利用5G Wi-Fi波束成形和LDPC技术提高无线连接性能

具备Wi-Fi功能的设备无处不在。研究人员预测，截至2020年，全球无线互联设备数量将升至500亿台。因此，消费者不仅希望能在计算机、平板电脑、智能手机、电视和游戏机等不同设备上欣赏到丰富的多媒体内容，还希望能够提高设备的运行速度、可靠性以及电源效率。幸运的是，802.11ac标准，或第五代Wi-Fi（5G Wi-Fi）技术已应运而生，作为下一步发展的关键，其能够帮助无线通信行业满足上述需求。

与之前的Wi-Fi技术相比，5G Wi-Fi在传输千兆吞吐量方面，运行速度更快、效率更高。同时，其在5 GHz带宽上运行时，与相同带宽上的其他802.11技术一样支持向后兼容。此外，通过诸如传输（Tx）波束成形和低密度奇偶校验检查（LDPC）等技术组合，它还有望解决“有限的覆盖范围和连接速度（例如：速率）”等越来越困扰Wi-Fi的难题。

为了更好地理解这一难题，我们以家庭环境中典型的WLAN设置为例，其通过无线路由器连接不同的设备（如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、打印机和电视等）。由于家中的楼层和墙壁也可能构成连接场景里的一部分，不是家庭中的所有位置都能实现最佳的连接效果。大多数消费者凭直觉采取行动去改善连接状况，例如，将房门打开以提高安装在家庭活动室中WLAN 接入点（AP）的信号效果。由于频繁地改变家中的AP位置并不现实，我们需要采取其他方法来改善连接效果。

5G Wi-Fi采用了两种可选技术，通过提高限定范围内的速率或吞吐能力来加速连接性能。其中，最有效的方法就是波束成形技术，这是一种非专利技术，能够应用于多种设备，并可将无线连接性能提升2-3倍。波束成形技术能控制射频能量的方向，将其引向打算要接收信号的接收器，从而提高无线连接性能（图1）。这种技术甚至还能让无线信号绕过墙角或穿过墙壁，从而消除Wi-Fi网络的盲点。


图1.借助802.11ac（和802.11n）波束成形技术，无论周边有多少设备，集线器或AP都能让无线信号直接传向需要信号的设备。与此形成对比的是，传统Wi-Fi技术只能在设定区域辐射无线信号，而该区域内的任何设备都能接收该信号。

LDPC是一种正向纠错编码体系，常用于确保编码可靠性并提高编码增益。该方法于1960年代早期发明问世，能在背景噪声较大、数据容易出现损坏的频率中传输信息。利用该方法，我们能大幅减少噪声通道中信息传输丢失的几率，从而确保传输高效可靠的信息，同时也能渐进地提高更大范围内的传输速率。

当波束成形和LDPC技术结合使用时，相对于802.11ac的256 QAM标准而言，其能够提高整体的无线覆盖范围和速率并扩大其连接范围。事实上，增益提升能达6到8 dBm，带宽提升扩展范围高达3倍（图2）。此外，除了可选用连续的160 MHz通道或非连续的80+80 MHz通道之外，5G Wi-Fi还支持80-MHz通道，这就意味着将有更多的高速线路来支持增加的流量。换言之，5G Wi-Fi只需在80-MHz通道上使用160-MHz频率，就能将带宽提高高达4倍。这些做法确实能大幅提高性能，那么这对终端用户有什么实际价值呢？


图2. LDPC和波束成形技术相互配合，能大幅提高接收器的吞吐能力和灵敏度。

为了回答这个问题，我们不妨设想这样一个典型的企业场景。例如，办公空间位于不同楼层，且有办公室和小隔间等不同的办公空间（图3）。办公设施周边设置一个5G Wi-Fi 3x3 WLAN AP和几个5G Wi-Fi站点，为员工提供无线连接服务。我们利用与AP的不同距离来检测是否使用波束成形技术时的吞吐量。距离为10米和20米时，无论是否使用波束成形技术，吞吐能力均保持不变；距离为30米和40米时，我们明显能看到使用波束成形技术提高了吞吐量；不过，波束成形技术最大的效果是当距离达到50米时，这时使用波束成形技术能将吞吐能力提高到157 Mbps，而不使用波束成形技术就只有87 Mbps，也就是说吞吐能力由此提升高达80%。如果再配合使用LDPC技术，那么还能进一步提高吞吐量。


图3.5G Wi-Fi波束成形技术能针对指定客户端或设备提高连接范围和数据速率。在本例中，该技术能将吞吐量提升高达80%。

消费者对更多连接设备和数据的需求无穷无尽，而企业网络则必须努力满足更大密度的用户需求，同时改进用户体验，因此波束成形和LDPC等高级技术如今变得更加至关重要。通过大幅提高无线连接性能，我们能为传统Wi-Fi技术向5G Wi-Fi技术转型铺平道路，并为满足未来不断增长的需求做好准备。