智能天線技術

個人收集整理僅供參照學習智能天線技術隨著無線通信802.11協(xié)議族的不斷發(fā)展，WiFi傳輸?shù)奈锢硭俾室苍诟咚偬嵘?。高性能?02.11n協(xié)議當前能夠最大支持3條空間流且使用40MHz帶寬捆綁技術達到450Mbps傳輸速率，這是傳統(tǒng)802.11a/g最高速率的十倍之多。802.11n的一個重要特點就是引入了MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多入多出）技術，在MIMO模式下，一個802.11n射頻模塊能夠同時發(fā)出多路信號，也能夠同時接收多路信號，經(jīng)過空間多路技術提升了信道利用率。與此對應，每個射頻卡需要連接多根天線，并且由于MIMO技術的特點，能夠利用多徑現(xiàn)象提升信號質量。由于物理傳輸模式的改變，802.11n對于天線的輻射角度、天線之間的相關性也有更高的要求。現(xiàn)有的802.11n產(chǎn)品對于每個發(fā)送或接收的信號使用一套固定的物理天線，在軟件部分進行不一樣調(diào)制方式的速率選擇來達到最優(yōu)的結果。在無線實質應用中，AP或STA（Station，工作站）的物理方向會頻頻發(fā)生變化，發(fā)生邏輯上的空間角度變化，由于路徑發(fā)生改變，傳輸吞吐量很簡單發(fā)生變化，造成性能顛簸，不能夠發(fā)揮出WiFi網(wǎng)絡的最高性能。為了戰(zhàn)勝以上困擾，部分設備廠家開始將已在傳統(tǒng)搬動通信（如3G，LTE等）中廣泛應用的智能天線技術引入到WiFi設備中，希望以此來提升WiFi用戶的使用體驗，實現(xiàn)提升系統(tǒng)容量、提升頻譜利用率、提升基站接收矯捷度、提升信噪比、改進信號質量等作用。1、什么是智能天線？智能天線技術前身是一種波束成形(Beamforming)技術。波束成形技術是發(fā)送方在獲得必然的當前時辰當前地址發(fā)送方和接收方之間的信道信息，調(diào)整信號發(fā)送個人收集整理僅供參照學習的參數(shù)，使得射頻能量向接收方所處地址集中，從而使得接收方接收到的信號質量較好，最后能保持較高的吞吐量。該技術又分為芯片方式(On-Chip)和硬件智能天線方式(On-Antenna)的兩種。1.1芯片方式芯片方式的波束成形是802.11n協(xié)議的一部分，在協(xié)議中被稱為TxBF(TxBeamforming/固定發(fā)送波束成形)，其經(jīng)過協(xié)議報文的交互，獲守信道的基礎信息(ChannelStateInformation,CSI)，芯片依照CSI調(diào)整3根全向天線上發(fā)送信號的相位，使得接收端處信號疊加出較好的收效（如圖1至圖3所示）。圖12個弱波谷和1個強波峰疊加出較差結果個人收集整理僅供參照學習圖2調(diào)治第二根天線上的相位，使得3個信號同步，疊加出較好結果圖3TxBF形成的某種輻射圖1.2硬件智能天線方式硬件智能天線方式又名“自適應波束切換技術”，該技術利用擁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行信號的發(fā)射和接收，不一樣天線的組合能夠形成不一樣的信號輻射方向，從而能夠為處于不一樣地址的STA選擇最正確的個人收集整理僅供參照學習發(fā)送或接收天線，提升信號接收質量，最后提升系統(tǒng)的吞吐量。1）在天線陣列上的不一樣天線之間有必然的物理距離，從各天線上發(fā)出來的信號到達接收方的所經(jīng)歷的路徑有長有短，從而到達接收方的信號擁有時間差。若是接收的信號相位不一樣樣，硬件智能天線方式能夠從多個天線中選擇一組信號疊加收效較好的天線組合，采用自適應快速切換，獲得收效遠好于“On-Chip”方式的信號覆蓋質量。2）在天線陣列上的不一樣天線擁有不一樣的定向性（如圖4所示），組合而成的定向天線擁有比全向天線更大的組合增益，能夠增加AP設備實質等效發(fā)射功率(EIRP：EffectiveIsotropicRadiatedPower)。圖4天線陣列中的不一樣天線擁有不一樣的定向性1.3硬件智能天線方式有對于芯片方式的優(yōu)勢1）芯片方式會產(chǎn)生額外的攪亂，如圖3中的由全向天線的TxBF形成的輻射圖所示，經(jīng)過對全向天線調(diào)治相位難以形成單獨的指向STA的信號，可能會對其它的方向形成攪亂，并且會浪費能量；個人收集整理僅供參照學習2）芯片方式需要STA的支持，現(xiàn)有的無線網(wǎng)卡基本都無法支持；3）芯片方式有額外的吞吐量開銷，芯片方式中AP和STA經(jīng)常需要進行低速率的獲守信道信息的報文的交互，會影響整體的吞吐量。2、H3C智能天線技術2.1實現(xiàn)方式H3C采用了新一代終端感知型智能天線陣列技術，它結合了“On-Chip”和“On-Antenna”的優(yōu)勢特點，對于WA3600系列AP，其天線陣列由12個天線振子構成，最高可形成多達4000個以上的天線輻射圖型。每一個天線振子都精心分派，共同工作，使可能產(chǎn)生的輻射圖達到湊近于圓滿的覆蓋（如圖5所示）。同時AP會運行H3C專利的天線選擇算法，針對不一樣地址的終端，從若干天線振子中選擇出不一樣的振子來進行報文的發(fā)送或接收，在選擇的同時，會加入相位和延時的整體考量，進一步加強了對終端行為的探測感知和天線陣列的快速收斂。圖5天線陣列中的不一樣天線擁有不一樣的定向性個人收集整理僅供參照學習整個系統(tǒng)擁有以下特點：1）逐包選擇發(fā)送天線，對于每個發(fā)送的報文都能使用不一樣的發(fā)送天線；2）保證選擇的天線最優(yōu)，對于每個搬動終端保持一個數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中記錄著各天線的歷史信息，從而能從數(shù)據(jù)庫中選擇最優(yōu)天線；3）數(shù)據(jù)庫收斂速度快，天線選擇算法依照天線的輻射圖及歷史信息，準時選擇特定的天線進行探測，從而能快速適應環(huán)境變化，選擇出新的天線；4）與速率、相位、延時及功率等發(fā)送參數(shù)進行結合，實現(xiàn)發(fā)送參數(shù)的非線性變化；5）有對于傳統(tǒng)Beamforming來說，不需要終端過多參加，不需要協(xié)議報文交互以獲守信道參數(shù)，對于數(shù)據(jù)流數(shù)和發(fā)送天線數(shù)相等的情況也能夠獲得多天線的增益。2.2高速率覆蓋范圍覆蓋范圍H3C硬件H3智能天線技術能成倍的擴大高速率的覆蓋范圍，依照實質測試，同環(huán)境下最高速率可獲得范圍倍增。非視距性能個人收集整理僅供參照學習圖6某實質測試環(huán)境如圖6所示。在Pos6測試獲得的傳統(tǒng)天線性能為150M，硬件智能天線測試得到的性能為170M。在Pos4和Pos5使用傳統(tǒng)天線測試獲得的性能為140M，而硬件智能天線測試獲得的性能為180M。在Pos7和Pos8出處的信號強度為-80左右，使用傳統(tǒng)天線的性能為4M以下，而使用硬件智能天線性能在10M左右。2.3吞吐量牢固性?單STA不一樣地址吞吐量的牢固性如圖6所示，單個STA在AP周圍進行較緩慢的搬動，從Pos1處沿路線搬動到Pos2處，硬件智能天線和傳統(tǒng)天線設備的吞吐量曲線分別如7和圖8所示，能夠看出傳統(tǒng)天線的抖動明顯大于智能天線的抖動，傳統(tǒng)天線在220M-300M之間抖動，硬件智能天線在260M-300M之間浮動。個人收集整理僅供參照學習圖7傳統(tǒng)天線的吞吐量曲線圖?

8硬件智能天線的吞吐量曲線多STA不一樣地址吞吐量的牢固性如圖

9所示，4

個

STA

分別處在離

AP

擁有必然距離的

4個地址上，利用硬件智能天線和傳統(tǒng)天線設備分別進行

4個

STA

的吞吐量測試，曲線分別如

10和圖11所示，表1是最后的吞吐量數(shù)據(jù)。從表1中能夠看出，智能天線無論是在最高性能還是各個STA性能的均勻性上都明顯好于傳統(tǒng)天線。個人收集整理僅供參照學習圖94個STA所處的不一樣地址圖10傳統(tǒng)天線4個STA吞吐量曲線圖圖11硬件智能天線4個STA吞吐量曲線圖個人收集整理僅供參照學習表14個STA的性能數(shù)據(jù)2.4抗攪亂能力如圖12所示的攪亂環(huán)境中，攪亂源是一個在“野蠻發(fā)送”的AP，攪亂源出于一個房間之內(nèi)和正常AP相距大體8m的范圍，正常AP放置在房間的門口，STA和攪亂源不能見，圖11和圖12傳統(tǒng)天線和硬件智能天線在開啟攪亂源到關掉干擾源的情況下，吞吐量的變化曲線如圖13、圖14所示。從兩個曲線中能夠看出，智能天線整體性能在有攪亂的情況下比傳統(tǒng)天線少下降15%左右。圖12攪亂場景圖13非智能天線攪亂性能下降曲線個人收集整理僅供參照學習圖14智能天線攪亂性能下降曲線3、智能天線技術的特點經(jīng)過實考據(jù)明，經(jīng)過智能天線技術，WiFi網(wǎng)絡將獲得以下優(yōu)勢：收發(fā)信號強度全面提升，并且當AP或STA的地址、角度、方向改變時，還可以保持最正確覆蓋收效；衰落和多徑效應的優(yōu)化改進，提升終端用戶在非視距環(huán)境下的信號獲得能力，看不見也能傳；優(yōu)化噪聲影響，抵