一文读懂现代化的智能天线技术

（本文部分来源于华为智能天线技术）

（文末有《智能天线MATLAB版》福利）

   “智能天线”通常是指带紧密信号处理器的任何天线阵，它可以调整或自适应其波束方向图。智能天线通常包括波束切换系统（Switched beam）和自适应波束形成系统。切换波束系统有几个可用的固定波束方向图，根据系统要求，决定哪个波束的接入。自适应波束形成系统让天线将波束调向目标方向，而将干扰信号零陷。

                                                               

1．智能天线技术

业界智能天线技术主要包括两个方面：一个是天线阵列，即天线硬件本身的设计；另一个是天线选择算法，即如何选择天线阵列里的天线。

天线阵列实现方式是一种波束切换技术，其利用具有多个硬件天线的天线阵列，智能的从中选择多个天线阵子进行信号的发射和接收，不同天线的组合可以形成不同的信号辐射方向，从而为处于不同位置的STA选择最佳的天线，提高信号接收质量，提升系统的吞吐量。

 

 

                                      图1-1 天线波束切换示意图

 

WiFi的智能天线选择算法是WLAN链路自适应特性的重要组成部分。通过发送数据报文，根据终端的位置，从天线阵列中选择合适的天线组合提升网络性能。利用定向波束替代原来的全向波束，使能量集中，提高信号接收质量，提升系统的吞吐量。

 

2.智能天线价值

（1）更好的覆盖

智能天线在目标区域会产生更好的覆盖效果。4扇区设计为天线提供更高的覆盖强度，天线阵列中的不同定向性的组合具有比全向天线具有更远距离的覆盖，比定向天线有更灵活的方向性。尤其体现在无线环境比较复杂的环境，比如终端位置、角度发生变化或者因遮挡、距离增加引起的信号衰减比较明显的场景，利用智能天线可以明显改善覆盖。

（2）更高的吞吐率

智能天线通过选择合适的天线组合能够改善目标区域的覆盖效果，从而提升用户的吞吐率。天线选择算法与MU-MIMO的结合，通过将同方向的用户聚合在一起采用相同定向波束传输，不仅可以提高数据的吞吐率，还可以大大减少相互间的干扰，提升单AP和整网的用户容量，高密场景也无问题。

（3）更高的可靠性

智能天线算法能够及时发现当前天线工作模式下性能的变化，如果变化频繁，说明当前的空口环境已经有了恶化，智能天线算法会迅速通过训练找到此环境下最优的天线组合，保证在任何环境下都提供稳定的吞吐量，为用户提供更佳的体验。

3.智能天线阵列

天线阵列是由一系列的小天线组合而形成一个阵列。每个小天线可以是全向天线，也可以是定向天线。其排列方式与小天线本身的增益，极化方式，方向图等都有关。小天线的数目决定了最终形成的波束的数目。

                                   

                                                                图3-1 智能天线阵列排列方式

 

华为WLAN智能天线，采用双频分路、双极化叠加的设计方案。双极化叠加使天线实现小型化，避免占用大量空间，减少AP整机设计的复杂度；双频分路方案减少天线间耦合，辐射效率更高。

2.4G、5G频段分别各有4个小天线，整个天线由8个小天线组成。如图3-1，天线左上角和右下角为5G频段的水平极化和垂直极化天线，左下角和右上角为2.4G频段的水平极化和垂直极化天线。

每个天线水平360°范围内均匀分布4个波束赋形结构，每个结构中间的开关均可独立控制，根据导通不同方向的开关，每个小天线有24供16种模式。每个频段共有4个天线，单个频段天线组合共有416种。理论分析后，从每个小天线的16种模式中选择以下5种模式作为天线工作可选择模式,如下图所示：

 （1）一种全向天线模式，标记为序号2

 （2）其他4种为水平4个方向的定向天线模式，分别标记为序号0、1、3、4。

 

                                      

                                                     图2-2 小天线的5种波束

 

单频共有4个天线，每个天线有5种可供选择的工作模式，由此可知天线的单频阵列组合一共为54种。

考虑天线组合过多在天线选择时会产生性能损耗以及实际天线组合测试结果，选择以下15种组合作为智能天线的可选阵列组合，见表1。

在此标记所有4天线波束指向同一方向为基本模式，水平极化天线和垂直极化天线波束方向不同为增强模式，下表中组合模式前两位表示水平极化天线，后两位表示垂直极化天线。

 

 

                                

                                 

4. 天线选择算法

天线选择算法是针对不同的天线组合通过发送训练包，根据在不同天线组合下用户反馈的误包率（PER，Packet Error Rate）和接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）来为当前用户最合适的天线组合。

（1）天线的训练和选择

系统中天线的工作状态有三种，分别是默认工作状态、预训练状态、训练状态。智能天线选择算法就是依托天线的三态转换实现的。

                                                    

 

                                                                   天线工作状态切换图

 

默认工作状态（default）：该状态下天线以当前的配置正常工作，不做训练操作。但是该模式下会检测天线工作的状态，当出现天线训练触发请求或者性能突变，系统会设置训练请求，触发训练。

预训练状态（Pre-training）：该状态的主要目的是为了减少训练过程中的时间和信道占用，通过速率自适应算法给出智能天线的训练配置信息，并只有当训练包数不小于系统设置训练包数时，才会设置训练请求，触发训练

训练状态（Training）：该状态下根据反馈的天线配置信息，遍历所有的天线组合，找到最优天线组合。

                                                  

 

如图，Host侧维护了一个训练状态机，完成训练参数下发、训练数据处理、天线选择和天线配置下发等功能；Target侧负责训练参数接收、实际发包训练天线、训练结果反馈和天线配置生效等功能。

另外，针对多用户MU-MIMO场景，多个用户配对后，根据这几个用户在单用户模式下选择的天线模式，选择多用户时的天线模式：

 （1）如果多个用户在单用户时天线模式相同，则多用户MIMO的天线模式不变；

 （2）如果多个用户在单用户时天线模式不同，则多用户MIMO的天线模式采用全向天线模式。

（2）天线训练的触发

天线训练主要有两种方式触发，周期触发和性能突变触发。

（1）周期触发是以上次训练完成后运行的时间作为判断依据，该时间如果大于预设的时间周期，触发重新训练。对于周期性触发训练，触发周期是根据用户数进行动态调整。接入用户数越多，触发的周期越长，避免因为天线训练频繁占用系统性能，造成用户体验差。

                                         

 

 （2）性能突变触发 。系统稳定后，采集吞吐量并对一段时间内的吞吐量进行累加平均作为比较的基准值，利用基准值与当前节点的吞吐量差值与预先设置的门限进行比较，如果差值超过门限多次，表明当前节点性能波动较大，此时触发重新训练机制。

 

5.智能天线应用

 

华为推出的智能天线方案，采用双频分路、双极化叠加小型化设计，相比于业界双频方案的智能天线有更高的辐射效率；采用4扇区设计，相比于业界3扇区天线可以获得更高的增益。

（1）中远距离覆盖场景

当AP发送数据给终端时，智能天线算法需要根据终端的位置，选择最合适的定向波束发送数据，取代全向波束，利用定向波束的高增益特性提升对中远距离用户的覆盖能力。实现边缘用户的覆盖强化。

                                                 

 

中远距离时智能天线波束选择示意图

（2）无线环境复杂场景

智能天线的天线阵列可以在覆盖目标区域产生更好的覆盖效果。对于需要穿透楼层、墙体，由于定向波束的高增益，从而具有明显的穿透优势；对于环境中存在无法穿越的障碍物遮挡，智能天线可以选择其他定向波束进行反射、绕射等多径方式克服障碍物。

                               

                                                          障碍物遮挡时智能天线波束选择示意图

 

（3）密组网环境下多用户的下行并发传输场景

在高密场景中下行多用户的并发传输（含下行多用户MIMO），通过引入智能天线的定向波束选择，通过将同方向的用户聚合在一起采用相同定向波束传输，一方面提升终端接收信号的强度，另一方面减小不同方向终端数据之间的相互干扰。

                                                 

 

                                                  高密场景下多用户的下行并发传输示意图

                                                                   

 

白浪介绍：

（1）关于射频、微波、天线、无线通信、智能硬件、软件编程、渗透安全、人工智能、区块链，Java、Android、C/C++、python等综合能力的培养提升。

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