波束成形(BF)的兩個階段

北京多年未見的大雪讓牛哥異常興奮，練習(xí)了這首Snowdreams鋼琴版，一年前上傳過的單簧管版本，今天又翻出來聽了一下：一起來學(xué)5G終端射頻標(biāo)準(zhǔn)（EVM究竟如何算）。牛媽說：單簧管版本更有意境，跟原曲配合很和諧。牛哥說：那是因為原曲中有雙簧管。

今天我們繼續(xù)學(xué)習(xí)DMG中的“D”，Directional在11ad中是如何實現(xiàn)的呢？主要歸功于精心設(shè)計的波束訓(xùn)練協(xié)議。

01—概述

我們在前面學(xué)習(xí)過，60GHz毫米波頻段的通信特性與傳統(tǒng) 2.4/5 GHz Wi-Fi 頻率不同。因此，IEEE 802.11ad 必須因頻段變化而做出相應(yīng)的考慮。DMG中的D（Directional）是指定向傳輸，它是針對11ad的一個很重要的設(shè)計。與傳統(tǒng)Wi-Fi信號的全向傳播不同，11ad需要使用高增益窄波束賦形，使信號聚焦，具有很強的方向性，來應(yīng)對傳輸損耗的增加。

具體如何實現(xiàn)呢？我們很容易想到方向性和增益極好的相控天線陣列，通過預(yù)計算天線加權(quán)向量或配備多個定向天線陣子的系統(tǒng)來實現(xiàn)。如下圖所示：

60GHz的波長為5mm，典型的天線陣子間隔為2.5mm，可使天線外形尺寸大大小于 2.4/5 GHz 傳統(tǒng) Wi-Fi 的天線外形尺寸。下圖是某11ad射頻+天線模塊的實物圖，尺寸大約為17mm×8mm。

此外，如下圖所示，DMG采用的是天線扇區(qū)掃描的方式。圖中顯示了兩個節(jié)點通過虛擬扇區(qū)通信的示例：在沒有障礙物阻擋的情況下，選擇與 LOS 方向一致的扇區(qū)可提供最佳鏈路質(zhì)量。由于某扇區(qū)匯集了某方向的天線增益，因此，必須將接收和發(fā)送扇區(qū)的最佳配對達成一致，來優(yōu)化信號質(zhì)量和吞吐量。這一過程被稱為波束成形訓(xùn)練（beamforming training）。注意它們跟5G中的Massive MIMO并不同，而是每次只使用一個天線陣列。

不同的設(shè)備類別有不同的天線陣列數(shù)量，比如手持設(shè)備，可以配備低復(fù)雜度天線（1-4個天線陣子），而有持續(xù)電源供電的設(shè)備可以配備多個天線陣列。下表顯示了幾類設(shè)備的典型配置。列出了與距離范圍和吞吐量相關(guān)的扇區(qū)數(shù)、接收和發(fā)射方向的差異，以及每類設(shè)備的特殊流量特性。此外，還給出了每個設(shè)備類別的預(yù)期天線陣列數(shù)量。多組相位天線陣列可實現(xiàn)所有方向的高增益覆蓋。

一般來說，天線增益越高越好，但這會帶來更強的方向性和更多的窄天線扇區(qū)，也同時增加了通信節(jié)點之間調(diào)整天線轉(zhuǎn)向的開銷，而且鏈路因錯位造成的損失會隨著方向性的增加而增加。所以在通信中往往都是這樣，很多的Trade off（折中）。高定向傳輸特性，雖然說大大減少了波束方向以外的干擾，并且使得同一頻段的空間重復(fù)使用成為可能，顯著提高系統(tǒng)的整體吞吐量。但高度定向的傳輸所帶來的缺點是對常見的 Wi-Fi MAC 機制有阻礙作用。定向傳輸模式會阻止設(shè)備被動地監(jiān)聽正在進行的傳輸，從而導(dǎo)致信道接入期間發(fā)生額外的碰撞。此外，發(fā)射或接收天線模式不對齊也可能會導(dǎo)致丟幀和吞吐量的降低。

所以當(dāng)配對設(shè)備的方向未知時（如在beamforming訓(xùn)練期間），DMG STA仍需要準(zhǔn)全向天線模式（quasi-omni antenna pattern），為什么是“準(zhǔn)”？因為要實現(xiàn)真正的全向毫米波天線模式并不現(xiàn)實，天線附近的設(shè)備元件對信號的阻擋和偏差比傳統(tǒng) Wi-Fi 頻率的影響要大得多。毫米波頻段的衰減增加，導(dǎo)致使用準(zhǔn)全向天線模式時傳輸距離和吞吐量嚴(yán)重下降。因此，至少要在鏈路的一側(cè)增加定向天線增益，以達到足夠的通信距離。通常情況下，準(zhǔn)全向天線配置用于接收端。DMG STA要求準(zhǔn)全向天線的主波束天線增益最多應(yīng)比定向的主波束天線增益低 15 dB。

02—BF的兩個階段

11ad的波束成形（BF）是一對 STA 為實現(xiàn)后續(xù)通信所需的 DMG 鏈路而使用的一種機制。波束成形訓(xùn)練是波束成形幀傳輸?shù)碾p向序列，它使用扇區(qū)掃描并提供必要的信令，使每個 STA 都能確定用于傳輸和接收的適當(dāng)天線系統(tǒng)設(shè)置。成功完成 BF 訓(xùn)練后，BF 即可建立。BF 幀是 SSW 幀、DMG 信標(biāo)幀、SSW-反饋幀、SSW-應(yīng)答幀或 BRP 幀。下圖舉例說明波束成形訓(xùn)練過程。

由上圖可知，BF分為兩個階段：SLS和BRP。

SLS：Sector level sweep，扇區(qū)掃描；

BRP：Beam refinement protocol，波束細(xì)化協(xié)議。

首先，在扇區(qū)掃描（SLS）期間，確定初始粗粒度天線扇區(qū)配置。其次，這一信息將用于隨后的可選波束細(xì)化階段（BRP），對所選扇區(qū)進行微調(diào)（細(xì)化），具體來說就是評估與預(yù)定扇形模式不同的天線權(quán)重向量，來優(yōu)化相控天線陣列的傳輸。在 SLS 期間，兩個站點中的每個站點都會訓(xùn)練其發(fā)射天線扇區(qū)或接收天線扇區(qū)。當(dāng)設(shè)備具有合理的發(fā)射天線增益時，最常見的選擇是在 SLS 期間只訓(xùn)練發(fā)射扇區(qū)，并在隨后的 BRP 期間得出接收天線配置。在鏈路兩端完全細(xì)化發(fā)射和接收扇區(qū)后，可在 10 米范圍內(nèi)達到數(shù)Gbps的速度。

關(guān)于波束成形具體的實施可以有多種可選方案。以下我們僅介紹一般性的方法。SLS 期間，一對STA通過不同的天線扇區(qū)交換一系列扇區(qū)掃描（SSW：sector sweep）幀，以找到提供最高信號質(zhì)量的扇區(qū)。在 SLS 期間，每個STA分別充當(dāng)一次掃描的發(fā)射機和接收機。首先發(fā)射信號的STA稱為發(fā)射機，其次發(fā)射信號的STA稱為接收機。在發(fā)送扇區(qū)掃描期間，幀在不同的扇區(qū)上發(fā)送，而配對節(jié)點以準(zhǔn)單向模式接收。為了識別最強的發(fā)射扇區(qū)，發(fā)射機會在每個幀上標(biāo)記所用天線和扇區(qū)的標(biāo)識符。在接收扇區(qū)掃描期間，在同一扇區(qū)上進行傳輸，可測試配對節(jié)點的最佳接收扇區(qū)。達到的最佳信噪比，以及在發(fā)送扇區(qū)掃描的情況，扇區(qū)和天線標(biāo)識符都會報告給配對節(jié)點。

如果兩個STA都有足夠的發(fā)射天線增益，它們的 SLS 階段就可以實現(xiàn)純發(fā)射扇區(qū)訓(xùn)練，而接收扇區(qū)訓(xùn)練則推遲到下一個 BRP。天線陣子較少的設(shè)備必須在接收端增加天線增益，以獲得足夠的鏈路預(yù)算來建立鏈路。因此，這些設(shè)備很可能在其 SLS 部分中包含接收扇區(qū)掃描。

波束細(xì)化協(xié)議BRP對 SLS 階段發(fā)現(xiàn)的扇區(qū)進行細(xì)化。這些扇區(qū)可能會出現(xiàn)信號質(zhì)量不佳的情況。此外，對于相控天線陣列，BRP 還可預(yù)判天線權(quán)重向量的優(yōu)化。BRP 有多種可選的波束細(xì)化機制，在這個迭代機制中，發(fā)起者和響應(yīng)者都可以請求對接收或發(fā)射天線模式進行訓(xùn)練。BRP 可在同一幀中測試不同的天線配置。與 SLS 相比，這大大減少了傳輸開銷，因為 SLS 需要整個幀來測試一個扇區(qū)。為了在整個幀中掃描天線配置，在 BRP 交易期間交換的幀中會附加發(fā)送和接收訓(xùn)練字段 (TRN-T/R)。每個字段都與要測試信號質(zhì)量的天線配置一起發(fā)送或接收。幀的其余部分使用已知的最佳天線配置進行發(fā)送和接收。與 SLS 相同，BRP 的反饋形式為最佳發(fā)現(xiàn)配置的信噪比（SNR）和最佳配置 ID。

審核編輯：湯梓紅