智简园区WLAN智能天线技术白皮书

1、华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书前言前言摘要智能天线技术通过调整发射端的发送参数，在接收端形成能量的集中，从而达到改善覆盖，提高容量的目的。本文主要介绍华为自研智能天线及天线选择算法的实现，以及其网络中的主要应用。关键词天线阵列、天线选择算法华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书目录目录 HYPERLINK l _bookmark0 前言i HYPERLINK l _bookmark1 概述1 HYPERLINK l _bookmark2 产生背景1 HYPERLINK l _bookmark3 技术实现2 HYPERLINK l _bo

2、okmark4 客户价值2 HYPERLINK l _bookmark5 方案原理4 HYPERLINK l _bookmark6 智能天线阵列4 HYPERLINK l _bookmark8 天线选择算法6 HYPERLINK l _bookmark9 天线的训练和选择6 HYPERLINK l _bookmark11 天线训练的触发7 HYPERLINK l _bookmark12 典型组网应用9 HYPERLINK l _bookmark13 中远距离覆盖场景9 HYPERLINK l _bookmark14 无线环境复杂场景9 HYPERLINK l _bookmark15 高密组网环

3、境下多用户的下行并发传输场景10 HYPERLINK l _bookmark16 A 缩 略语11华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书1 概述 1 概 述产生背景随着 802.11 协议族的不断发展，Wi-Fi 的物理层速率在高速提升。当前，802.11ax 产品的物理层速率高达 10Gbps，是 802.11ac wave2 产品的数倍。在 802.11n 阶段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

4、高了信道利用率。在 802.11ac wave2 协议之前的设备只支持单用户 MIMO，AP 一次只能与一个用户通信。而 11ac Wave2 可以支持多用户 MIMO 即 MU MIMO，一次同时可以与几个用户通信，多用户 MIMO 也可以增加终端接入数，提升了用户体验。与此对应，随着空间流的增多每个射频卡需要连接多根天线，由于 MIMO 技术的特性，可以利用多径现象提高信号质量。随着物理传输模式的变化，将超高的物理层速率转换为用户体验，对于天线的辐射角度、天线之间的相关性也有更高的要求。传统 AP 天线设计对于每个发送或接收的信号使用一套固定的内置或者外置天线，在软件部分通过算法进行不同调

5、制方式的速率选择来达到最优的结果。在无线实际应用中，用户移动会频繁发生变化，发生空间角度变化，因此也会导致无线路径发生改变，传输速率很容易出现变化，导致性能波动，无法发挥出无线网络的最优性能。在目前 Wi-Fi 网络环境中，有三个较为突出的难点需要克服。其一，边缘覆盖，AP 边缘用户的覆盖一直是亟需克服的难点。目前一般AP 采用的是全向天线，天线增益有限， 对于近距离用户可以提供较好的服务，对于中远距离用户无法提供服务或者只能提供较低吞吐率的服务。其二，跨越障碍物覆盖，为有障碍物遮挡的用户提供高吞吐率的服务也是一个的难点。其三，高密场景覆盖，在高密组网环境下，多用户并发将导致链路间干扰大大增加

6、，虽然在 11ac 中引入了下行多用户 MIMO 以提升下行传输吞吐率，但是如何提供更高的下行传输吞吐率仍是需要克服的难点。为了解决 Wi-Fi 网络环境中的难点问题，并且提供更好的覆盖服务，业界主流厂家开始将已在公网移动通信系统（如 3G，4G 等）中广泛使用的智能天线技术引入到 WiFi系统中，希望利用公网无线通信系统的技术来提升改善无线覆盖等作用，从而提高系统容量和 WiFi 用户的用户体验。智能天线的硬件部分由多个天线组成的天线阵列，根据天线选择算法选择其中部分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，从而为处于不同位置的 STA 选择最佳的天线，提高信号

7、接收质量，提升系统的吞吐量。本文将介绍智能天线的技术实现原理和主要应用场景。技术实现业界智能天线技术主要包括两个方面：一个是天线阵列，即天线硬件本身的设计；另一个是天线选择算法，即如何选择天线阵列里的天线。天线阵列实现方式是一种波束切换技术，其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，从而为处于不同位置的 STA 选择最佳的天线，提高信号接收质量，提升系统的吞吐量。图1-1 天线波束切换示意图智能天线选择算法是 WLAN 链路自适应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

8、提升网络性能。利用定向波束替代原来的全向波束，使能量集中，提高信号接收质量，提升系统的吞吐量。客户价值1、更好的覆盖智能天线在目标区域会产生更好的覆盖效果。4 扇区设计为天线提供更高的覆盖强度，天线阵列中的不同定向性的组合具有比全向天线具有更远距离的覆盖，比定向天线有更灵活的方向性。尤其体现在无线环境比较复杂的环境，比如终端位置、角度发生变化或者因遮挡、距离增加引起的信号衰减比较明显的场景，利用智能天线可以明显改善覆盖。2、更高的吞吐率智能天线通过选择合适的天线组合能够改善目标区域的覆盖效果，从而提升用户的吞吐率。天线选择算法与 MU-MIMO 的结合，通过将同方向的用户聚合在一起采用相同定向

9、波束传输，不仅可以提高数据的吞吐率，还可以大大减少相互间的干扰， 提升单AP 和整网的用户容量，高密场景也无问题。3、更高的可靠性智能天线算法能够及时发现当前天线工作模式下性能的变化，如果变化频繁，说明当前的空口环境已经有了恶化，智能天线算法会迅速通过训练找到此环境下最优的天线组合，保证在任何环境下都提供稳定的吞吐量，为用户提供更佳的体验。华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书2 方案原理 2 方案原理华为智能天线技术主要包括两个方面：一个是天线阵列，另一个是天线选择算法。下面针对两种模块的原理进行分析。智能天线阵列天线阵列是由一系列的小天线组合而形成一个阵列。每个小天线可以是全向天线，也

10、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。图2-1 智能天线阵列排列方式华为 WLAN 智能天线，采用双频分路、双极化叠加的设计方案。双极化叠加使天线实现小型化，避免占用大量空间，减少AP 整机设计的复杂度；双频分路方案减少天线间耦合，辐射效率更高。2.4G、5G 频段分别各有 4 个小天线，整个天线由 8 个小天线组成。如 HYPERLINK l _bookmark7 图 2-1，天线左上角和右下角为 5G 频段的水平极化和垂直极化天线，左下角和右上角为 2.4G 频段的水平极化和垂直极化天线。每个天线水平 360范围内均

11、匀分布 4 个波束赋形结构，每个结构中间的开关均可独立控制，根据导通不同方向的开关，每个小天线有 24 供 16 种模式。每个频段共有 4 个天线，单个频段天线组合共有 416 种。理论分析后，从每个小天线的 16 种模式中选择以下 5 种模式作为天线工作可选择模式：一种全向天线模式，标记为序号 2其他 4 种为水平 4 个方向的定向天线模式，分别标记为序号 0、1、3、4。图2-2 小天线的 5 种波束单频共有 4 个天线，每个天线有 5 种可供选择的工作模式，由此可知天线的单频阵列组合一共为 54 种。考虑天线组合过多在天线选择时会产生性能损耗以及实际天线组合测试结果，选择以下 15 种组

12、合作为智能天线的可选阵列组合，见表 1。在此标记所有 4 天线波束指向同一方向为基本模式，水平极化天线和垂直极化天线波束方向不同为增强模式，下表中组合模式前两位表示水平极化天线，后两位表示垂直极化天线。表2-1 智能天线四个天线的组合索引表天线索引组合模式模式说明天线索引组合模式模式说明00000基本模式163322增强模式11111基本模式174400增强模式22222基本模式184411增强模式33333基本模式194433增强模式44444基本模式204422增强模式91100增强模式212200增强模式133300增强模式222211增强模式143311增强模式天线选择算法天线选择算法

13、是针对不同的天线组合通过发送训练包，根据在不同天线组合下用户反馈的误包率（PER，Packet Error Rate）和接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）来为当前用户最合适的天线组合。天线的训练和选择系统中天线的工作状态有三种，分别是默认工作状态、预训练状态、训练状态。智能天线选择算法就是依托天线的三态转换实现的。图2-3 天线工作状态切换图默认工作状态（default）：该状态下天线以当前的配置正常工作，不做训练操作。但是该模式下会检测天线工作的状态，当出现天线训练触发请求或者性能突变，系统会设置训练请求，触发训练。预训练状态（Pr

14、e-training）：该状态的主要目的是为了减少训练过程中的时间和信道占用，通过速率自适应算法给出智能天线的训练配置信息，并只有当训练包数不小于系统设置训练包数时，才会设置训练请求，触发训练。训练状态（Training）：该状态下根据反馈的天线配置信息，遍历所有的天线组合，找到最优天线组合。图2-4 智能天线训练与选择 HYPERLINK l _bookmark10 如图 2-4，Host 侧维护了一个训练状态机，完成训练参数下发、训练数据处理、天线选择和天线配置下发等功能；Target 侧负责训练参数接收、实际发包训练天线、训练结果反馈和天线配置生效等功能。另外，针对多用户 MU-MIMO

15、 场景，多个用户配对后，根据这几个用户在单用户模式下选择的天线模式，选择多用户时的天线模式：如果多个用户在单用户时天线模式相同，则多用户 MIMO 的天线模式不变；如果多个用户在单用户时天线模式不同，则多用户 MIMO 的天线模式采用全向天线模式。天线训练的触发天线训练主要有两种方式触发，周期触发和性能突变触发。周期触发周期触发是以上次训练完成后运行的时间作为判断依据，该时间如果大于预设的时间周期，触发重新训练。对于周期性触发训练，触发周期是根据用户数进行动态调整。接入用户数越多，触发的周期越长，避免因为天线训练频繁占用系统性能，造成用户体验差。表2-2 接入用户数与训练周期对应关系接入用户数

16、范围5 & 10 & 20训练周期（s）30100180300性能突变触发系统稳定后，采集吞吐量并对一段时间内的吞吐量进行累加平均作为比较的基准值， 利用基准值与当前节点的吞吐量差值与预先设置的门限进行比较，如果差值超过门 限多次，表明当前节点性能波动较大，此时触发重新训练机制。华为智简园区 WLAN 智能天线技术白皮书3 典型组网应用 3 典型组网应用华为推出的智能天线方案，采用双频分路、双极化叠加小型化设计，相比于业界双频方案的智能天线有更高的辐射效率；采用 4 扇区设计，相比于业界 3 扇区天线可以获得更高的增益。中远距离覆盖场景当 AP 发送数据给终端时，智能天线算法需要根据终端的位置

17、，选择最合适的定向波束发送数据，取代全向波束，利用定向波束的高增益特性提升对中远距离用户的覆盖能力。实现边缘用户的覆盖强化。图3-1 中远距离时智能天线波束选择示意图无线环境复杂场景智能天线的天线阵列可以在覆盖目标区域产生更好的覆盖效果。对于需要穿透楼层、墙体，由于定向波束的高增益，从而具有明显的穿透优势；对于环境中存在无法穿越的障碍物遮挡，智能天线可以选择其他定向波束进行反射、绕射等多径方式克服障碍物。图3-2 障碍物遮挡时智能天线波束选择示意图左图为穿透障碍物/右图为多径方式克服障碍物高密组网环境下多用户的下行并发传输场景在高密场景中下行多用户的并发传输（含下行多用户 MIMO），通过引入智能天线的定向波束选择，通过将同方向的用户聚合在一起采用相同定向波束传输，一方面