狮吼功还有一招大喇叭——覆盖增强技术 (狮吼功练法)
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1.从香农定律谈起之前,我们解读过WAA在其夏季上发布的《企业典型场景高品质WLAN网络建设*》,*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。监听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监听访问点(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*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-InputMulti-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*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(SmartAntennaArray)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(TxBeamforming),Tx就是发送端(Tran*itter)的缩写。再具体分,就是隐式波束成形(ImplicitBeamforming)和显式波束成形(ExplicitBeamforming)。3.1.1隐式波束成形(ImplicitBeamforming)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(ExplicitBeamforming)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(SpatialNulling)和波束成形对应的是另外一个技术:空间空洞(SpatialNulling),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,特别是在监听通信中,可以用来抑制来自其他*网络或设备的干扰信号,提高*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*的吞吐量。3.2智能天线波束选择(SmartAntennaBeamSelection)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“PacketErrorRate”的缩写)和RSSI(编者注:接收信号强度指示“ReceivedSignalStrengthIndicator”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(DirectionalBeam)替代原来的全向波束(Omni-directionalBeam),使能量集中,提高信号接收质量,提升*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-InputMulti-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(ChannelStateInformation,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*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(DigitalPrecoding)、模拟预编码(AnalogPrecoding)和混合预编码(HybridPrecoding)。4.1数字预编码(DigitalPrecoding)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(AnalogPrecoding)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(HybridPrecoding)