芯耀
86
今天我們繼續(xù)學習DMG中的“D”，Directional在11ad中是如何實現(xiàn)的呢？主要歸功于精心設計的波束訓練協(xié)議。
01—概述
我們在前面學習過，60GHz毫米波頻段的通信特性與傳統(tǒng) 2.4/5 GHz Wi-Fi 頻率不同。因此，IEEE 802.11ad 必須因頻段變化而做出相應的考慮。DMG中的D（Directional）是指定向傳輸，它是針對11ad的一個很重要的設計。與傳統(tǒng)?Wi-Fi?信號的全向傳播不同，11ad需要使用高增益窄波束賦形，使信號聚焦，具有很強的方向性，來應對傳輸損耗的增加。
具體如何實現(xiàn)呢？我們很容易想到方向性和增益極好的相控天線陣列，通過預計算天線加權(quán)向量或配備多個定向天線陣子的系統(tǒng)來實現(xiàn)。如下圖所示：
60GHz的波長為5mm，典型的天線陣子間隔為2.5mm，可使天線外形尺寸大大小于 2.4/5 GHz 傳統(tǒng) Wi-Fi 的天線外形尺寸。下圖是某11ad射頻+天線模塊的實物圖，尺寸大約為17mm×8mm。
此外，如下圖所示，DMG采用的是天線扇區(qū)掃描的方式。圖中顯示了兩個節(jié)點通過虛擬扇區(qū)通信的示例：在沒有障礙物阻擋的情況下，選擇與 LOS 方向一致的扇區(qū)可提供最佳鏈路質(zhì)量。由于某扇區(qū)匯集了某方向的天線增益，因此，必須將接收和發(fā)送扇區(qū)的最佳配對達成一致，來優(yōu)化信號質(zhì)量和吞吐量。這一過程被稱為波束成形訓練（beamforming training）。注意它們跟5G中的Massive MIMO并不同，而是每次只使用一個天線陣列。
不同的設備類別有不同的天線陣列數(shù)量，比如手持設備，可以配備低復雜度天線（1-4個天線陣子），而有持續(xù)電源供電的設備可以配備多個天線陣列。下表顯示了幾類設備的典型配置。列出了與距離范圍和吞吐量相關的扇區(qū)數(shù)、接收和發(fā)射方向的差異，以及每類設備的特殊流量特性。此外，還給出了每個設備類別的預期天線陣列數(shù)量。多組相位天線陣列可實現(xiàn)所有方向的高增益覆蓋。
一般來說，天線增益越高越好，但這會帶來更強的方向性和更多的窄天線扇區(qū)，也同時增加了通信節(jié)點之間調(diào)整天線轉(zhuǎn)向的開銷，而且鏈路因錯位造成的損失會隨著方向性的增加而增加。所以在通信中往往都是這樣，很多的Trade off（折中）。高定向傳輸特性，雖然說大大減少了波束方向以外的干擾，并且使得同一頻段的空間重復使用成為可能，顯著提高系統(tǒng)的整體吞吐量。但高度定向的傳輸所帶來的缺點是對常見的 Wi-Fi MAC 機制有阻礙作用。定向傳輸模式會阻止設備被動地監(jiān)聽正在進行的傳輸，從而導致信道接入期間發(fā)生額外的碰撞。此外，發(fā)射或接收天線模式不對齊也可能會導致丟幀和吞吐量的降低。
所以當配對設備的方向未知時（如在beamforming訓練期間），DMG STA仍需要準全向天線模式（quasi-omni antenna pattern），為什么是“準”？因為要實現(xiàn)真正的全向毫米波天線模式并不現(xiàn)實，天線附近的設備元件對信號的阻擋和偏差比傳統(tǒng) Wi-Fi 頻率的影響要大得多。毫米波頻段的衰減增加，導致使用準全向天線模式時傳輸距離和吞吐量嚴重下降。因此，至少要在鏈路的一側(cè)增加定向天線增益，以達到足夠的通信距離。通常情況下，準全向天線配置用于接收端。DMG STA?要求準全向天線的主波束天線增益最多應比定向的主波束天線增益低 15 dB。
02、BF的兩個階段
11ad的波束成形（BF）是一對 STA 為實現(xiàn)后續(xù)通信所需的 DMG 鏈路而使用的一種機制。波束成形訓練是波束成形幀傳輸?shù)碾p向序列，它使用扇區(qū)掃描并提供必要的信令，使每個 STA 都能確定用于傳輸和接收的適當天線系統(tǒng)設置。成功完成 BF 訓練后，BF 即可建立。BF 幀是 SSW 幀、DMG 信標幀、SSW-反饋幀、SSW-應答幀或 BRP 幀。下圖舉例說明波束成形訓練過程。
由上圖可知，BF分為兩個階段：SLS和BRP。
SLS：Sector level sweep，扇區(qū)掃描；
BRP：Beam refinement protocol，波束細化協(xié)議。
首先，在扇區(qū)掃描（SLS）期間，確定初始粗粒度天線扇區(qū)配置。其次，這一信息將用于隨后的可選波束細化階段（BRP），對所選扇區(qū)進行微調(diào)（細化），具體來說就是評估與預定扇形模式不同的天線權(quán)重向量，來優(yōu)化相控天線陣列的傳輸。在 SLS 期間，兩個站點中的每個站點都會訓練其發(fā)射天線扇區(qū)或接收天線扇區(qū)。當設備具有合理的發(fā)射天線增益時，最常見的選擇是在 SLS 期間只訓練發(fā)射扇區(qū)，并在隨后的 BRP 期間得出接收天線配置。在鏈路兩端完全細化發(fā)射和接收扇區(qū)后，可在 10 米范圍內(nèi)達到數(shù)Gbps的速度。
關于波束成形具體的實施可以有多種可選方案。以下我們僅介紹一般性的方法。SLS 期間，一對STA通過不同的天線扇區(qū)交換一系列扇區(qū)掃描（SSW：sector sweep）幀，以找到提供最高信號質(zhì)量的扇區(qū)。在 SLS 期間，每個STA分別充當一次掃描的發(fā)射機和接收機。首先發(fā)射信號的STA稱為發(fā)射機，其次發(fā)射信號的STA稱為接收機。在發(fā)送扇區(qū)掃描期間，幀在不同的扇區(qū)上發(fā)送，而配對節(jié)點以準單向模式接收。為了識別最強的發(fā)射扇區(qū)，發(fā)射機會在每個幀上標記所用天線和扇區(qū)的標識符。在接收扇區(qū)掃描期間，在同一扇區(qū)上進行傳輸，可測試配對節(jié)點的最佳接收扇區(qū)。達到的最佳信噪比，以及在發(fā)送扇區(qū)掃描的情況，扇區(qū)和天線標識符都會報告給配對節(jié)點。
如果兩個STA都有足夠的發(fā)射天線增益，它們的 SLS 階段就可以實現(xiàn)純發(fā)射扇區(qū)訓練，而接收扇區(qū)訓練則推遲到下一個 BRP。天線陣子較少的設備必須在接收端增加天線增益，以獲得足夠的鏈路預算來建立鏈路。因此，這些設備很可能在其 SLS 部分中包含接收扇區(qū)掃描。
波束細化協(xié)議BRP對 SLS 階段發(fā)現(xiàn)的扇區(qū)進行細化。這些扇區(qū)可能會出現(xiàn)信號質(zhì)量不佳的情況。此外，對于相控天線陣列，BRP 還可預判天線權(quán)重向量的優(yōu)化。BRP 有多種可選的波束細化機制，在這個迭代機制中，發(fā)起者和響應者都可以請求對接收或發(fā)射天線模式進行訓練。BRP 可在同一幀中測試不同的天線配置。與 SLS 相比，這大大減少了傳輸開銷，因為 SLS 需要整個幀來測試一個扇區(qū)。為了在整個幀中掃描天線配置，在 BRP 交易期間交換的幀中會附加發(fā)送和接收訓練字段 (TRN-T/R)。每個字段都與要測試信號質(zhì)量的天線配置一起發(fā)送或接收。幀的其余部分使用已知的最佳天線配置進行發(fā)送和接收。與 SLS 相同，BRP 的反饋形式為最佳發(fā)現(xiàn)配置的信噪比（SNR）和最佳配置 ID。
