详解智能天线技术

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。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 Beamforming/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）。

图1 2个弱波谷和1个强波峰叠加出较差结果

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

图3 TxBF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“On-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)。

图4 天线阵列中的不同天线具有不同的定向性

1.3  硬件智能天线方式相对于芯片方式的优势

1、芯片方式会产生额外的干扰，如图3中的由全向天线的TxBF形成的辐射图所示，通过对全向天线调节相位难以形成单独的指向STA的信号，可能会对其它的方向形成干扰，并且会浪费能量；
2、芯片方式需要STA的支持，现有的无线网卡基本都无法支持；
3、芯片方式有额外的吞吐量开销，芯片方式中AP和STA经常需要进行低速率的获取信道信息的报文的交互，会影响整体的吞吐量。