【精选】802.11ac/ax (wifi6)中的Beamforming技术介绍

基础 Beamforming即波束成形，是一种让信号能量集中在一个方向上传输的技术。它对传统wifi主要有2点提升：

天线信号增强，改善传输速度和信号范围。 空间上的冲突域隔离，提升网络的整体吞吐量。 信号增强作用 由于能量集中在一个方向上，相同的tx power的情况下可以打得更远。在同样的位置上，接收方可以获得更高的增益，因而，可以维持在更高的data rate上。下图说明了station与ap之间的距离与data rate的关系，采用beamforming技术在接收端可以获得额外2.5dB增益。同样以MCS9的data rate传输时，采用beamforming技术后的信号打得更远。往同一位置发送信号时，采用beamforming技术时可以站更高的rate上。这个现象在中距离时表现最明显，如下图，传统技术只能站在MCS5的档位，而beamforming技术仍可以轻松站在MCS7上。

传输过程 采用波束成形发送数据的设备叫Beamformer，相应的接收方叫Beamformee。

想要将信号对着Beamformee发送，首先需要知道Beamformee的方位，这个就是由Channel calibration完成。Beaformer发送NDP给Beamformee，Beamformee在各天线收到各子载波的信号，且将结果汇整生成Feedback Matrix（反馈矩阵），发送给Beamformer。Beaformer根据Feedback Matrix，推导出Steer Matrix（引导矩阵），从而获得Beamformee的方向。 确认方向以后，Beamformer通过改变天线组中不同天线的相位，引导信号向Beamformee的方向发射，在这个方向上信号会叠加而增强，而其他方向信号很弱。 Beamformee收到数据以后，进行Ack。

802.11ac的Null Data Packet(NDP) Beamforming Beamforming技术最早由802.11n提出。它定义了多种方法，实现复杂，而且station与ap双方同时支持某一种方法时才能使用。所以，好多厂商因为成本考虑，没有在产品中实现这个功能。为了不让悲剧重演，802.11ac将方法精减到一种，叫做Null Data Packet(NDP) sounding，极大的简化了产品的实现成本。同时提出了MU-MIMO技术，它允许ap同时给多个station同时发送数据，进一步优化全网的吞吐量。

Null Data Packet(NDP) sounding Single User(SU)-Beamforming NDP Announcement是控制帧，这一帧是全向发射，用于向全网通知下面要进行Beanforming的信道测量了，大家不要发包，保持安静。SIFS表示这个过程不会被打断。 NDP不是我们熟悉null data 包，这个NDP没有802.11的mac头，它只有物理层的头，没有数据部分。它被Beemformee用来计算生成Feedback Matrix。 Compressed Beamforming是action帧。它包含了对NDP的测量结果，用于Beamformer计算Steer Matrix。因为数据量大所以需要压缩传输。数据量的大小与双方的天线数，传输的bandwith有关。

Single User(SU)-Beamforming 帧格式 NDP Announcement 格式

NDP 格式

Compressed Beamforming格式

Muti-User(MU)-Beamforming 多用户的情况大概与单用户相同，也是以NDP Anouncement开始，抢到信道以后，后面都是以SIFS间隔进行通信，保证整个过程不会被打断。当各Beamformee(下图中的Beamformer1~3应该为Beamformee 1~3)收到NDP后，依次回报Compressed Beamforming。Beamformer会用Beamforming Report Poll（控制帧）来轮循每个Beamformee。

Muti-User(MU)-Beamforming帧格式 NDP Announcement 格式

Beamforming Report Poll frame

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