智能天线技术

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1、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O 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

2、 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

3、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 Beamform

4、ing/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）。?ntYY距离为整 数个注圧数个波氏即离为整 数tK人休图 1 2 个弱波谷和 1 个强波峰叠加出较差结果珞壁拒离为整 数牛濃芒驻离対幣址迟半波1霞离沟整 牛该长 半侦Phase : UI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On ini-jViiEnnas-YYYPhu STRF的丸射眉I |册們刎射纠CLicnc 图 3 T

5、xBF 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“ O

6、n-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）。Client L胡 YII,丨丄 r AnLenimStl cctintcrftrcrBjt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

7、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STA1STA2STA3STA4传统天线下行411192硬件智能天线下行21232419表 1 4 个 STA 的性能数据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 1

8、4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： 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； 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； 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； 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； 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。