【導(dǎo)讀】如果你使用了4G手機，或者最新的WiFi（802.11ac）無線路由，那么你需要了解的是，它們都使用了MIMO，或者說多天線技術(shù)，但您知道嗎，今天，在市場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有拿到過嚴(yán)格的實驗室驗證數(shù)據(jù)。
互聯(lián)網(wǎng)上看評測的人很多，做評測的團(tuán)隊也很多，我希望通過自己的科普和努力，使更多關(guān)注我的朋友們拿到我的測試數(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無線性能排名背后的意義，并了解手機無線性能測試的基本科學(xué)知識，這就是我做微博推廣的目標(biāo)。
我就一點點寫一些東西，趁著假期有空，從這一篇開始吧。
【一】先給自己正個名：我不是說瞎話的材料
在此前的微博里面，我一直在很“決斷”地提到，“國內(nèi)廠商，中興、華為、聯(lián)想、酷派、小米、錘子等等，有一個算一個，均不具備MIMO性能的調(diào)試能力 ，換句話說，對于最終的性能優(yōu)化，他們都沒有做，或者缺乏條件做的更好”。在WiFi的beamforming優(yōu)化方面，我也指出“國內(nèi)廠商目前均未開展WiFi的MIMO OTA測試工作，如果有，我們實驗室也將是第一個嘗試進(jìn)行此項研究的”。
很多朋友，包括很多有通信專業(yè)背景的朋友，很善意地對我在我微博里面說的“大話”進(jìn)行了提醒，他們覺得我把話說的太滿了，“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：“一個國企單位的研究員，怎么可能做出華為都沒做的工作？！”他們認(rèn)為提到的國內(nèi)公司沒有出來給我打臉，不是因為我說的是對的，而是因為廠商不屑于回應(yīng)——但，事實真是如此嗎？NO。
1. 對于華為來說，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)計出好的手機，而對測試優(yōu)化方法本身的研究并非其主業(yè)——所以他們在這個方向的投入不足，其實也可以理解的；
專業(yè)做測試方法及系統(tǒng)的公司，SISO OTA比較知名的是美國ETS-Lindgen和法國Satimo，我在下一篇微博里面會將評述他們在MIMO OTA領(lǐng)域中的尷尬地位，并對比我所做的工作，說起來，也算是正面對撕——其實業(yè)內(nèi)人對各自所做的工作心里都有數(shù)了，如果你連這兩個我下次要撕的公司名稱都沒聽過，說明你還不具備這個領(lǐng)域的基本信息與常識，不應(yīng)對我說的話妄下評論——但你可以拉一個聽過的人過來質(zhì)疑我。
2. 中華米酷聯(lián)錘，對于國內(nèi)這些終端廠商來說，雖然在最終的MIMO優(yōu)化測試環(huán)節(jié)缺失，但在目前大部分消費者還未形成理性消費觀念和科普知識的情況下，并不會對產(chǎn)品的銷售形成決定性影響，所以對于決策層來說，做MIMO OTA的優(yōu)化設(shè)計，也許還不是當(dāng)務(wù)之急；
3. 手機的各個環(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，研發(fā)已全面工程化，一般人以這個思路推斷在研發(fā)型公司中不缺乏懂MIMO OTA的人，然而實際上，MIMO OTA的復(fù)雜程度需要理論方面的基礎(chǔ)才能深入理解，在這個很窄的領(lǐng)域當(dāng)中，一般的工程人員短時間內(nèi)是無法完全掌握的。
互聯(lián)網(wǎng)上，微博上，堂而皇之吹牛的人很多，在我這里，我說的“大話”都是有99%的把握的，我慎重對待我自己的微博上的每一句話，每一個數(shù)據(jù)，因為我尊重看我微博的、在互聯(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)識的技術(shù)大神來質(zhì)疑我，因為我必須要說，我提到的大部分技術(shù)內(nèi)容，都不是一般讀者能了解的——三大運營商，以及華為、中興、聯(lián)想等，與這個領(lǐng)域相關(guān)的研究者，我們已經(jīng)就技術(shù)層面的問題互相交流兩三年了，我?guī)缀趺恐芏紩榭催@個領(lǐng)域是否有新的研究進(jìn)展——懇請互聯(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)度來寫技術(shù)類微博，我選擇以一種朋友的心態(tài)來與您對話。
還是那句話，聽其言觀其行，讓時間與實踐來檢驗吧，不要憑您的“常識”認(rèn)為我說的話是“大話”，如果我守“常規(guī)”，也不會做到這個方向上來……
【二】多天線是怎么起作用的？
MIMO有好幾種模式：
1. 被運營商喊破嗓子的廣告詞——4G的“極速”上網(wǎng)，這實際上是空間復(fù)用模式（Spatial multiplexing）；如果把以前的單天線（2G和3G手機均為單天線）認(rèn)為是一個人向你傳遞信息，那么空間復(fù)用可以理解為同時（同頻）有n個人向你傳遞不同的信息，因此在同一時段內(nèi)，你獲得的信息量就是原來單天線系統(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......
2. 現(xiàn)在有些WiFi路由器支持802.11ac，號稱自己有“睿動天線“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）——在實際系統(tǒng)中這個功能的效用與理論設(shè)計是有很大差距的，以后我們單列一章去討論，所以目前我建議消費者應(yīng)謹(jǐn)慎地對待商家在這個賣點上的宣傳。
在下圖中，手機從上面按紅色箭頭方向移動到下面，4個發(fā)射天線形成的合成波束也就跟蹤到下面——理想情況哈，實際情況..
3. 發(fā)射或接收分集模式（diversity）：簡單點解釋，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，可以同時放飛多個鴿子傳遞同一則情報，所以信息量雖然沒有變化，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。
分集帶來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，紅色代表接收錯誤，藍(lán)色代表接收正常——分集使得覆蓋范圍變大了！
以上幾種模式，在實際通信系統(tǒng)中常常被設(shè)計為根據(jù)接收條件而自動切換，也可以被設(shè)計為同時混合使用等等。
再強調(diào)一遍：MIMO最核心的實際上是數(shù)學(xué)算法，而不是幾根物理上的天線！
但數(shù)學(xué)算法是否能高效運行，還取決于天線的設(shè)計與實際的信道條件：如果多根天線構(gòu)造出來的收發(fā)系統(tǒng)，其各通路之間的“相關(guān)性”很高，那么實際就相當(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，會比較復(fù)雜，這里指的“相關(guān)性“是統(tǒng)計意義上的 ，需要用到隨機過程理論和矩陣計算。
我們說高通的基帶芯片很強大，并不單單指它的運算速度快、功能強大、bug少，對通信來說，更多的是指其數(shù)學(xué)算法獨步武林（有興趣的同學(xué)請查查高通幾個創(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)在這個領(lǐng)域里面進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。
【三】算法設(shè)計中的挑戰(zhàn)——無線信道模型：
如上所述，影響MIMO算法效率（對用戶來說，就是4G或802.11ac WiFi的下載速率）的一個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)計的研究者專長在數(shù)字信號處理（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，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，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]。
實際上，關(guān)于信道的研究，即信道測量與建模，本身又是另一個單獨的領(lǐng)域。
進(jìn)一步，當(dāng)算法設(shè)計完成并應(yīng)用于基帶芯片當(dāng)中，甚至當(dāng)整個4G手機完成了設(shè)計之后，為了考察硬件信號完整性、天線與射頻設(shè)計、芯片算法等等的整體效果，我們需要將整臺手機放置在一個模擬的4G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行下載速率的測量。有兩個選擇，其一，就是放到真實的網(wǎng)絡(luò)中，我們稱之為路測；其二，就是放置到一個信道參數(shù)可控的實驗室當(dāng)中，我們稱之為MIMO OTA測試。
只有最后的MIMO OTA這一小部分，是我的研究方向和專長，其他諸如算法設(shè)計、天線設(shè)計等方面，我僅僅一知半解而已，我期待有研發(fā)的朋友來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)，國內(nèi)即使到了2015年的2月，還沒有一家手機廠商對此有實質(zhì)性的研究，更不用說搭建類似的測試環(huán)境了，您會不會覺得驚訝？——當(dāng)你認(rèn)真做一件事情的時候，你會在幾乎每個領(lǐng)域里面都會看到自己的不足，這并不可怕，迎頭趕上便是，最怕就是，連差距都看不到，而妄言愛國。
