802.11n:智能天线将带给MIMO一片光明

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作者：迈克尔·卡思勒
 
即使作为无线网络标准，802.11n也已经延迟了很久，更不用说在看到802.11n将在吞吐量、安全性和可靠性方面将可以实现取代现有有线网络的广告时间。无线网络技术取代有线，这意味着802.11n标准的射频技术需要坚如磐石，就像以太网电缆一样面对不断变化的环境条件。

起初我觉得这是完全有可能的。但是我现在不敢肯定，802.11n标准的新射频技术对于满足真实世界的所有要求是不是足够的。我将解释，什么才是802.11n技术达到坚如磐石的目的必须克服的难题。首先，以太网电缆只要通过象铜一类的传导材料就可以了，而无线网络则需要经过各种介质和环境，并且可能受到下列参数的影响：

·接收信号强度是依赖于发射机和接收机之间的距离。在传播路径上存在吸收或者散射射频信号的情况的话，就会影响信号的强度。最后，接收信号强度必须在一定程度上超过接收机的噪声，否则，信号将无法处理。

·波段射频干扰有两种类型。第一种是非802.11标准的射频设备，象无绳电话或微波，出现在无线网络的频带中。第二种是来自其它无线网络的合用或者相邻频道的干扰。这两种类型的干扰，如果非常强烈的话将发出足够的射频噪音，使其难以或无法接收区分干扰和真正的数据传输。

·波段外射频干扰是大多数人没有注意到的。这种干扰来自和射频发射机无关的设备。任何电磁（荧光灯）或热（闪电）辐射都有可能破坏两台无线设备之间的联系。

·射频信号遭遇到接收天线附近的物体时就可能发生多径干扰或衰减。这些物体可以反射或折射原来的射频信号，导致不同的时间和相位特性的产生。当原来的射频信号到达目的天线的时间，接收器通常很难弄清楚什么是什么。关于这个问题的详细情况，可以阅读我的文章“什么是多径环境，以及它们如何影响无线网络的传播”。

很多人认为，前面提到的几种类型的干扰在有线和无线网络都存在。我同意这个观点，除了多径干扰或衰减是是独特的射频传播外。关于电子或光子的障碍活动是另外一个话题。但现实情况是，与有线网络相比，无线网络更容易受到干扰。

为了满足传输控制协议/网间协议TCP/IP的无差错数据传输需要，信号的质量需要得到保障。大量的错误，将会导致802.11设备的数据吞吐量和网络效率下降。感谢Ruckus无线提供的图表，它生动的反映出干扰所造成的影响。

前802.11n标准解决方案

802.11n标准之前有各种不同的方法，可以减少干扰所造成的影响。我写了一篇文章，“如何达到最好的802.11多径环境”，主要对不同的解决方案进行了介绍。

现在我们回到射频信号和接收天线，并进入下一个话题。802.11n标准采用了基于多输入多输出系统的射频技术、天线多样性和空间复用等技术，以协助处理上面提到的挑战。我想抽出几分钟时间解释，多输入多输出系统本身并不是问题的答案。

多输入多输出系统(MIMO)：触角差异技术

触角差异并不是新的无线技术。它刚刚成为802.11n标准的组成部分。维基百科对触角差异技术进行了详细的解释。

·“触角差异技术可以有效的缓解多径情况。因为多天线接收器可以接受同样的信号，每个天线会根据不同的干扰环境进行调整。因此，当一个天线无法接受的时间，另一个可能有良好的信号。这样的系统可以提供稳定的连接，也可以保证传输的稳定性。”

触角差异技术可以对收到的信号进行选择性组合。当多天线传输设备使用相同的天线接受到信号的时间，可以选择最符合的比例。下面的图表显示了两种不同的方法。

多输入多输出系统：空间复用技术

如果你记得我刚才说的，射频信号会因为遇到多径环境而改变。那么，空间复用就是802.11n接收设备能够区分不同射频信号的唯一途径。在Ruckus无线提供的图表，可以将这个进程形象地表现出来。正如你可以看到，在第一幅图中，类似的信号，足以让人们难以区分，而第二幅图中，就成为了两个不相关的信号。

如果一切工作正常，一台802.11n标准的设备可以使用空间复用技术利用N （等于天线的数量）个天线传输将一个数据流。至少使用至少N个天线接收的802.11n设备将会收到数据流。该连结的总吞吐能力是平等的，单个数据吞吐量的情况，由天线的数量决定。如果你还有兴趣的话，可以阅读这篇文章，“802.11n标准、多输入多输出技术和多径环境”。

多输入多输出系统：收到或者丢失

这样，我们可以很容易地看到，如何通过触角差异和空间复用技术改善无线网络的吞吐量和可靠性。我所关注的是在真实环境中，将会发生什么样的变化。举例来说，如果一个射频信号没有足够的强度，接收机即使使用空间复用也将无法从噪音里将它区分出来。另一个例子，涉及到触角差异技术。使用相同的天线，是不是就可以达到最好的接受效果？在我看来，很难确定。如果要与有线网络竞争的话，802.11n标准的网络需要更智能，并且减少对射频环境的依赖。

智能天线和波束形成

在了解了所有的背景资料后，我们开始进入智能天线技术的话题。智能天线技术这个名称是不恰当的，因为在智能信号调整发生之前，射频信号到达了一套合适的天线。波束形成是一个很强大的技术。下面的定义来自华盛顿大学的网站。它是我见过的对波束形成最好的解释。该网站甚至还提供了互动模式，以帮助对技术进行解释。

·“波束形成是一个通用的信号处理技术，可用来控制的方向性接收或利用一个传感器阵列传送一个信号。

·利用波束形成技术，可以在选定的角方向从一组传感器（如音频扬声器或无线电天线）传送大部分信号能量。也可以从一个选择的角方向校准组传感器，并接收信号。”

波束形成技术不是新兴技术，它已经在雷达和声纳系统中应用了很多年。最近，在电信和无线网络的领域成为热点。Ruckus无线就是这样一个公司，拥有在波束形成技术方面大量的研究成果。他们也提供了采用波束形成技术的相关产品。BeamFlex智能天线技术就是他们的成果之一。下面的说明来自Ruckus无线的技术报告：

·“BeamFlex核心是一套灵活的天线系统，由多根高增益、方向性的天线元件实时组合起来，从而在多样化规则上提供指数级的增长。拥有N根高增益的方向性天线元件，一台BeamFlex天线阵列就可以提供2N-1种独特的发射方式，以最大化发射距离和覆盖范围。

·一套由低成本、软件控制的多样化电路组合，让BeamFlex可以实时的配置天线阵列。BeamFlex的输出系统软件定时了解环境——射频情况、通讯设备、网络性能以及应用流——并为每一台通讯设备选择最合适的天线阵列。

·通过基于每一个数据包而对天线进行重新配置的能力，传输控制模块能够选择一条高质量的信号路径，并为每一台接收设备选择最佳化的数据传输速率。

·BeamFlex会将能量导向去往接收设备的最佳路径进行传播。此外，不像固定位置的定向天线，BeamFlex会为每一个位置，每个包动态配置其“beam”，实现室内全方位的覆盖。BeamFlex软件接口连接802.11的MAC层，并兼容于标准802.11芯片组。除了主处理器，它还增加了最小化CPU负载以及内存优化利用。”

在我对智能天线和波束形成技术的研究中，Ruckus无线的技术显示出了非常大的优势。它有可能减轻我对多输入多输出系统和空间复用技术的可靠性的怀疑。个人觉得它存在下面的优势：

·BeamFlex包含了一个小型的天线阵列，可以适应任意标准的802.11a/b/g/n芯片组，由多重天线元件组成，可以形成大量的独特天线格式，和输出系统软件一起，可以根据每个通讯的设备，持续学习并实时选择最适宜的天线形式。

·除了提供大量的多级路径选择，天线架构的接合优化，以及基于实时的传输策略外，BeamFlex所具有的多级智能允许其实现最大程度的信号覆盖、吞吐量、网络容量，以确保并发或者瞬发的带宽需求，从而保证类似视频或者在线游戏这样的实时应用。

·回避干扰算法使BeamFlex软件能确定干扰来源的方向，例如附近的网络、微波炉或附近的蓝牙装置。与之对应，BeamFlex能选择相应的天线形式，引导能量远离干扰方向；从而减轻干扰对接收站的影响。

下面的图表显示了Ruckus无线目前可以提供的设备，它们包含了上面说到的所有功能。

我更感兴趣的是beamflex天线和802.11g技术之间的共生关系，以便同时实现双方的最佳效果。下面是Ruckus无线在这方面的工作情况。

最后的思考

对于802.11n将成为一个改变大家对于数据网络看法的突破性技术，我十分乐观。802.11n标准的触角差异和空间复用技术将给无线网络的性能带来非常大的改善。我担心的是如果没有Ruckus无线提供的这类型的技术，射频信号的问题将很难处理。