802.11 波束成形技术总结

摘要

波束成形技术成型于802.11n协议，并沿用至802.11ac、ax协议，是MU-MIMO技术的基础。其能够将信号以集中和定向的方式发送给接收端的，用以提高信号质量。

原理

在多天线系统（MIMO）中，如果多条天线发出的信号波形在接收端相位相反，就会造成信号衰减；如果多条天线发出的信号波形在接收端相位相同，就能使信号增强，波束成形技术是通过对传输信号加权来改善接收情况。如图所示

波束成形的类别

波束成形技术可以分为显式波束成形和隐式波束成形。

显式波束成形（Explicit TXBF）

发射端A向接收端B发送探测帧，接收端B收到探测帧后向A反馈信道信息，A收到信息后进行波束成形。

步骤如下：

1. 探测数据

分为两种：802.11n中存在NDP方式和交错前导码方式，而802.11ac仅有VHT（Very High Throughout）NDP方式。

• （VHT）NDP（Null Data Packet）方式：

1. A首先向B发送一个（VHT）NDP-Announcement（HT Control域中字段=1）帧通知B将会发送（VHT）NDP帧。
2. A接着会发送一个（VHT）NDP帧进行探测，NDP是一个HT-SIG中Not Sounding=0，Lenth=0，且无DATA部分的数据帧。
3. 在802.11ac中，归因于MU-MIMO（多用户MIMO），VHT NDP-A和NDP将会同时发送给多个用户。

• 交错前导码（Staggered preambles）方式：

1. 交错前导码即包含了DLTF和ELTF的前导码。
2. A直接向B发送带有交错前导码且HT-SIG中Not Sounding=0的带有数据的MAC帧进行探测。

B. 反馈信道信息

分为三种形式：CSI、非压缩波束成形权重值、压缩波束成形权重值、compressed V matrix。前三种为802.11n的方式，最后一种是802.11ac的反馈格式。

• CSI方式：接收端B直接将原始的CSI信息发送给A，由A计算生产最终的权重。
• 非压缩波束成形：B收到探测后，直接计算出完整的权重值后反馈给A。
• 压缩波束成形：B收到探测后，只计算出压缩的权重值后反馈给A。
• compressed V matrix：预定的第一个接受者B收到探测后，从NDP的前导序列测量出原始的CSI，压缩后使用VHT压缩反馈帧反馈给A，并由A计算出权重值进行波束成形；之后A会发送Poll采用轮询的方式使其他节点发送反馈帧。这是802.11ac、802.11ax独有的方式，与802.11n不兼容。

C. 波束成形阶段

发射端A根据B反馈的或自己计算的权重信息进行波束成形。

补充

802.11ac的显式压缩反馈（ECFB），其开销非常大，取决于客户度天线数量、压缩程度以及载波数量。同时，对于信道信息的反馈是周期性的。
为了减少波束成形的成形的复杂，从802.11ac开始，波束成形探测方式只支持NDP，反馈格式仅支持compressed V martrix。

隐式波束成形(Implicit TXBF)

发射端A向接收端B发送探测请求，接收端B收到探测请求后发送探测响应帧，A在收到探测响应帧后，完成从B到A的信道信息评估，并根据两个传输方向的信道互易性得到A到B的信道信息评估。

总结

波束成形就是通过对信道进行探测并反馈接收矩阵，再根据矩阵进行预编码以精确控制发送的能量至指定客户端的技术。