波束成形技术是将信号以一种能量集中和定向方式发送给无线终端的技术，能全面改善无线终端接收的信号质量，并提升吞吐量。
如果要采用波束成形技术， 前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出（MIMO），不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams)， 是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。

一

Beamforming最早是由802.11n引入到802.11协议簇中的，在802.11ac只支持显式反馈的beamforming(Explicit feedback)。

Beamforming会给传输数据带来什么好处呢？从下面的这个例子对比可以有一个直观的印象。

其中空间流1的RMS EVM为4.1%，空间流2的RMS EVM为2.5%。从结果来看使用Beamforming技术对信号传输质量有明显的改善。接下来我将详细介绍这个非常关键和有用的技术。
Beamforming真正能发挥性能优势的情况是发射天线数量超过接收天线的数量以及空间流数目时，在这种情况下空间流可以选择更好的信道来传输，并且在接收侧还可以享受SDM，MRC带来的额外性能增益。

二

关于Beamforming，现在越来越多的走入了实际生活中。最先将Beamforming带入实际生产生活中的应该是802.11n，但当时还是optional，而不是critical，直接导致大部分当时的产品没有上Beamforming技术。如今，技术的发展，Beamforming已经成为4G、5G技术的critical项。Beamforming是基于MIMO天线的一种技术，其区别于xTxR的主要特征为在同一个时间截面中，组成Beamforming阵列的天线上只存在一条数据流，虽然可以通过时分的方式对数据流进行切换。而xTxR会在同一个时间截面中，多条天线上跑的数据流并不相同，其比Beamforming而言，单位时间吞吐速率是十分明显的。

Beamforming技术本质是通过改变发射端不同链路间的相位差，多信号在接收端叠加恢复出原有信号的技术，其可以方便的将能量集中在较小的区域，从而使得较小的能量也能获得较远的传输距离；同时相比于传统的的定向天线，其最大的特点在于其主瓣方向可以通过软件进行调整，无需机械调整。当然基站中甚至会用到可重构天线整列，每个阵元之间既可以组成Beamforming，也可以组成xTxR，方便多用户多角度的定向通讯。

Beamforming给无线通讯带来了更大的想象空间，尤其在mmWave及频率更高的频段，定向传输能量和信息有着无可比拟的优势，降低整机发射功率，为节点实现更长的维护周期。

波束成形技术（Beam Forming，BF）可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向图是固定的，把IS-95中的三个120°扇区分割即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展，将每个120°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。

自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动站的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数。

以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计算处理，给出了复形的指示，客户端方向上的增益得以加强，方向图随之整型，相应方向的传输距离也有所增加。AP如果用4组发射天线4x4三组空间流，便能在多天线得到的增益基础上，获取较大的空间分集增益。

从结构和设置来分，支持802.11n标准的波束成形可分为显性波束成形和隐形波束成形两大类。显性波束成形在AP和客户端均有设置，对增加距离和链路耐用性有很大提高。隐性波束成形的好处是客户端不需要做相应的处理，在设备实现上较为简单，对增加距离和耐用性也有一定帮助。

以显性波束成形的热点为例， 无线局域网信号传输过程是这样开始的：
　　·基站与客户端之间需要不断地周期性握手（发送声信号，信道矩阵反馈）
　　·客户端反馈信道信息给热点
　　·热点根据信道状态信息发送复形数据包给客户端，加强某客户端方向的强度
　　·由此获得空间分集增益 + 发射阵列增益（此与发射天线数量有关）

光束很简单实现，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。这是因为可见光近似沿直线传播，衍射能力很弱。然而，在无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在。由于无线通讯使用的电磁波衍射能力很强，所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型，而必须使用其他方法。无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气，并在接收端由天线接收。因此，电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图（即天线发射的信号在空间不同方向的幅度）来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱（即每个方向的辐射强度都差不多，类似电灯泡），而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线（即瞄准一个方向辐射，类似手电筒）。然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上（想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子）。另外，波束成型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向，而这在手机上显然不可能。因此，实用的波束成型方案使用的是智能天线阵列。

在波束成型中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射／接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射／接收增益都集中在一个方向上（即接收机／发射机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射／接收增益都很小（即减少了对其他接收机的干扰／减小了被其他发射机干扰的机会）。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波，波前到达天线阵列中每个天线的时间（相位）均有所不同。对于每一个天线，我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别，因此在经过该相位延迟后，我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了，从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面，当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时，每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合，因此在加和后幅度并不会变大。这样，天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理，相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现，可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。

三

在Wi-Fi（WiFi）标准中，从Wi-Fi 4（802.11n）开始引入该技术。根据辐射方向图，将WiFi天线分为以下几类：

• 全向定向天线

• 半定向天线

• 定向天线

全向定向WiFi天线在所有方向均等量发射电磁波。半定向天线以特定模式发射无线电波，而定向天线仅在特定方向上发射能量。它们通常用于WiFi路由器和WiFi适配器中。

Wi-Fi为什么要用波束成形？

Wi-Fi标准一直致力于提升无线的传输速率，尤其是从Wi-Fi 4（802.11n）开始引入了MIMO和波束成形技术，让传输速率提升到了数百兆，提升了1个量级。

MIMO技术通过多天线传输，带来传输速率的成倍增长。但在实际应用中STA（无线终端）往往只有1到2个天线，这使得STA发送和接收信号的收益有所差异。STA向AP发送信号时，AP可以利用自己的多天线系统增强接收增益，获得更好的信号强度；AP向STA发送信号时，如果仅使用对应数量的天线发送信号，则无法利用多天线带来的增益。为了解决这一问题，通过引入波束成形技术，可以增强STA接收到的信号强度，从而使AP和STA可以协商出更高的传输速率。

为了充分利用AP的多天线资源，Wi-Fi 5（802.11ac）又引入了MU-MIMO技术，使AP可以同时向多个STA发送信号，有效提升了无线的传输效率。MU-MIMO也需要波束成形技术，波束成形使AP的多天线信号叠加后，让各STA仅收到自己的信号，消除其他STA的信号，避免干扰。Wi-Fi 6（802.11ax）在Wi-Fi 5的技术上进一步增加了MU-MIMO的多用户数量，这些都离不开波束成形技术的使用。

波束成形是如何工作的？

波束成形从字面理解就是塑造波束的形状，那么如何塑造出波束的形状呢？以光束为例，用一个手电筒打出一道光束，光束的形状是固定的。如果在平行方向增加一个手电筒，则会发现两道光束叠加后，光束亮度增加，光束形状发生了改变。如果继续增加手电筒的数量，光束的亮度继续增加，叠加后的光束形状也继续变化。在多个手电筒的情况下，改变手电筒的开关状态或调整发光的强弱，也会影响光束的形状。

对于无线通信，天线就相当于手电筒，无线信号的波束就相当于光束，通过多个天线，控制每个天线发射的信号，就可以改变无线信号的波束形状。

在多天线系统中，如果不同天线传输的信号在到达某一位置时存在两条衰减相等的波束，且两条波束相位相反，就可能会出现空间空洞。波束成形技术可以通过预先补偿发射天线的相位，让两条波束进行叠加以实现信号增强的效果。

波束成形怎么知道该如何调整发射天线的信号呢？这是通过检测信道状态信息CSI（Channel State Information）来获取并计算出调整参数的。按照CSI获取方式的不同，波束成形可以分为显式波束成形（Explicit beamforming）和隐式波束成形（Implicit beamforming）。

显式波束成形

显式波束成形是一种需要STA反馈信道信息的波束成形方式。显式波束成形信道信息的探测和反馈流程如下：

AP向STA发送探测数据（Training Symbol）。在802.11n标准中，AP发送探测数据包括空数据包（NDP）和交错前导码两种方式；802.11ac标准开始则直接使用NDP的方式。
NDP是一种没有数据的空帧，其没有负荷。AP向STA发送NDP探测通告和空数据包，STA收到探测通告和空数据包后进行信道信息反馈。
交错前导码是利用发送的带有负荷的帧实现探测，这个帧会承载一个MAC帧和探测信道。
STA向AP反馈信道信息。
在802.11n标准中，STA的信道信息反馈有三种方式：

CSI方式：STA将原始的信道信息直接发送给AP，由AP计算最终的波束成形权重值。
非压缩波束成形权重值：STA收到探测后，由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP。这种方式会增加系统开销，因此有了压缩波束成形权重值。
压缩波束成形权重值：同样是由STA计算出波束成形权重值后反馈给AP，并且通过一些方法降低了系统开销。
802.11ac标准开始，STA采用压缩波束成形权重值的方式反馈信道信息。

AP根据STA反馈或自己计算的权重信息进行波束成形，多径信号在STA处汇聚，形成增益。

隐式波束成形

隐式波束成形是由Beamformer计算发送方向信道信息的波束成形方式，其利用了时分双工（TDD，Time Division Duplexing）系统的互易性（即认为同频段的上下行的信道状态信息是相等的），将Beamformee反馈的上行接收方向信道信息直接应用于下行发送方向，进行波束成形。由于隐式波束成形具体实现的复杂性，从802.11ac协议开始已经明确不再支持隐式波束成形且业界也基本无厂商实现该方式波束成形，这里我们也不再做更详细的描述。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/112048308
https://zhuanlan.zhihu.com/p/110251527
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