波束成(chéng)形技術是將(jiāng)信号以一種(zhǒng)能(néng)量集中和定向(xiàng)方式發(fā)送給無線終端的技術，能(néng)全面(miàn)改善無線終端接收的信号質量，并提升吞吐量。在Wi-Fi（WiFi）标準中，從Wi-Fi 4（802.11n）開(kāi)始引入該技術。
WiFi爲什麼(me)要用波束成(chéng)形
Wi-Fi标準一直緻力于提升無線的傳輸速率，尤其是從Wi-Fi 4（802.11n）開(kāi)始引入了MIMO和波束成(chéng)形技術，讓傳輸速率提升到了數百兆，提升了1個量級。
MIMO技術通過(guò)多天線傳輸，帶來傳輸速率的成(chéng)倍增長(cháng)。但在實際應用中STA（無線終端）往往隻有1到2個天線，這(zhè)使得STA發(fā)送和接收信号的收益有所差異。STA向(xiàng)AP發(fā)送信号時，AP可以利用自己的多天線系統增強接收增益，獲得更好(hǎo)的信号強度；AP向(xiàng)STA發(fā)送信号時，如果僅使用對(duì)應數量的天線發(fā)送信号，則無法利用多天線帶來的增益。爲了解決這(zhè)一問題，通過(guò)引入波束成(chéng)形技術，可以增強STA接收到的信号強度，從而使AP和STA可以協商出更高的傳輸速率。
爲了充分利用AP的多天線資源，Wi-Fi 5（802.11ac）又引入了MU-MIMO技術，使AP可以同時向(xiàng)多個STA發(fā)送信号，有效提升了無線的傳輸效率。MU-MIMO也需要波束成(chéng)形技術，波束成(chéng)形使AP的多天線信号疊加後(hòu)，讓各STA僅收到自己的信号，消除其他STA的信号，避免幹擾。Wi-Fi 6（802.11ax）在Wi-Fi 5的技術上進(jìn)一步增加了MU-MIMO的多用戶數量，這(zhè)些都(dōu)離不開(kāi)波束成(chéng)形技術的使用。
波束成(chéng)形工作原理
波束成(chéng)形從字面(miàn)理解就(jiù)是塑造波束的形狀，那麼(me)如何塑造出波束的形狀呢？以光束爲例，用一個手電筒打出一道(dào)光束，光束的形狀是固定的。如果在平行方向(xiàng)增加一個手電筒，則會(huì)發(fā)現兩(liǎng)道(dào)光束疊加後(hòu)，光束亮度增加，光束形狀發(fā)生了改變。如果繼續增加手電筒的數量，光束的亮度繼續增加，疊加後(hòu)的光束形狀也繼續變化。在多個手電筒的情況下，改變手電筒的開(kāi)關狀态或調整發(fā)光的強弱，也會(huì)影響光束的形狀。
對(duì)于無線通信，天線就(jiù)相當于手電筒，無線信号的波束就(jiù)相當于光束，通過(guò)多個天線，控制每個天線發(fā)射的信号，就(jiù)可以改變無線信号的波束形狀。
在多天線系統中，如果不同天線傳輸的信号在到達某一位置時存在兩(liǎng)條衰減相等的波束，且兩(liǎng)條波束相位相反，就(jiù)可能(néng)會(huì)出現空間空洞。波束成(chéng)形技術可以通過(guò)預先補償發(fā)射天線的相位，讓兩(liǎng)條波束進(jìn)行疊加以實現信号增強的效果。
波束成(chéng)形的原理
波束成(chéng)形怎麼(me)知道(dào)該如何調整發(fā)射天線的信号呢？這(zhè)是通過(guò)檢測信道(dào)狀态信息CSI（Channel State Information）來獲取并計算出調整參數的。按照CSI獲取方式的不同，波束成(chéng)形可以分爲顯式波束成(chéng)形（Explicit beamforming）和隐式波束成(chéng)形（Implicit beamforming）。
顯示波束成(chéng)形
顯式波束成(chéng)形是一種(zhǒng)需要STA反饋信道(dào)信息的波束成(chéng)形方式。顯式波束成(chéng)形信道(dào)信息的探測和反饋流程如下：
顯示波束成(chéng)形
AP向(xiàng)STA發(fā)送探測數據（Training Symbol）。在802.11n标準中，AP發(fā)送探測數據包括空數據包（NDP）和交錯前導碼兩(liǎng)種(zhǒng)方式；802.11ac标準開(kāi)始則直接使用NDP的方式。
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NDP是一種(zhǒng)沒(méi)有數據的空幀，其沒(méi)有負荷。AP向(xiàng)STA發(fā)送NDP探測通告和空數據包，STA收到探測通告和空數據包後(hòu)進(jìn)行信道(dào)信息反饋。
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交錯前導碼是利用發(fā)送的帶有負荷的幀實現探測，這(zhè)個幀會(huì)承載一個MAC幀和探測信道(dào)。
STA向(xiàng)AP反饋信道(dào)信息。在802.11n标準中，STA的信道(dào)信息反饋有三種(zhǒng)方式：
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CSI方式：STA將(jiāng)原始的信道(dào)信息直接發(fā)送給AP，由AP計算最終的波束成(chéng)形權重值。
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非壓縮波束成(chéng)形權重值：STA收到探測後(hòu)，由STA計算出波束成(chéng)形權重值後(hòu)反饋給AP。這(zhè)種(zhǒng)方式會(huì)增加系統開(kāi)銷，因此有了壓縮波束成(chéng)形權重值。
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壓縮波束成(chéng)形權重值：同樣(yàng)是由STA計算出波束成(chéng)形權重值後(hòu)反饋給AP，并且通過(guò)一些方法降低了系統開(kāi)銷。
802.11ac标準開(kāi)始，STA采用壓縮波束成(chéng)形權重值的方式反饋信道(dào)信息。AP根據STA反饋或自己計算的權重信息進(jìn)行波束成(chéng)形，多徑信号在STA處彙聚，形成(chéng)增益。
隐式波束成(chéng)形
隐式波束成(chéng)形是由Beamformer計算發(fā)送方向(xiàng)信道(dào)信息的波束成(chéng)形方式，其利用了時分雙工（TDD，Time Division Duplexing）系統的互易性（即認爲同頻段的上下行的信道(dào)狀态信息是相等的），將(jiāng)Beamformee反饋的上行接收方向(xiàng)信道(dào)信息直接應用于下行發(fā)送方向(xiàng)，進(jìn)行波束成(chéng)形。由于隐式波束成(chéng)形具體實現的複雜性，從802.11ac協議開(kāi)始已經(jīng)明确不再支持隐式波束成(chéng)形且業界也基本無廠商實現該方式波束成(chéng)形。
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