今年以來通信運營商競相提高無線局域網（WLAN）的地位，不僅視其為有線寬帶接入的輔助手段，更不吝將其上升到戰略高度。從中國移動的部署來看，似有四架馬車GSM，TD-SCDMA, TD-LTE, WLAN齊頭并進之趨。于是，提升無線局域網的網絡質量和用戶體驗成為關注焦點。本文介紹無線局域網關鍵技術之一——波束成形（Beamforming），包括基本概念和發展趨勢。
背景由來
波束成形是天線技術與數字信號處理技術的結合，目的用于定向信號傳輸或接收。 波束成形，并非新名詞，其實它是一項經典的傳統天線技術。早在上世紀60年代就有采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。基于數字波束形成（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，由于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，特別是應用在個人通信中，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層的優化，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，源于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，這樣做相當于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。同樣原理也適用用于發射端。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。
如果要采用波束成形技術， 前提是必須采用多天線系統。例如，多進多出（MIMO），不僅采用多接收天線，還可用多發射天線。由于采用了多組天線，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。在接收端采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可大大提高網絡傳輸速率、覆蓋范圍和性能。當基于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于發送天線和接收天線的最小值。如發送天線數量為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模式的量產磨合期后，今年4X4模式嶄露頭角，立刻引起了業界重視。
應用舉例
本文列舉一個4x4 三空間流的802.11n 解決方案。
Marvell 今年發布了支持4x4-3SS Wi-Fi 802.11n 性能的Avastar系列。 這將顯著提高筆記本、臺式電腦、平板電腦、智能手機、電子閱讀器、打印機、路由器、機頂盒、高清電視、游戲設備、DVD播放器等性能。它采用波束成形技術后，使1x1- 4x4 MIMO 產品和傳統設備之間的鏈路耐用性大大改善。 以雙頻接入熱點（AP）為例， 它有如下特點：
• 性能高達450 Mbps數據率
• 支持802.11n 技術規范
• 支持802.11ac 技術規范
• 由數字信號處理DSP 實現，不要求額外的特殊硬件
• 波束成形雖然不是必須支持的，但是有了它，尤其是兩端都支持時，增益最大化
• 高效的電源管理模塊，實現低功耗
• 藍牙技術和面向多種無線共存狀態，降低Wi-Fi和藍牙同時工作的相互干擾
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發送聲信號，客戶端將信道信息反饋給基站，于是基站可根據信道狀態發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。
從結構和設置來分，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和客戶端均有設置，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， 無線局域網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（發送聲信號，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發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）
下圖舉例說明熱點和客戶端的工作過程和延伸距離的狀況。該圖定性地比較了不同 AP提供的不同效果。熱點采用4組發射天線，延長了802.11n的傳輸距離， 而采用波束成形， 又進一步增加了客戶端方向的增益和信號覆蓋范圍。值得注意的是，隨著熱點和客戶端之間作用距離的增加，波束成形帶來的優勢越發明顯，其動態增長的態勢呈非線性遞增。
圖. 波束成形技術增加傳輸距離的示意圖
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，增大覆蓋范圍，克服無線干擾顯得尤為重要。
波束成形并不要求采用特殊的天線，也不增加其它無線子系統，就能在性能上得以提高， 而且比其它數字信號處理技術，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。
•WLAN產品支持雙頻，即2.4GHz 和5GHz，支持20/40 MHz
•空間流從1x1，2x2/2x3, 到2008年的3x3上市，今年的市場上推出4 x4產品
• 隨著WLAN應用的需求發展，波束成形逐漸有望從供選項成為必選項
• 半導體工藝 從2008年的90納米CMOS進到2010年55納米， 進而到2011年提升到40納米
當前，波束成形也成為了802.11 ac 技術規范的一部分。而對于Wi-Fi認證來說，它僅是一種供選項， 并不是必須的。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的設備上都是可以采用波束成形技術的，只不過，這涉及到設備得進行的相應配置。如果在兩端均采取對應部署時，它才會真正獲得增益最大化。當采用高階的MIMO時， 獲取的增益提高會高于低階的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。在多天線都處于連接的狀態下，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，并降低功耗。因而，芯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。
小結
WLAN發展形勢看好。IPTC服務、瀏覽網站、收發郵件、云計算存儲、視頻信號流和網游的接入熱點都需要高帶寬、可靠的WiFi鏈路。采用波束成形的技術，可以帶來穩定的信道和覆蓋范圍的擴大。雖然這不是唯一的關鍵技術，但不失為一種經濟高效的辦法。技術的支撐，主要還是取決于高集成度和低功耗的芯片設計。