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@個話題。今天，咱們先聊聊其中的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。

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

無線網(wǎng)絡(luò)的流量模型是實(shí)時動態(tài)的，終端會陸續(xù)不斷的接入、離線、移動，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)送信號的強(qiáng)度。通過增大發(fā)射功率，信號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，從而提高接收信噪比。這將有助于在信號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，由于信號與噪聲是共存的，噪聲功率也會增加。因此，信噪比的提升可能并不顯著，從而對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)利用具有多個硬件天線的天線陣列，智能的從中選擇多個天線陣子進(jìn)行信號的發(fā)射和接收，不同天線的組合可以形成不同的信號輻射方向，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陣列，通過在天線上引入相位和幅度控制，實(shí)現(xiàn)對信號的方向性調(diào)節(jié)。通過智能天線陣列，可以改變信號的輻射方向，將信號能量集中在特定的方向，從而增強(qiáng)該方向上的信號強(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，將信號的能量集中在特定方向上，以提高信號的傳輸強(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，具體就是接收端會測量信道信息，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傳輸和接收性能。

3.1.3空間空洞（Spatial Nulling）

和波束成形對應(yīng)的是另外一個技術(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?？臻g空洞的目的是在特定方向上形成一個信號弱化的區(qū)域，即空洞，從而減少特定方向上的干擾信號或噪聲的影響?？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，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)就是讓信號指哪兒打哪兒，來針對特定用戶或特定方向進(jìn)行信號增強(qiáng)，從而優(yōu)化信號覆蓋和接收性能。每個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，使信號更加集中，提高信號接收質(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)包錯誤率“Packet Error Rate”的縮寫） 和RSSI （編者注：接收信號強(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，將信號能量集中到目標(biāo)用戶附近，有效對抗衰減和損耗，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。

4.2模擬預(yù)編碼（Analog Precoding）

模擬預(yù)編碼是在數(shù)模轉(zhuǎn)換之后對輸入符號流進(jìn)行處理。發(fā)送端的數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬信號處理，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)送端的天線信號相位和幅度，形成優(yōu)化的傳輸信號。

4.3混合預(yù)編碼（Hybrid Precoding）

在混合預(yù)編碼中，信號處理過程分為兩個步驟：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?；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，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，接收端可以根據(jù)信號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）”或簡稱“ASEL”的技術(shù)。在接收端根據(jù)信號情況選擇效果最好的天線進(jìn)行接收信號。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MIMO系統(tǒng)中，接收端通常有多個天線，這些天線可以收到多個信號流，每個信號流對應(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)一個情況，接收端就必須要做一個決策：收到發(fā)送端多個天線的信號流后（每個發(fā)送端天線都生成一個獨(dú)立的射頻流），會對不同的天線進(jìn)行評估，比較它們之間的信號質(zhì)量。這種評估可以基于接收信號的信噪比、信號強(qiáng)度或其他性能指標(biāo)。接收端會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態(tài)變化的，根據(jù)信道條件的變化，接收端可能會動態(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。

5.2最大比合并MRC（maximum ratio combining）

最大比合并MRC（maximum ratio combining）是一個分集接收技術(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接收信號，減少信號的失真和干擾，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質(zhì)量。

對于來自發(fā)送端的同一個信號，由于在接收端使用多天線接收，這個信號將經(jīng)過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質(zhì)量同時差的幾率非常小，一般總有一條路徑的信號比其他信號好。在接收端使用某種算法，在MRC中，對于每個時間片或符號時隙，接收端會對從不同天線接收到的信號進(jìn)行加權(quán)組合。每個信號在組合時，會乘以一個權(quán)重因子，這個權(quán)重因子根據(jù)每個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)接收端的信號改善。當(dāng)多條路徑上信號都不太好時，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，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，下次我們再來談?wù)刉LAN中的資源調(diào)度保障技術(shù)。

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