gè)天線，每個(gè)天線有4個(gè)振子，則共有16個(gè)振子，每個(gè)振子的狀態(tài)有開(kāi)和關(guān)兩種，則共有 2^16種天線組合。

（三）波束成型和天線陣列組合

圖3 波束成型和天線陣列組合效果

天線陣列可以實(shí)現(xiàn)多種天線組合，遠(yuǎn)多于普通天線的單一組合。華為的智能天線算法先根據(jù)終端位置選擇出最佳的天線組合，再進(jìn)一步利用波束成型技術(shù)對(duì)波束優(yōu)化。這種組合比單獨(dú)使用天線陣列有更好的波束，比單獨(dú)使用波束成型有更好的方向性，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)用戶的接收信號(hào)強(qiáng)度，抑制干擾，提升用戶速率體驗(yàn)。

智能天線的應(yīng)用 ·中遠(yuǎn)距離覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景：在開(kāi)放的辦公區(qū)內(nèi)，無(wú)障礙物遮擋，當(dāng)用戶持終端遠(yuǎn)離AP，距離AP較遠(yuǎn)時(shí)，智能天線算法會(huì)根據(jù)終端的位置，選擇最合適的定向波束發(fā)送數(shù)據(jù)，取代全向波束。利用定向波束的高增益特性提升對(duì)中遠(yuǎn)距離用戶的覆蓋能力，實(shí)現(xiàn)邊緣用戶的覆蓋強(qiáng)化。

圖4 中遠(yuǎn)距離覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景 ·復(fù)雜無(wú)線環(huán)境跨障礙物場(chǎng)景：在開(kāi)放的辦公區(qū)內(nèi)，無(wú)障礙物遮擋，當(dāng)用戶持終端遠(yuǎn)離AP，距離AP較遠(yuǎn)時(shí)，智能天線算法會(huì)根據(jù)終端的位置，選擇最合適的定向波束發(fā)送數(shù)據(jù)，取代全向波束。利用定向波束的高增益特性提升對(duì)中遠(yuǎn)距離用戶的覆蓋能力，實(shí)現(xiàn)邊緣用戶的覆蓋強(qiáng)化。

圖5 復(fù)雜無(wú)線環(huán)境跨障礙物場(chǎng)景

·多用戶并發(fā)的高密場(chǎng)景：在用戶分布較為密集的辦公區(qū)，環(huán)境干擾小時(shí)，可開(kāi)啟多用戶的并發(fā)傳輸（MU-MIMO ）來(lái)提升數(shù)據(jù)傳輸效率。而智能天線的定向波束選擇，通過(guò)將同方向的用戶聚合在一起采用相同定向波束傳輸，一方面提升終端接收信號(hào)的強(qiáng)度，另一方面減小不同方向終端數(shù)據(jù)之間的相互干擾。

圖6 多用戶并發(fā)的高密場(chǎng)景

　　審核編輯：湯梓紅