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精彩博客:4G手機(jī)/WiFi的"信號(hào)"與"速率"的那些事

發(fā)布時(shí)間:2015-03-13 來(lái)源:吳醒峰 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】如果你使用了4G手機(jī),或者最新的WiFi(802.11ac)無(wú)線路由,那么你需要了解的是,它們都使用了MIMO,或者說(shuō)多天線技術(shù),但您知道嗎,今天,在市場(chǎng)上您能買到的這些產(chǎn)品的基本功能雖然都類似,而性能的優(yōu)劣也許差距很大——很多廠商連自己都沒(méi)有拿到過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
 
互聯(lián)網(wǎng)上看評(píng)測(cè)的人很多,做評(píng)測(cè)的團(tuán)隊(duì)也很多,我希望通過(guò)自己的科普和努力,使更多關(guān)注我的朋友們拿到我的測(cè)試數(shù)據(jù)之后(或者以后看到別人的數(shù)據(jù)),能夠自行分辨出各款手機(jī)無(wú)線性能排名背后的意義,并了解手機(jī)無(wú)線性能測(cè)試的基本科學(xué)知識(shí),這就是我做微博推廣的目標(biāo)。
wifi
我就一點(diǎn)點(diǎn)寫一些東西,趁著假期有空,從這一篇開始吧。
 
【一】先給自己正個(gè)名:我不是說(shuō)瞎話的材料
 
在此前的微博里面,我一直在很“決斷”地提到,“國(guó)內(nèi)廠商,中興、華為、聯(lián)想、酷派、小米、錘子等等,有一個(gè)算一個(gè),均不具備MIMO性能的調(diào)試能力 ,換句話說(shuō),對(duì)于最終的性能優(yōu)化,他們都沒(méi)有做,或者缺乏條件做的更好”。在WiFi的beamforming優(yōu)化方面,我也指出“國(guó)內(nèi)廠商目前均未開展WiFi的MIMO OTA測(cè)試工作,如果有,我們實(shí)驗(yàn)室也將是第一個(gè)嘗試進(jìn)行此項(xiàng)研究的”。
 
很多朋友,包括很多有通信專業(yè)背景的朋友,很善意地對(duì)我在我微博里面說(shuō)的“大話”進(jìn)行了提醒,他們覺(jué)得我把話說(shuō)的太滿了,“不客觀”,怕我遭到打臉。
 
另外一部分朋友認(rèn)為我嘩眾取寵而已:“一個(gè)國(guó)企單位的研究員,怎么可能做出華為都沒(méi)做的工作?!”他們認(rèn)為提到的國(guó)內(nèi)公司沒(méi)有出來(lái)給我打臉,不是因?yàn)槲艺f(shuō)的是對(duì)的,而是因?yàn)閺S商不屑于回應(yīng)——但,事實(shí)真是如此嗎?NO。
 
1. 對(duì)于華為來(lái)說(shuō),他們的主線是電信產(chǎn)品,即使是華為終端,研發(fā)部門目前的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出好的手機(jī),而對(duì)測(cè)試優(yōu)化方法本身的研究并非其主業(yè)——所以他們?cè)谶@個(gè)方向的投入不足,其實(shí)也可以理解的;
 
專業(yè)做測(cè)試方法及系統(tǒng)的公司,SISO OTA比較知名的是美國(guó)ETS-Lindgen和法國(guó)Satimo,我在下一篇微博里面會(huì)將評(píng)述他們?cè)贛IMO OTA領(lǐng)域中的尷尬地位,并對(duì)比我所做的工作,說(shuō)起來(lái),也算是正面對(duì)撕——其實(shí)業(yè)內(nèi)人對(duì)各自所做的工作心里都有數(shù)了,如果你連這兩個(gè)我下次要撕的公司名稱都沒(méi)聽(tīng)過(guò),說(shuō)明你還不具備這個(gè)領(lǐng)域的基本信息與常識(shí),不應(yīng)對(duì)我說(shuō)的話妄下評(píng)論——但你可以拉一個(gè)聽(tīng)過(guò)的人過(guò)來(lái)質(zhì)疑我。
 
2. 中華米酷聯(lián)錘,對(duì)于國(guó)內(nèi)這些終端廠商來(lái)說(shuō),雖然在最終的MIMO優(yōu)化測(cè)試環(huán)節(jié)缺失,但在目前大部分消費(fèi)者還未形成理性消費(fèi)觀念和科普知識(shí)的情況下,并不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的銷售形成決定性影響,所以對(duì)于決策層來(lái)說(shuō),做MIMO OTA的優(yōu)化設(shè)計(jì),也許還不是當(dāng)務(wù)之急;
 
3. 手機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)雖涉及專業(yè)領(lǐng)域,但目前依靠參考和模塊化設(shè)計(jì),研發(fā)已全面工程化,一般人以這個(gè)思路推斷在研發(fā)型公司中不缺乏懂MIMO OTA的人,然而實(shí)際上,MIMO OTA的復(fù)雜程度需要理論方面的基礎(chǔ)才能深入理解,在這個(gè)很窄的領(lǐng)域當(dāng)中,一般的工程人員短時(shí)間內(nèi)是無(wú)法完全掌握的。
 
互聯(lián)網(wǎng)上,微博上,堂而皇之吹牛的人很多,在我這里,我說(shuō)的“大話”都是有99%的把握的,我慎重對(duì)待我自己的微博上的每一句話,每一個(gè)數(shù)據(jù),因?yàn)槲易鹬乜次椅⒉┑?、在互?lián)網(wǎng)那一頭的您,如果您不信我的“大話”,您可以拉上您所認(rèn)識(shí)的技術(shù)大神來(lái)質(zhì)疑我,因?yàn)槲冶仨氁f(shuō),我提到的大部分技術(shù)內(nèi)容,都不是一般讀者能了解的——三大運(yùn)營(yíng)商,以及華為、中興、聯(lián)想等,與這個(gè)領(lǐng)域相關(guān)的研究者,我們已經(jīng)就技術(shù)層面的問(wèn)題互相交流兩三年了,我?guī)缀趺恐芏紩?huì)查看這個(gè)領(lǐng)域是否有新的研究進(jìn)展——懇請(qǐng)互聯(lián)網(wǎng)那一頭的您,尊重我的選擇:我選擇以一種認(rèn)真的態(tài)度來(lái)寫技術(shù)類微博,我選擇以一種朋友的心態(tài)來(lái)與您對(duì)話。
 
還是那句話,聽(tīng)其言觀其行,讓時(shí)間與實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)吧,不要憑您的“常識(shí)”認(rèn)為我說(shuō)的話是“大話”,如果我守“常規(guī)”,也不會(huì)做到這個(gè)方向上來(lái)……
 
【二】多天線是怎么起作用的?
 
MIMO有好幾種模式:
 
1. 被運(yùn)營(yíng)商喊破嗓子的廣告詞——4G的“極速”上網(wǎng),這實(shí)際上是空間復(fù)用模式(Spatial multiplexing);如果把以前的單天線(2G和3G手機(jī)均為單天線)認(rèn)為是一個(gè)人向你傳遞信息,那么空間復(fù)用可以理解為同時(shí)(同頻)有n個(gè)人向你傳遞不同的信息,因此在同一時(shí)段內(nèi),你獲得的信息量就是原來(lái)單天線系統(tǒng)的n倍——也就是你的下載速率提高了n倍!
 
下圖如果看不懂,就略去吧......
4G的“極速”上網(wǎng)
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2. 現(xiàn)在有些WiFi路由器支持802.11ac,號(hào)稱自己有“睿動(dòng)天線“技術(shù),可以讓天線的發(fā)射方向跟著用戶跑,這是MIMO的“波束賦形”的模式(Beamforming)——在實(shí)際系統(tǒng)中這個(gè)功能的效用與理論設(shè)計(jì)是有很大差距的,以后我們單列一章去討論,所以目前我建議消費(fèi)者應(yīng)謹(jǐn)慎地對(duì)待商家在這個(gè)賣點(diǎn)上的宣傳。
 
在下圖中,手機(jī)從上面按紅色箭頭方向移動(dòng)到下面,4個(gè)發(fā)射天線形成的合成波束也就跟蹤到下面——理想情況哈,實(shí)際情況..
4個(gè)發(fā)射天線
3. 發(fā)射或接收分集模式(diversity):簡(jiǎn)單點(diǎn)解釋,可比喻為——飛鴿傳書,為了避免放飛一只鴿子被敵人截殺而導(dǎo)致信息傳遞失敗,可以同時(shí)放飛多個(gè)鴿子傳遞同一則情報(bào),所以信息量雖然沒(méi)有變化,但是信息傳遞成功的概率大大增加了——這就是分集的好處。
MRC是分集的一種算法。
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MRC是分集的一種算法。
 
分集帶來(lái)的好處可以參照下圖,最左是未做分集的覆蓋范圍,中間是兩根分集,最右是4根分集,紅色代表接收錯(cuò)誤,藍(lán)色代表接收正常——分集使得覆蓋范圍變大了!
分集帶來(lái)的好處
以上幾種模式,在實(shí)際通信系統(tǒng)中常常被設(shè)計(jì)為根據(jù)接收條件而自動(dòng)切換,也可以被設(shè)計(jì)為同時(shí)混合使用等等。
 
再?gòu)?qiáng)調(diào)一遍:MIMO最核心的實(shí)際上是數(shù)學(xué)算法,而不是幾根物理上的天線!
但數(shù)學(xué)算法是否能高效運(yùn)行,還取決于天線的設(shè)計(jì)與實(shí)際的信道條件:如果多根天線構(gòu)造出來(lái)的收發(fā)系統(tǒng),其各通路之間的“相關(guān)性”很高,那么實(shí)際就相當(dāng)于只有一根天線收發(fā)的效果——這雖然不夠準(zhǔn)確,但已是我能想到的最通俗的解釋方法,如果用數(shù)學(xué)公式,會(huì)比較復(fù)雜,這里指的“相關(guān)性“是統(tǒng)計(jì)意義上的 ,需要用到隨機(jī)過(guò)程理論和矩陣計(jì)算。
 
我們說(shuō)高通的基帶芯片很強(qiáng)大,并不單單指它的運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)大、bug少,對(duì)通信來(lái)說(shuō),更多的是指其數(shù)學(xué)算法獨(dú)步武林(有興趣的同學(xué)請(qǐng)查查高通幾個(gè)創(chuàng)始人的背景),而且其高薪網(wǎng)羅了一批算法科學(xué)家持續(xù)在這個(gè)領(lǐng)域里面進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。
 
【三】算法設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)——無(wú)線信道模型:
 
如上所述,影響MIMO算法效率(對(duì)用戶來(lái)說(shuō),就是4G或802.11ac WiFi的下載速率)的一個(gè)非常重要的因素是信道的“相關(guān)性”。而最開始做MIMO算法設(shè)計(jì)的研究者專長(zhǎng)在數(shù)字信號(hào)處理(DSP),他們使用普通的SISO的信道模型(如瑞利信道或萊斯信道)進(jìn)行MIMO算法設(shè)計(jì),這顯然是不準(zhǔn)確的,需要定義新的信道模型以便優(yōu)化算法的設(shè)計(jì),于是,3GPP在2000年左右開始召集做適用于MIMO的信道模型,這就是2003年定稿的SCM信道模型[6]。
 
實(shí)際上,關(guān)于信道的研究,即信道測(cè)量與建模,本身又是另一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域。
 
進(jìn)一步,當(dāng)算法設(shè)計(jì)完成并應(yīng)用于基帶芯片當(dāng)中,甚至當(dāng)整個(gè)4G手機(jī)完成了設(shè)計(jì)之后,為了考察硬件信號(hào)完整性、天線與射頻設(shè)計(jì)、芯片算法等等的整體效果,我們需要將整臺(tái)手機(jī)放置在一個(gè)模擬的4G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行下載速率的測(cè)量。有兩個(gè)選擇,其一,就是放到真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中,我們稱之為路測(cè);其二,就是放置到一個(gè)信道參數(shù)可控的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中,我們稱之為MIMO OTA測(cè)試。
 
只有最后的MIMO OTA這一小部分,是我的研究方向和專長(zhǎng),其他諸如算法設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)等方面,我僅僅一知半解而已,我期待有研發(fā)的朋友來(lái)給我糾正以上有描述不恰當(dāng)?shù)牡胤健?/div>
 
本文第一張圖,是日本panasonic公司于2005年發(fā)表的一篇文章中,關(guān)于手持設(shè)備的測(cè)試方法和原理的介紹。如果我告訴您,以我了解的范圍內(nèi),國(guó)內(nèi)即使到了2015年的2月,還沒(méi)有一家手機(jī)廠商對(duì)此有實(shí)質(zhì)性的研究,更不用說(shuō)搭建類似的測(cè)試環(huán)境了,您會(huì)不會(huì)覺(jué)得驚訝?——當(dāng)你認(rèn)真做一件事情的時(shí)候,你會(huì)在幾乎每個(gè)領(lǐng)域里面都會(huì)看到自己的不足,這并不可怕,迎頭趕上便是,最怕就是,連差距都看不到,而妄言愛(ài)國(guó)。
 
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