详解智能天线技术

随着无线通信802.11协议族的不断发展，WiFi传输的物理速率也在高速提升。高性能的802.11n协议目前可以最大支持3条空间流且使用40MHz带宽捆绑技术达到450Mbps传输速率，这是传统802.11a/g最高速率的十倍之多。802.11n的一个重要特性就是引入了MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）技术，在MIMO模式下，一个802.11n射频模块可以同时发出多路信号，也可以同时接收多路信号，通过空间多路技术提高了信道利用率。与此对应，每个射频卡需要连接多根天线，并且由于MIMO技术的特性，可以利用多径现象提高信号质量。由于物理传输模式的改变，802.11n对于天线的辐射角度、天线之间的相关性也有更高的要求。
 
现有的802.11n产品对于每个发送或接收的信号使用一套固定的物理天线，在软件部分进行不同调制方式的速率选择来达到最优的结果。在无线实际应用中，AP或STA（Station，工作站）的物理方向会频繁发生变化，发生逻辑上的空间角度变化，由于路径发生改变，传输吞吐量很容易发生变化，造成性能波动，不能发挥出WiFi网络的最高性能。
 
为了克服以上困扰，部分设备厂家开始将已在传统移动通信（如3G，LTE等）中广泛应用的智能天线技术引入到WiFi设备中，希望以此来提高WiFi用户的使用体验，实现提高系统容量、提高频谱利用率、提高基站接收灵敏度、提高信噪比、改善信号质量等作用。

1、什么是智能天线？

智能天线技术前身是一种波束成形(Beamforming)技术。波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻当前位置发送方和接收方之间的信道信息，调整信号发送的参数，使得射频能量向接收方所处位置集中，从而使得接收方接收到的信号质量较好，最终能保持较高的吞吐量。该技术又分为芯片方式(On-Chip) 和硬件智能天线方式(On-Antenna)的两种。

1.1  芯片方式

芯片方式的波束成形是802.11n协议的一部分，在协议中被称为TxBF(Tx Beamforming/固定发送波束成形)，其通过协议报文的交互，获得信道的基础信息(Channel State Information, CSI)，芯片根据CSI调整3根全向天线上发送信号的相位，使得接收端处信号叠加出较好的效果（如图1至图3所示）。

图1 2个弱波谷和1个强波峰叠加出较差结果

图2 调节第二根天线上的相位，使得3个信号同步，叠加出较好结果

图3 TxBF形成的某种辐射图

1.2  硬件智能天线方式

硬件智能天线方式又名"自适应波束切换技术"，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。

1、在天线阵列上的不同天线之间有一定的物理距离，从各天线上发出来的信号到达接收方的所经历的路径有长有短，从而到达接收方的信号具有时间差。如果接收的信号相位不一样，硬件智能天线方式可以从多个天线中选择一组信号叠加效果较好的天线组合，采取自适应快速切换，获得效果远好于"On-Chip"方式的信号覆盖质量。
2、 在天线阵列上的不同天线具有不同的定向性（如图4所示），组合而成的定向天线具有比全向天线更大的组合增益，可以增加AP设备实际等效发射功率(EIRP：Effective Isotropic Radiated Power)。

图4 天线阵列中的不同天线具有不同的定向性

1.3  硬件智能天线方式相对于芯片方式的优势

1、芯片方式会产生额外的干扰，如图3中的由全向天线的TxBF形成的辐射图所示，通过对全向天线调节相位难以形成单独的指向STA的信号，可能会对其它的方向形成干扰，并且会浪费能量；
2、芯片方式需要STA的支持，现有的无线网卡基本都无法支持；
3、芯片方式有额外的吞吐量开销，芯片方式中AP和STA经常需要进行低速率的获取信道信息的报文的交互，会影响整体的吞吐量。

2、H3C智能天线技术

2.1、实现方式

H3C采用了新一代终端感知型智能天线阵列技术，它结合了"On-Chip"和"On-Antenna"的优势特点，对于WA3600系列AP，其天线阵列由12个天线振子构成，最高可形成多达4000个以上的天线辐射图型。每一个天线振子都精心调配，协同工作，使可能产生的辐射图达到接近于完美的覆盖（如图5所示）。同时AP会运行H3C专利的天线选择算法，针对不同位置的终端，从若干天线振子中选择出不同的振子来进行报文的发送或接收，在选择的同时，会加入相位和延时的整体考量，进一步加强了对终端行为的探测感知和天线阵列的快速收敛。

图5 天线阵列中的不同天线具有不同的定向性

整个系统具有如下特征：
1.      逐包选择发送天线，对于每个发送的报文都能使用不同的发送天线；
2.      保证选择的天线最优，对于每个移动终端维持一个数据库，数据库中记录着各天线的历史信息，从而能从数据库中选择最优天线；
3.      数据库收敛速度快，天线选择算法根据天线的辐射图及历史信息，定时选择特定的天线进行探测，从而能快速适应环境变化，选择出新的天线；
4.      与速率、相位、延时及功率等发送参数进行结合，实现发送参数的非线性变化；
5.      相对于传统Beamforming来说，不需要终端过多参与，不需要协议报文交互以获取信道参数，对于数据流数和发送天线数相等的情况也可以获得多天线的增益。

2.2  高速率覆盖范围

覆盖范围

H3C硬件H3智能天线技术能成倍的扩大高速率的覆盖范围，根据实际测试，同环境下最高速率可获得范围倍增。

非视距性能

图6  某实际测试环境

如图6所示。在Pos6测试得到的传统天线性能为150M，硬件智能天线测试得到的性能为170M。在Pos4和Pos5使用传统天线测试得到的性能为140M，而硬件智能天线测试得到的性能为180M。
在Pos7和Pos8出处的信号强度为-80左右，使用传统天线的性能为4M以下，而使用硬件智能天线性能在10M左右。

2.3  吞吐量稳定性

单STA不同位置吞吐量的稳定性

如图6所示，单个STA在AP周围进行较缓慢的移动，从Pos1处沿路线移动到Pos2处，硬件智能天线和传统天线设备的吞吐量曲线分别如7和图8所示，可以看出传统天线的抖动明显大于智能天线的抖动，传统天线在220M-300M之间抖动，硬件智能天线在260M-300M之间浮动。

图7  传统天线的吞吐量曲线

图8  硬件智能天线的吞吐量曲线

多STA不同位置吞吐量的稳定性

如图9所示，4个STA分别处在离AP具有一定距离的4个位置上，利用硬件智能天线和传统天线设备分别进行4个STA的吞吐量测试，曲线分别如10和图11所示，表1是最终的吞吐量数据。从表1中可以看出，智能天线无论是在最高性能还是各个STA性能的均匀性上都明显好于传统天线。

图9  4个STA所处的不同位置

图10  传统天线4个STA吞吐量曲线图

图11  硬件智能天线4个STA吞吐量曲线图

2.4  抗干扰能力

如图12所示的干扰环境中，干扰源是一个在"野蛮发送"的AP，干扰源出于一个房间之内和正常AP相距大约8m的范围，正常AP放置在房间的门口，STA和干扰源不可见，图11和图12传统天线和硬件智能天线在开启干扰源到关掉干扰源的情况下，吞吐量的变化曲线如图13、图14所示。从两个曲线中可以看出，智能天线整体性能在有干扰的情况下比传统天线少下降15%左右。

图12 干扰场景

图13  非智能天线干扰性能下降曲线

图14  智能天线干扰性能下降曲线

3、智能天线技术的特点

经过实验证明，通过智能天线技术，WiFi网络将获得以下优势：
l    收发信号强度全面提升，并且当AP或STA的位置、角度、方向改变时，仍能保持最佳覆盖效果；
l    衰落和多径效应的优化改善，提升终端用户在非视距环境下的信号获取能力，看不见也能传；
l    优化噪声影响，抵抗局部干扰源，保证终端用户最小工作带宽，降低断线几率；
l    降低因遮挡或距离增加引起的信号质量下降幅度，保证STA有一定的带宽工作，使得性能不会大幅衰落；
l    同步的上下行链路增益，提升单AP和整网容量，再挤也不怕。

4、结束语

可以预见，随着越来越多的WiFi设备进入医疗行业，满足了基本覆盖的要求之后，更优良的信号质量、更稳定的连接服务将成为无线医疗网发展的新的课题。