无线通信中的空间滤波（波束成形）

波束成形是一种策略，它使得无线信号能够集中指向某个特定的接收设备，而不是像传统方式那样让无线电波向各个方向传播。这样一来，连接速度更快，稳定性也更高。如今，波束成形技术对于刚刚开始发展的5G网络来说至关重要。

波束成形技术能够确保Wi-Fi信号的传输速度更快、稳定性更高，同时还能让信号覆盖范围更广。路由器会尽力以最适合该设备的模式来传输数据，而不仅仅是向各个方向发送信号。因此，波束成形技术的效果就是：获得更优质的Wi-Fi信号，同时也能为设备提供更好的信号接收能力。

传统系统的存在的问题以及采用波束成形技术可以解决的这些问题：
当接入点天线向一组用户发送信号时，它会形成一个特定形状的波束来覆盖这些用户。这个波束的形状取决于接入点天线在各个方向上的增益大小。增益越高，波束在该方向上的覆盖范围就越广。 信号能量以这种形式从接入点传输到天线。所有位于该区域内的用户都能接收到来自接入点天线的信号能量。这些用户通过窄波束向接入点发送信号。当接入点天线接收来自用户的信号时，它会在与发送信号时相同的波束范围内进行信号接收。当用户的信号与接入点的信号发生重叠时，接入点就能感知到用户的信号。这意味着，与接入点和用户处于同一频率下的信号可能会相互干扰，从而导致数据丢失。

上行链路波束成形这样可以减少干扰或数据丢失的情况。因为接入点发出的光束是窄范围的，其增益在特定方向上非常高，而传统系统使用的是宽角度的光束。这种窄范围的光束会指向用户接入点，从而接收来自该点的数据。同时，由于接入点发出的光束的增益较低，所以能够减少来自其他用户的干扰信号。因为接入点希望接收其他用户的信号，所以它发出的光束也是朝着目标用户的方向，从而进一步减少来自其他用户的干扰。

下行链路波束成形这种解决方案可以解决传统系统中的另一个问题：当接入点天线的信号能量覆盖的范围很广时，天线能够产生的总信号能量会被分散到那个范围内。然而，当接入点天线向某个用户发送信号时，将信号能量集中到一个更窄的波束中，就能为该用户提供更高的信号强度。这与上行链路波束成形技术类似。接入点天线会形成一个指向目标用户的窄波束，然后通过这个波束来向用户传输数据。这样，就能为用户提供更高的信号强度，从而提升网络性能。因为与传统系统中宽波束相比，信号能量被更集中地传递给了用户。 通过上行链路和下行链路的波束成形技术，无线系统能够显著提升抗干扰能力以及系统增益。而实现这一效果所需的改动仅涉及接入点天线的调整而已。

就802.11ac标准而言，这个问题已经得到了解决。 为了实现波束成形功能，需要遵循一定的标准流程。任何能够支持波束成形的802.11ac设备，都可以与这些标准流程兼容。 基本上，像路由器和平板电脑这样的802.11ac设备之间可以互相通信，并且能够共享关于彼此位置的信息。 波束成形是802.11ac Wi-Fi标准中的一个基本功能。 无论如何，并非所有的802.11ac设备都需要具备波束成形功能。 因为你的设备支持802.11ac标准，但这并不意味着它就一定具备波束成形功能。 不过，如果某种设备是进行波束成形处理的工具的话，那么它就会以标准化的方式来执行这一功能。

空间滤波可以大致分为以下几种类型：

显式波束成形：显式空间滤波是一种信号处理策略，它被用于传感器阵列中，以接收或发送特定方向上的信号。这种处理方式是通过将天线的各个组件组合在一起来实现的，这样，某些位置的信号能够顺利传输，而另一些位置则会被干扰。波束成形技术可以在发送和接收端都应用，从而实现空间选择性。

2. 隐式波束成形：通过“隐式空间滤波”技术，无线路由器试图利用波束成形方法来提升信号强度，从而让那些没有使用802.11ac技术的设备也能获得更好的网络体验。原则上来说，那些使用旧版本的802.11n、g和b技术的设备也会得到一定的改善。这种空间滤波技术确实为这些设备带来了一些好处，因为它们能够享受到波束成形的优势。

空间滤波的主要优点：

• 扩大Wi-Fi的覆盖范围，减少信号盲区。
• 为语音通话和高清视频传输提供稳定的无线网络连接。
• 更好的Wi-Fi传输速度
• 减少那些毫无意义的射频干扰
• 通过以特定方式聚焦信号，波束成形技术能够确保向接收方传递更高质量的信号。这反过来又意味着数据传输速度更快，错误率更低——而无需增加广播的功率。这本质上就是远程通信系统所追求的目标，也是大多数改善远程通信方式的目的。
• 此外，由于您不需要在不必要的位置发送信号，因此波束成形技术还可以减少那些试图接收其他信号的用户所面临的干扰问题。

空间滤波的局限性：

• 波束成形的限制通常包括其所需的处理资源。在许多情况下，波束成形计算所需的时间和资源反而会削弱其优势。
• 不过，随着处理器性能和效率的不断提升，波束成形技术已经变得足够成熟，可以将其与消费者组织相关的硬件设备结合起来使用。
• 由于使用了多个天线以及其他硬件系统，因此硬件的复杂性更高。
• 由于硬件资源的增加以及采用了先进的DSP芯片，因此，与不进行波束成形处理的系统相比，波束成形系统的成本更高。
• 由于采用了更多的资源，波束成形系统中的功耗会更高。因此，波束成形系统中的电池续航时间会更快耗尽。