波束成形(BF)的兩個(gè)階段

北京多年未見(jiàn)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(guò)的單簧管版本，今天又翻出來(lái)聽(tīng)了一下：一起來(lái)學(xué)5G終端射頻標(biāo)準(zhǔn)（EVM究竟如何算）。牛媽說(shuō)：?jiǎn)位晒馨姹靖幸饩常浜虾芎椭C。牛哥說(shuō)：那是因?yàn)樵杏须p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(shí)現(xiàn)的呢？主要?dú)w功于精心設(shè)計(jì)的波束訓(xùn)練協(xié)議。

01—概述

我們?cè)谇懊鎸W(xué)習(xí)過(guò)，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(duì)11ad的一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)Wi-Fi信號(hào)的全向傳播不同，11ad需要使用高增益窄波束賦形，使信號(hào)聚焦，具有很強(qiáng)的方向性，來(lái)應(yīng)對(duì)傳輸損耗的增加。

具體如何實(shí)現(xiàn)呢？我們很容易想到方向性和增益極好的相控天線(xiàn)陣列，通過(guò)預(yù)計(jì)算天線(xiàn)加權(quán)向量或配備多個(gè)定向天線(xiàn)陣子的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示：

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

此外，如下圖所示，DMG采用的是天線(xiàn)扇區(qū)掃描的方式。圖中顯示了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)虛擬扇區(qū)通信的示例：在沒(méi)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(xiàn)增益，因此，必須將接收和發(fā)送扇區(qū)的最佳配對(duì)達(dá)成一致，來(lái)優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量和吞吐量。這一過(guò)程被稱(chēng)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(gè)天線(xiàn)陣列。

不同的設(shè)備類(lèi)別有不同的天線(xiàn)陣列數(shù)量，比如手持設(shè)備，可以配備低復(fù)雜度天線(xiàn)（1-4個(gè)天線(xiàn)陣子），而有持續(xù)電源供電的設(shè)備可以配備多個(gè)天線(xiàn)陣列。下表顯示了幾類(lèi)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(lèi)設(shè)備的特殊流量特性。此外，還給出了每個(gè)設(shè)備類(lèi)別的預(yù)期天線(xiàn)陣列數(shù)量。多組相位天線(xiàn)陣列可實(shí)現(xiàn)所有方向的高增益覆蓋。

一般來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)增益越高越好，但這會(huì)帶來(lái)更強(qiáng)的方向性和更多的窄天線(xiàn)扇區(qū)，也同時(shí)增加了通信節(jié)點(diǎn)之間調(diào)整天線(xiàn)轉(zhuǎn)向的開(kāi)銷(xiāo)，而且鏈路因錯(cuò)位造成的損失會(huì)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(shuō)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(lái)的缺點(diǎn)是對(duì)常見(jiàn)的 Wi-Fi MAC 機(jī)制有阻礙作用。定向傳輸模式會(huì)阻止設(shè)備被動(dòng)地監(jiān)聽(tīng)正在進(jìn)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(xiàn)模式不對(duì)齊也可能會(huì)導(dǎo)致丟幀和吞吐量的降低。

所以當(dāng)配對(duì)設(shè)備的方向未知時(shí)（如在beamforming訓(xùn)練期間），DMG STA仍需要準(zhǔn)全向天線(xiàn)模式（quasi-omni antenna pattern），為什么是“準(zhǔn)”？因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)真正的全向毫米波天線(xiàn)模式并不現(xiàn)實(shí)，天線(xiàn)附近的設(shè)備元件對(duì)信號(hào)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(xiàn)模式時(shí)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(xiàn)增益，以達(dá)到足夠的通信距離。通常情況下，準(zhǔn)全向天線(xiàn)配置用于接收端。DMG STA要求準(zhǔn)全向天線(xiàn)的主波束天線(xiàn)增益最多應(yīng)比定向的主波束天線(xiàn)增益低 15 dB。

02—BF的兩個(gè)階段

11ad的波束成形（BF）是一對(duì) STA 為實(shí)現(xiàn)后續(xù)通信所需的 DMG 鏈路而使用的一種機(jī)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(gè) STA 都能確定用于傳輸和接收的適當(dāng)天線(xiàn)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(shuō)明波束成形訓(xùn)練過(guò)程。

由上圖可知，BF分為兩個(gè)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(xiàn)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(duì)所選扇區(qū)進(jìn)行微調(diào)（細(xì)化），具體來(lái)說(shuō)就是評(píng)估與預(yù)定扇形模式不同的天線(xiàn)權(quán)重向量，來(lái)優(yōu)化相控天線(xiàn)陣列的傳輸。在 SLS 期間，兩個(gè)站點(diǎn)中的每個(gè)站點(diǎn)都會(huì)訓(xùn)練其發(fā)射天線(xiàn)扇區(qū)或接收天線(xiàn)扇區(qū)。當(dāng)設(shè)備具有合理的發(fā)射天線(xiàn)增益時(shí)，最常見(jiàn)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(xiàn)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(dá)到數(shù)Gbps的速度。

關(guān)于波束成形具體的實(shí)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(duì)STA通過(guò)不同的天線(xiàn)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(hào)質(zhì)量的扇區(qū)。在 SLS 期間，每個(gè)STA分別充當(dāng)一次掃描的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。首先發(fā)射信號(hào)的STA稱(chēng)為發(fā)射機(jī)，其次發(fā)射信號(hào)的STA稱(chēng)為接收機(jī)。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(duì)節(jié)點(diǎn)以準(zhǔn)單向模式接收。為了識(shí)別最強(qiáng)的發(fā)射扇區(qū)，發(fā)射機(jī)會(huì)在每個(gè)幀上標(biāo)記所用天線(xiàn)和扇區(qū)的標(biāo)識(shí)符。在接收扇區(qū)掃描期間，在同一扇區(qū)上進(jìn)行傳輸，可測(cè)試配對(duì)節(jié)點(diǎn)的最佳接收扇區(qū)。達(dá)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(xiàn)標(biāo)識(shí)符都會(huì)報(bào)告給配對(duì)節(jié)點(diǎn)。

如果兩個(gè)STA都有足夠的發(fā)射天線(xiàn)增益，它們的 SLS 階段就可以實(shí)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(gè) BRP。天線(xiàn)陣子較少的設(shè)備必須在接收端增加天線(xiàn)增益，以獲得足夠的鏈路預(yù)算來(lái)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(duì) SLS 階段發(fā)現(xiàn)的扇區(qū)進(jìn)行細(xì)化。這些扇區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量不佳的情況。此外，對(duì)于相控天線(xiàn)陣列，BRP 還可預(yù)判天線(xiàn)權(quán)重向量的優(yōu)化。BRP 有多種可選的波束細(xì)化機(jī)制，在這個(gè)迭代機(jī)制中，發(fā)起者和響應(yīng)者都可以請(qǐng)求對(duì)接收或發(fā)射天線(xiàn)模式進(jìn)行訓(xùn)練。BRP 可在同一幀中測(cè)試不同的天線(xiàn)配置。與 SLS 相比，這大大減少了傳輸開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)?SLS 需要整個(gè)幀來(lái)測(cè)試一個(gè)扇區(qū)。為了在整個(gè)幀中掃描天線(xiàn)配置，在 BRP 交易期間交換的幀中會(huì)附加發(fā)送和接收訓(xùn)練字段 (TRN-T/R)。每個(gè)字段都與要測(cè)試信號(hào)質(zhì)量的天線(xiàn)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(xiàn)配置進(jìn)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