波束成形(BF)的两个阶段

北京多年未见的大雪让牛哥异常兴奋，练习了这首Snowdreams钢琴版，一年前上传过的单簧管版本，今天又翻出来听了一下：一起来学5G终端射频标准（EVM究竟如何算）。牛妈说：单簧管版本更有意境，跟原曲配合很和谐。牛哥说：那是因为原曲中有双簧管。

今天我们继续学习DMG中的“D”，Directional在11ad中是如何实现的呢？主要归功于精心设计的波束训练协议。

01—概述

我们在前面学习过，60GHz毫米波频段的通信特性与传统 2.4/5 GHz Wi-Fi 频率不同。因此，IEEE 802.11ad 必须因频段变化而做出相应的考虑。DMG中的D（Directional）是指定向传输，它是针对11ad的一个很重要的设计。与传统Wi-Fi信号的全向传播不同，11ad需要使用高增益窄波束赋形，使信号聚焦，具有很强的方向性，来应对传输损耗的增加。

具体如何实现呢？我们很容易想到方向性和增益极好的相控天线阵列，通过预计算天线加权向量或配备多个定向天线阵子的系统来实现。如下图所示：

60GHz的波长为5mm，典型的天线阵子间隔为2.5mm，可使天线外形尺寸大大小于 2.4/5 GHz 传统 Wi-Fi 的天线外形尺寸。下图是某11ad射频+天线模块的实物图，尺寸大约为17mm×8mm。

此外，如下图所示，DMG采用的是天线扇区扫描的方式。图中显示了两个节点通过虚拟扇区通信的示例：在没有障碍物阻挡的情况下，选择与 LOS 方向一致的扇区可提供最佳链路质量。由于某扇区汇集了某方向的天线增益，因此，必须将接收和发送扇区的最佳配对达成一致，来优化信号质量和吞吐量。这一过程被称为波束成形训练（beamforming training）。注意它们跟5G中的Massive MIMO并不同，而是每次只使用一个天线阵列。

不同的设备类别有不同的天线阵列数量，比如手持设备，可以配备低复杂度天线（1-4个天线阵子），而有持续电源供电的设备可以配备多个天线阵列。下表显示了几类设备的典型配置。列出了与距离范围和吞吐量相关的扇区数、接收和发射方向的差异，以及每类设备的特殊流量特性。此外，还给出了每个设备类别的预期天线阵列数量。多组相位天线阵列可实现所有方向的高增益覆盖。

一般来说，天线增益越高越好，但这会带来更强的方向性和更多的窄天线扇区，也同时增加了通信节点之间调整天线转向的开销，而且链路因错位造成的损失会随着方向性的增加而增加。所以在通信中往往都是这样，很多的Trade off（折中）。高定向传输特性，虽然说大大减少了波束方向以外的干扰，并且使得同一频段的空间重复使用成为可能，显著提高系统的整体吞吐量。但高度定向的传输所带来的缺点是对常见的 Wi-Fi MAC 机制有阻碍作用。定向传输模式会阻止设备被动地监听正在进行的传输，从而导致信道接入期间发生额外的碰撞。此外，发射或接收天线模式不对齐也可能会导致丢帧和吞吐量的降低。

所以当配对设备的方向未知时（如在beamforming训练期间），DMG STA仍需要准全向天线模式（quasi-omni antenna pattern），为什么是“准”？因为要实现真正的全向毫米波天线模式并不现实，天线附近的设备元件对信号的阻挡和偏差比传统 Wi-Fi 频率的影响要大得多。毫米波频段的衰减增加，导致使用准全向天线模式时传输距离和吞吐量严重下降。因此，至少要在链路的一侧增加定向天线增益，以达到足够的通信距离。通常情况下，准全向天线配置用于接收端。DMG STA要求准全向天线的主波束天线增益最多应比定向的主波束天线增益低 15 dB。

02—BF的两个阶段

11ad的波束成形（BF）是一对 STA 为实现后续通信所需的 DMG 链路而使用的一种机制。波束成形训练是波束成形帧传输的双向序列，它使用扇区扫描并提供必要的信令，使每个 STA 都能确定用于传输和接收的适当天线系统设置。成功完成 BF 训练后，BF 即可建立。BF 帧是 SSW 帧、DMG 信标帧、SSW-反馈帧、SSW-应答帧或 BRP 帧。下图举例说明波束成形训练过程。

由上图可知，BF分为两个阶段：SLS和BRP。

SLS：Sector level sweep，扇区扫描；

BRP：Beam refinement protocol，波束细化协议。

首先，在扇区扫描（SLS）期间，确定初始粗粒度天线扇区配置。其次，这一信息将用于随后的可选波束细化阶段（BRP），对所选扇区进行微调（细化），具体来说就是评估与预定扇形模式不同的天线权重向量，来优化相控天线阵列的传输。在 SLS 期间，两个站点中的每个站点都会训练其发射天线扇区或接收天线扇区。当设备具有合理的发射天线增益时，最常见的选择是在 SLS 期间只训练发射扇区，并在随后的 BRP 期间得出接收天线配置。在链路两端完全细化发射和接收扇区后，可在 10 米范围内达到数Gbps的速度。

关于波束成形具体的实施可以有多种可选方案。以下我们仅介绍一般性的方法。SLS 期间，一对STA通过不同的天线扇区交换一系列扇区扫描（SSW：sector sweep）帧，以找到提供最高信号质量的扇区。在 SLS 期间，每个STA分别充当一次扫描的发射机和接收机。首先发射信号的STA称为发射机，其次发射信号的STA称为接收机。在发送扇区扫描期间，帧在不同的扇区上发送，而配对节点以准单向模式接收。为了识别最强的发射扇区，发射机会在每个帧上标记所用天线和扇区的标识符。在接收扇区扫描期间，在同一扇区上进行传输，可测试配对节点的最佳接收扇区。达到的最佳信噪比，以及在发送扇区扫描的情况，扇区和天线标识符都会报告给配对节点。

如果两个STA都有足够的发射天线增益，它们的 SLS 阶段就可以实现纯发射扇区训练，而接收扇区训练则推迟到下一个 BRP。天线阵子较少的设备必须在接收端增加天线增益，以获得足够的链路预算来建立链路。因此，这些设备很可能在其 SLS 部分中包含接收扇区扫描。

波束细化协议BRP对 SLS 阶段发现的扇区进行细化。这些扇区可能会出现信号质量不佳的情况。此外，对于相控天线阵列，BRP 还可预判天线权重向量的优化。BRP 有多种可选的波束细化机制，在这个迭代机制中，发起者和响应者都可以请求对接收或发射天线模式进行训练。BRP 可在同一帧中测试不同的天线配置。与 SLS 相比，这大大减少了传输开销，因为 SLS 需要整个帧来测试一个扇区。为了在整个帧中扫描天线配置，在 BRP 交易期间交换的帧中会附加发送和接收训练字段 (TRN-T/R)。每个字段都与要测试信号质量的天线配置一起发送或接收。帧的其余部分使用已知的最佳天线配置进行发送和接收。与 SLS 相同，BRP 的反馈形式为最佳发现配置的信噪比（SNR）和最佳配置 ID。

审核编辑：汤梓红