Beamforming

Beamforming là gì?

Công nghệ Beamforming tập trung tín hiệu vô tuyến về phía các thiết bị thu sóng (STA) theo các hướng cụ thể, qua đó cải thiện toàn diện chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) của các STA và tăng thông lượng của STA. Công nghệ này được giới thiệu vào lĩnh vực Wi-Fi từ chuẩn Wi-Fi 4 (802.11n).

Tại sao Beamforming cần thiết cho Wi-Fi?

Các tiêu chuẩn Wi-Fi luôn hướng đến việc tăng tốc độ truyền dẫn. Từ khi Wi-Fi 4 (802.11n) giới thiệu công nghệ đa anten vào ra (MIMO) và Beamforming, tốc độ truyền dẫn tối đa đã tăng vọt lên hàng trăm Megabit mỗi giây và cao hơn nữa.

Công nghệ MIMO nhân nhiều lần tốc độ truyền dẫn bằng cách sử dụng truyền dẫn nhiều anten. Tuy nhiên, các STA thường chỉ có một hoặc hai anten mỗi cái, điều này gây ra sự khác biệt về độ lợi giữa tín hiệu truyền và nhận trên các STA. Nghĩa là, khi một STA gửi tín hiệu đến một AP, AP có thể sử dụng hệ thống nhiều anten để tăng độ lợi nhận và đạt cường độ tín hiệu cao hơn, tuy nhiên, điều này không đúng khi truyền ngược lại. Khi một AP gửi tín hiệu đến một STA, nếu chỉ sử dụng số lượng anten như trên STA (trường hợp STA ít anten hơn AP), độ lợi của hệ thống nhiều anten không được tận dụng. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ Beamforming được giới thiệu. Nó cho phép AP và STA đàm phán tốc độ truyền dẫn cao hơn bằng cách tăng cường chỉ số RSSI của các STA.

Để đảm bảo tài nguyên đa anten của AP được sử dụng đầy đủ, Wi-Fi 5 (802.11ac) giới thiệu công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO) cho phép AP gửi tín hiệu đến nhiều STA cùng một lúc, cải thiện hiệu suất truyền dẫn không dây. MU-MIMO phụ thuộc vào Beamforming. Công nghệ Beamforming chồng các tín hiệu từ nhiều anten của AP để mỗi STA chỉ nhận được tín hiệu của riêng mình trong quá trình truyền dẫn MU-MIMO, ngăn chặn sự can thiệp tín hiệu giữa các STA. Trên cơ sở đó, chuẩn Wi-Fi 6 (802.11ax) thế hệ mới nhất tăng thêm số lượng người dùng MU-MIMO, điều này cũng được thực hiện nhờ sử dụng Beamforming.

Beamforming hoạt động như thế nào?

Beamforming tạo hình dạng chùm tín hiệu như thế nào? Chùm tín hiệu tương tự như chùm sáng, hình dạng của chùm sáng tạo ra bởi một đèn pin là cố định, nếu một đèn pin khác tạo ra chùm sáng theo cùng một hướng, hai chùm sáng sẽ chồng lên nhau, tăng độ sáng và thay đổi hình dạng chùm sáng. Nếu sử dụng nhiều đèn pin hơn, độ sáng và hình dạng của chùm sáng chồng tiếp tục thay đổi. Trong trường hợp của nhiều đèn pin, việc bật/tắt đèn pin hoặc điều chỉnh cường độ sáng cũng ảnh hưởng đến hình dạng chùm sáng.

Tương tự, trong truyền thông không dây, một anten phát ra chùm tín hiệu vô tuyến như một đèn pin. Với nhiều anten, hình dạng chùm tín hiệu có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển các tín hiệu vô tuyến truyền từ mỗi anten.

Trong hệ thống nhiều anten, khi các tín hiệu truyền từ các anten khác nhau đến một vị trí, một xung đột giao thoa có thể xảy ra, tuy nhiên công nghệ Beamforming cho phép hai chùm chồng lên nhau với hiệu ứng tốt nhất bằng cách bù trước các pha của anten truyền.

Cách thức thực hiện Beamforming

Beamforming thu thập và tính toán các tham số cần điều chỉnh bằng cách phát hiện thông tin trạng thái kênh (CSI). Theo các chế độ thu thập CSI, Beamforming có thể được thực hiện theo hai cách: explicit or implicit.

Channel State Information (CSI) là thông tin về các đặc tính của kênh truyền dẫn không dây giữa các thiết bị trong một mạng không dây. CSI bao gồm các tham số như độ mạnh tín hiệu, pha, độ trễ, và các đặc tính đa đường của tín hiệu. Việc thu thập và sử dụng CSI giúp cải thiện hiệu suất truyền thông trong mạng không dây. 

Explicit Beamforming

Beamforming explicit yêu cầu STA cung cấp phản hồi CSI. Quá trình phát hiện và phản hồi CSI trong như sau:

1. AP gửi dữ liệu dò kênh (training symbol ) đến STA. Trong 802.11n, dữ liệu dò kênh có thể được gửi qua các gói dữ liệu null (NDP) hoặc tiền tố lệch (staggered preambles ), trong 802.11ac chỉ sử dụng NDP.

2. NDP là các khung null không có dữ liệu và không có payload. AP gửi một khung thông báo NDP (NDP Announcement frame ) và một NDP đến STA. Sau khi nhận các khung này, STA thực hiện phản hồi CSI.

3. Tiền tố lệch (staggered preambles) là các khung tải trọng mang khung MAC và kênh dò.

4. STA cung cấp phản hồi CSI cho AP.

Trong 802.11n, các chế độ phản hồi CSI sau được hỗ trợ:

• Chế độ CSI: STA trực tiếp gửi CSI thô đến AP, và AP tính toán trọng số Beamforming cuối cùng.

• Trọng số Beamforming không nén: Sau khi nhận thông tin dò kênh, STA tính toán giá trị trọng số Beamforming và gửi kết quả tính toán đến AP. Chế độ này tăng chi phí hệ thống. Do đó, trọng số Beamforming nén được sử dụng.

• Trọng số Beamforming nén: STA tính toán giá trị trọng số Beamforming và gửi kết quả tính toán đến AP, đồng thời áp dụng các biện pháp để giảm chi phí hệ thống.

Từ chuẩn 802.11ac, các STA được yêu cầu cung cấp phản hồi CSI ở chế độ trọng số Beamforming nén.

Dựa trên thông tin trọng số được cung cấp bởi STA hoặc tự tính toán bởi AP, AP thực hiện Beamforming sao cho các tín hiệu đa đường được gom lại trên STA, tạo thành các độ lợi.

Implicit Beamforming

Giả định ban đầu của Beamforming implicit là giải phóng các STA khỏi việc cung cấp phản hồi CSI. Beamforming ẩn sử dụng tính đối xứng của hệ thống ghép kênh phân chia thời gian (TDD). Tính đối xứng nói rằng CSI uplink và CSI downlink trên một băng tần là giống nhau. Theo cách này, CSI uplink được áp dụng trực tiếp cho kênh downlink để thực hiện Beamforming.

Beamforming implicit không còn được hỗ trợ từ chuẩn 802.11ac do tính phức tạp của nó.

Theo chuẩn 802.11n, quá trình Beamforming ẩn bao gồm dò kênh CSI và phản hồi, như hình dưới đây.

Trong Beamforming explicit, STA cung cấp phản hồi CSI thực tế; trong Beamforming implicit, CSI uplink và CSI downlink được coi là giống nhau nhưng CSI downlink không phải là CSI thực tế.

Trong thực tế, việc áp dụng CSI uplink cho kênh downlink có thể không đạt được hiệu quả mong muốn do sự khác biệt giữa các kênh uplink và downlink. Để đảm bảo hiệu ứng Beamforming, các STA vẫn cần thu thập CSI downlink và cung cấp cho AP, hỗ trợ AP trong việc hiệu chuẩn kênh. Quá trình hiệu chuẩn như sau:

1. AP gửi một khung Bắt đầu Hiệu chuẩn (Calibration Start frame ), cũng là một khung Bắt đầu Dò (Sounding Start frame ) đến STA.

2. Sau khi nhận khung Bắt đầu Hiệu chuẩn, STA gửi một khung phản hồi (Khung Phản hồi Hiệu chuẩn + Khung Phản hồi Dò - Calibration Response frame + Sounding Response frame ) đến AP, hỗ trợ AP trong việc ước lượng kênh uplink.

3. Dựa trên khung phản hồi, AP ước lượng kênh uplink và gửi một khung hiệu chuẩn (Khung Dò + Khung Phản hồi CSI - Sounding frame + CSI Feedback frame ) đến STA. Điều này cho phép STA thu thập CSI downlink và yêu cầu STA cung cấp phản hồi CSI cho AP.