狮吼功还有一招大喇叭——覆盖增强技术
2023-07-25
本篇部分内容来源自世界无线局域网应用发展联盟（WAA）同名白皮书原文。
1. 从香农定律谈起
之前，我们解读过WAA在其夏季论坛上发布的《企业典型场景高品质WLAN网络建设白皮书》，白皮书介绍了非常多构建高品质WLAN的技术。我们准备通过几期的内容，展开谈谈这个话题。今天，咱们先聊聊其中的覆盖增强技术。
对于WLAN而言，提升信号覆盖，是永恒不变的诉求。在家庭使用的时候，我们都会不经意去选择多天线的路由器，就不用说对WLAN覆盖有更高要求的办公、商圈和更高性能要求的工业化场景了。但是仅仅是提高功率就可以吗？自然没那么简单。
无线网络的流量模型是实时动态的，终端会陆续不断的接入、离线、移动，漫游，如何保障终端在不同的位置，尤其是边缘都能具有良好的体验是个关键的话题。
学通信工程的小伙伴们都很熟悉香农公式：
其中：
- C：最大可靠传输速率（单位为比特每秒，bps）
- B：信道的带宽（单位为赫兹，Hz）
- S：信号的平均功率
- N：信道的平均噪声功率
根据香农公式，在空间流，信号带宽不变的情况下，进一步提升传输速率与体验，就需要从信噪比上入手。AP 与终端位置固定的场景下，能够提升接收信噪比的措施主要有增大发射功率、智能天线、预编码技术和接收增强等技术。如果拿《功夫》电影里面包租婆的狮吼功做类比的话，这些技术就是狮吼功里的那招大喇叭。下面，我们就详细谈一下，这些技术都是怎么一回事儿。
2. 增大发射功率
增大发射功率是指增加无线访问点（AP）发送信号的强度。通过增大发射功率，信号在传输过程中的衰减可以减少，接收端能够接收到更强的信号，从而提高接收信噪比。这将有助于在信号覆盖范围较广或存在障碍物干扰的情况下提高终端的接收质量。但与此同时，由于信号与噪声是共存的，噪声功率也会增加。因此，信噪比的提升可能并不显著，从而对传输速率的改善有限。
而且，需要注意的是，增大发射功率也可能引发其他问题。例如，可能导致干扰其他无线网络，增加功耗和热量，以及增加终端和AP之间的干扰。因此，在实际应用中，必须平衡信号覆盖范围和功率消耗之间的关系。
所以增大发射功率，并不被推荐。
3. 智能天线
提到增强覆盖，自然离不开天线技术的变革。MIMO(Multi-Input Multi-Output多输入多输出)技术意味着多根天线。而智能天线是指该技术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，从而可以为处于不同位置的STA选择最佳的发送或接收天线，提高信号接收质量，最终提升系统的吞吐量。
智能天线技术主要包括2个方面：一方面是智能天线阵列，即天线阵列硬件设计；另一方面是智能天线波束选择算法，即如何选择天线阵列里的天线。前者可以理解为是部署在发送端的技术，后者是部署在接收端的技术。
3.1 智能天线阵列（Smart Antenna Array）
天线阵列是由一系列的小天线组合而形成一个阵列，通过在天线上引入相位和幅度控制，实现对信号的方向性调节。通过智能天线阵列，可以改变信号的辐射方向，将信号能量集中在特定的方向，从而增强该方向上的信号强度。这种技术的本质就是波束成形（Beamforming）。
波束成形在WLAN对应的协议里，经常称为TxBF (Tx Beamforming)，Tx就是发送端（Transmitter）的缩写。再具体分，就是隐式波束成形（Implicit Beamforming）和显式波束成形（Explicit Beamforming）。
3.1.1 隐式波束成形（Implicit Beamforming）
隐式波束成形，发送端会根据预先设计的波束成形算法和天线权重，将信号的能量集中在特定方向上，以提高信号的传输强度和质量。这种方式不需要接收端的参与，无需额外的信道信息反馈。
3.1.2 显式波束成形（Explicit Beamforming）
显式波束成形，要复杂一些，发送端需要接收端的信息反馈，具体就是接收端会测量信道信息，并将信道状态信息（CSI）发送回发送端。发送端根据接收到的CSI反馈信息来优化波束成形的权重和方向，以使信号在接收端的方向上得到最大增强，从而最大程度上提高信号传输和接收性能。
3.1.3 空间空洞（Spatial Nulling）
和波束成形对应的是另外一个技术：空间空洞（Spatial Nulling），空间空洞通过调整天线元件的相位和振幅，使得在特定方向上抑制或消除信号。空间空洞的目的是在特定方向上形成一个信号弱化的区域，即空洞，从而减少特定方向上的干扰信号或噪声的影响。空间空洞常用于抑制干扰源，特别是在无线通信中，可以用来抑制来自其他无线网络或设备的干扰信号，提高系统的抗干扰能力和性能。
上面说的波束成形和空间空洞结合起来的方向性天线技术就是让信号指哪儿打哪儿，来针对特定用户或特定方向进行信号增强，从而优化信号覆盖和接收性能。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，与此同时小天线上的振子数量越多，天线组合就越多，则波束发射的方向性越精确，使信号更加集中，提高信号接收质量，最终提升系统的吞吐量。
3.2 智能天线波束选择（Smart Antenna Beam Selection）
智能天线选择算法其基本原理是在当前天线配置下，通过发送训练包，根据该天线层反馈的PER（编者注：数据包错误率“Packet Error Rate”的缩写） 和RSSI （编者注：接收信号强度指示“Received Signal Strength Indicator”的缩写）选择当前用户最合适的天线配置。天线配置主要包括天线组合、发送速率。智能天线选择算法是智能天线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（Directional Beam）替代原来的全向波束（Omni-directional Beam），使能量集中，提高信号接收质量，提升系统的吞吐量。
从上面的介绍来看，不管是智能天线阵列，还是智能天线波束选择，都是围绕着波束来的，所以智能天线技术，也被称为“自适应波束切换技术”。
4. 预编码
预编码（ Precoding) 技术预编码技术是下行链路中至关重要的信号处理技术。伴随MIMO(Multi-Input Multi-Output多输入多输出)技术一并开始进行广泛运用，发射端通过上下行信道的互易性或终端协议报文的直接反馈，获得信道状态信息(Channel State Information, CSI)，并据此调整发射天线信号的幅度与相位，将有限的发射功率合理分配，将不同用户及天线之间的干扰最小化，将信号能量集中到目标用户附近，有效对抗衰减和损耗，使接收端获得较好的信噪比（SNR），提升了系统信道容量。使得终端的接收信号最优。
预编码技术分为：数字预编码（Digital Precoding）、模拟预编码（Analog Precoding）和混合预编码（Hybrid Precoding）。
4.1 数字预编码（Digital Precoding）
数字基带预编码是在数模转换前用矩阵处理调制的符号流。通过矩阵运算或滤波等数字技术，将数据与发送端的天线权重进行线性组合，生成优化的传输信号。
4.2 模拟预编码（Analog Precoding）
模拟预编码是在数模转换之后对输入符号流进行处理。发送端的数据经过模拟信号处理，通过模拟调制、幅度调制、相位调制等模拟技术，调整发送端的天线信号相位和幅度，形成优化的传输信号。
4.3 混合预编码（Hybrid Precoding）
在混合预编码中，信号处理过程分为两个步骤：首先进行数字预编码，将数据与一组数字权重进行线性组合；然后再进行模拟预编码，将数字预编码后的信号与一组模拟权重进行线性组合，最终生成优化的传输信号。混合预编码技术结合了单纯数据预编码和模拟预编码方案的优点，在支持幅度调节和相位调节的同时，减少 RF 链数。
除了上述三种预编码技术之外，多点对多点（Multi-Point-to-Multi-Point，MPtMP）的联合预编码技术在MIMO中经常被采用。
4.4 联合预编码技术（Multi-Point-to-Multi-Point，MPtMP）
联合预编码技术通过协同优化发送端和接收端的预编码权重，实现信号的多路传输，进一步提升终端的传输性能和边缘吞吐速率（编者注：边缘区域，通常是无线覆盖的边缘地带）。它不仅考虑了发送端的预编码权重，还考虑了接收端的预编码权重，以实现多用户之间的联合预编码优化。
5. 接收增强
当接收天线射频流数大于数据流数时，接收端可以根据信号情况选择效果好的天线进行接收（天线可选（ASEL）），或者将多个天线上的数据进行合并（最大比接收（MRC）技术），达到增强接收信噪比的效果。
5.1 “自适应天线选择（Antenna Selection）
“自适应天线选择（Antenna Selection）”或简称“ASEL”的技术。在接收端根据信号情况选择效果最好的天线进行接收信号。ASEL技术是一种MIMO系统中的子技术，它可以在不增加额外硬件天线的情况下，提高接收性能和系统的可靠性。
在一个MIMO系统中，接收端通常有多个天线，这些天线可以收到多个信号流，每个信号流对应着不同的数据流。理论上，如果接收端的天线数量等于或大于发送端的天线数量，我们称之为完全MIMO系统。但在实际应用中，由于硬件成本和尺寸的限制，接收端的天线数量可能小于发送端。这就出现一个情况，接收端就必须要做一个决策：收到发送端多个天线的信号流后（每个发送端天线都生成一个独立的射频流），会对不同的天线进行评估，比较它们之间的信号质量。这种评估可以基于接收信号的信噪比、信号强度或其他性能指标。接收端会选择效果最好的一条或多条天线来接收数据。
而且上述这种选择是动态变化的，根据信道条件的变化，接收端可能会动态地切换选择的天线。以适应不同的信道环境，并始终选择性能最优的天线来接收信号。
5.2 最大比合并MRC（maximum ratio combining）
最大比合并MRC（maximum ratio combining）是一个分集接收技术，主要用于MIMO系统和多径衰落信道环境中，通过有效地组合多个接收信号，减少信号的失真和干扰，从而提高信噪比和数据解码的准确性，目的是改善接收端的信号质量。
对于来自发送端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般总有一条路径的信号比其他信号好。在接收端使用某种算法，在MRC中，对于每个时间片或符号时隙，接收端会对从不同天线接收到的信号进行加权组合。每个信号在组合时，会乘以一个权重因子，这个权重因子根据每个天线的信道增益来确定。信道增益较大的天线分配较大的权重，信道增益较小的天线分配较小的权重，这样做的目的是使得较强的信号在组合后所占比例更大，从而提高信噪比和接收性能，实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，通过MRC技术能够提升解码准确性，获得较好的接收信号，从而实现更高的传输速率和更稳定的通信。
回顾一下，今天针对提升无线网络中终端的传输性能和体验的覆盖增强技术，我们提到了四点：增大发射功率、智能天线、预编码和接收增强。这些技术相互协作，为终端在不同位置，特别是边缘地带提供良好的无线网络体验，进一步提升系统的传输速率和性能。
好了，今天我们就先聊到这儿，下次我们再来谈谈WLAN中的资源调度保障技术。
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