精彩博客：4G手机/WiFi的"信号"与"速率"的那些事

互联网上看评测的人很多，做评测的团队也很多，我希望通过自己的科普和努力，使更多关注我的朋友们拿到我的测试数据之后（或者以后看到别人的数据），能够自行分辨出各款手机无线性能排名背后的意义，并了解手机无线性能测试的基本科学知识，这就是我做微博推广的目标。

我就一点点写一些东西，趁着假期有空，从这一篇开始吧。

【一】先给自己正个名：我不是说瞎话的材料

在此前的微博里面，我一直在很“决断”地提到，“国内厂商，中兴、华为、联想、酷派、小米、锤子等等，有一个算一个，均不具备MIMO性能的调试能力 ，换句话说，对于最终的性能优化，他们都没有做，或者缺乏条件做的更好”。在WiFi的beamforming优化方面，我也指出“国内厂商目前均未开展WiFi的MIMO OTA测试工作，如果有，我们实验室也将是第一个尝试进行此项研究的”。

很多朋友，包括很多有通信专业背景的朋友，很善意地对我在我微博里面说的“大话”进行了提醒，他们觉得我把话说的太满了，“不客观”，怕我遭到打脸。

另外一部分朋友认为我哗众取宠而已：“一个国企单位的研究员，怎么可能做出华为都没做的工作？！”他们认为提到的国内公司没有出来给我打脸，不是因为我说的是对的，而是因为厂商不屑于回应——但，事实真是如此吗？NO。

1. 对于华为来说，他们的主线是电信产品，即使是华为终端，研发部门目前的主要任务是设计出好的手机，而对测试优化方法本身的研究并非其主业——所以他们在这个方向的投入不足，其实也可以理解的；
 

专业做测试方法及系统的公司，SISO OTA比较知名的是美国ETS-Lindgen和法国Satimo，我在下一篇微博里面会将评述他们在MIMO OTA领域中的尴尬地位，并对比我所做的工作，说起来，也算是正面对撕——其实业内人对各自所做的工作心里都有数了，如果你连这两个我下次要撕的公司名称都没听过，说明你还不具备这个领域的基本信息与常识，不应对我说的话妄下评论——但你可以拉一个听过的人过来质疑我。

2. 中华米酷联锤，对于国内这些终端厂商来说，虽然在最终的MIMO优化测试环节缺失，但在目前大部分消费者还未形成理性消费观念和科普知识的情况下，并不会对产品的销售形成决定性影响，所以对于决策层来说，做MIMO OTA的优化设计，也许还不是当务之急；

3. 手机的各个环节虽涉及专业领域，但目前依靠参考和模块化设计，研发已全面工程化，一般人以这个思路推断在研发型公司中不缺乏懂MIMO OTA的人，然而实际上，MIMO OTA的复杂程度需要理论方面的基础才能深入理解，在这个很窄的领域当中，一般的工程人员短时间内是无法完全掌握的。

互联网上，微博上，堂而皇之吹牛的人很多，在我这里，我说的“大话”都是有99%的把握的，我慎重对待我自己的微博上的每一句话，每一个数据，因为我尊重看我微博的、在互联网那一头的您，如果您不信我的“大话”，您可以拉上您所认识的技术大神来质疑我，因为我必须要说，我提到的大部分技术内容，都不是一般读者能了解的——三大运营商，以及华为、中兴、联想等，与这个领域相关的研究者，我们已经就技术层面的问题互相交流两三年了，我几乎每周都会查看这个领域是否有新的研究进展——恳请互联网那一头的您，尊重我的选择：我选择以一种认真的态度来写技术类微博，我选择以一种朋友的心态来与您对话。

还是那句话，听其言观其行，让时间与实践来检验吧，不要凭您的“常识”认为我说的话是“大话”，如果我守“常规”，也不会做到这个方向上来……

【二】多天线是怎么起作用的？

MIMO有好几种模式：

1. 被运营商喊破嗓子的广告词——4G的“极速”上网，这实际上是空间复用模式（Spatial multiplexing）；如果把以前的单天线（2G和3G手机均为单天线）认为是一个人向你传递信息，那么空间复用可以理解为同时（同频）有n个人向你传递不同的信息，因此在同一时段内，你获得的信息量就是原来单天线系统的n倍——也就是你的下载速率提高了n倍！

下图如果看不懂，就略去吧......

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2. 现在有些WiFi路由器支持802.11ac，号称自己有“睿动天线“技术，可以让天线的发射方向跟着用户跑，这是MIMO的“波束赋形”的模式（Beamforming）——在实际系统中这个功能的效用与理论设计是有很大差距的，以后我们单列一章去讨论，所以目前我建议消费者应谨慎地对待商家在这个卖点上的宣传。

在下图中，手机从上面按红色箭头方向移动到下面，4个发射天线形成的合成波束也就跟踪到下面——理想情况哈，实际情况..

3. 发射或接收分集模式（diversity）：简单点解释，可比喻为——飞鸽传书，为了避免放飞一只鸽子被敌人截杀而导致信息传递失败，可以同时放飞多个鸽子传递同一则情报，所以信息量虽然没有变化，但是信息传递成功的概率大大增加了——这就是分集的好处。

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MRC是分集的一种算法。

分集带来的好处可以参照下图，最左是未做分集的覆盖范围，中间是两根分集，最右是4根分集，红色代表接收错误，蓝色代表接收正常——分集使得覆盖范围变大了！

以上几种模式，在实际通信系统中常常被设计为根据接收条件而自动切换，也可以被设计为同时混合使用等等。

再强调一遍：MIMO最核心的实际上是数学算法，而不是几根物理上的天线！

但数学算法是否能高效运行，还取决于天线的设计与实际的信道条件：如果多根天线构造出来的收发系统，其各通路之间的“相关性”很高，那么实际就相当于只有一根天线收发的效果——这虽然不够准确，但已是我能想到的最通俗的解释方法，如果用数学公式，会比较复杂，这里指的“相关性“是统计意义上的 ，需要用到随机过程理论和矩阵计算。

我们说高通的基带芯片很强大，并不单单指它的运算速度快、功能强大、bug少，对通信来说，更多的是指其数学算法独步武林（有兴趣的同学请查查高通几个创始人的背景），而且其高薪网罗了一批算法科学家持续在这个领域里面进行基础性研究。

【三】算法设计中的挑战——无线信道模型：

如上所述，影响MIMO算法效率（对用户来说，就是4G或802.11ac WiFi的下载速率）的一个非常重要的因素是信道的“相关性”。而最开始做MIMO算法设计的研究者专长在数字信号处理（DSP），他们使用普通的SISO的信道模型（如瑞利信道或莱斯信道）进行MIMO算法设计，这显然是不准确的，需要定义新的信道模型以便优化算法的设计，于是，3GPP在2000年左右开始召集做适用于MIMO的信道模型，这就是2003年定稿的SCM信道模型[6]。

实际上，关于信道的研究，即信道测量与建模，本身又是另一个单独的领域。

进一步，当算法设计完成并应用于基带芯片当中，甚至当整个4G手机完成了设计之后，为了考察硬件信号完整性、天线与射频设计、芯片算法等等的整体效果，我们需要将整台手机放置在一个模拟的4G网络中进行下载速率的测量。有两个选择，其一，就是放到真实的网络中，我们称之为路测；其二，就是放置到一个信道参数可控的实验室当中，我们称之为MIMO OTA测试。

只有最后的MIMO OTA这一小部分，是我的研究方向和专长，其他诸如算法设计、天线设计等方面，我仅仅一知半解而已，我期待有研发的朋友来给我纠正以上有描述不恰当的地方。

本文第一张图，是日本panasonic公司于2005年发表的一篇文章中，关于手持设备的测试方法和原理的介绍。如果我告诉您，以我了解的范围内，国内即使到了2015年的2月，还没有一家手机厂商对此有实质性的研究，更不用说搭建类似的测试环境了，您会不会觉得惊讶？——当你认真做一件事情的时候，你会在几乎每个领域里面都会看到自己的不足，这并不可怕，迎头赶上便是，最怕就是，连差距都看不到，而妄言爱国。