首先一個(gè)誤區(qū)是：天線越多覆蓋范圍越大，天線越多信號越強(qiáng)。
MIMO（多入多出）也就是多天線的技術(shù)是從802.11n協(xié)議之后才有的，之前的802.11a/b/g都沒有，也就是說首先老一代的路由器（802.11n之前）絕對不會(huì)有超過一個(gè)以上的天線。如果你買了一個(gè)最新的3天線支持802.11ac（最新協(xié)議）的路由器，如果你的設(shè)備是老產(chǎn)品，比如只支持802.11a/b/g的iPhone 3，那么很遺憾，那么多天線對你沒任何意義。如果硬要多天線同時(shí)發(fā)射，反而不會(huì)有好效果。
為什么這樣說呢？首先Wi-Fi應(yīng)用的環(huán)境是室內(nèi)。我們常用的802.11系列協(xié)議也是針對這種條件來建立的。那就是由于有很多建筑物或者障礙，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間幾乎不存在直射信號。我們管這個(gè)叫做多徑傳輸。既然是多徑，那么傳輸?shù)穆烦叹陀虚L有短，有的可能是從桌子反射過來的，有的可能是穿墻的。于是這些攜帶相同信息但是擁有不同相位的信號一起匯集在接收機(jī)上。我們知道現(xiàn)代通信用的是分組交換，傳輸?shù)氖谴a（symbol）。由于上面所述不同的時(shí)延，造成了碼間干擾ISI（intersymbolinterference）。為了避免ISI，通信的帶寬必須小于可容忍時(shí)延的倒數(shù)。
對于802.11a/b/g 20MHz的帶寬，最大時(shí)延為50ns，多徑條件下無ISI的傳輸半徑為15m。在IEEE802.11協(xié)議中我們可以看到其最大范圍是35m，這是協(xié)議中還有誤碼重傳等各種手段保證通信，并不是說有一點(diǎn)ISI就完全不能工作。
也就是說，路由器的發(fā)射范圍其實(shí)是協(xié)議決定的。對于802.11a,b,g，增多天線沒有任何意義。假設(shè)這些天線可以同時(shí)工作，反而會(huì)使多徑效應(yīng)更加惡劣。
MIMO：
在剛才維基百科的鏈接中（IEEE802.11）我們可以發(fā)現(xiàn)從802.11n開始，數(shù)據(jù)有了很大的提升，首先802.11n有了40MHz模式，按照之前的理論，他的發(fā)射范圍應(yīng)該因此降低一半才對，而數(shù)據(jù)反而提升了一倍（70m），為什么呢。
這主要得益于多天線技術(shù)，剛才我們討論的種種手段都是為了對抗惡劣的多徑環(huán)境，但是多徑有沒有好的一面呢？事實(shí)上多天線技術(shù)也是基于多徑的，我們稱之為空間多樣性。多天線的應(yīng)用有很多種技術(shù)手段，這里簡單介紹2種：波束成型（Beamforming）和時(shí)空分組碼（主要介紹Alamouti'scode）。這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要多個(gè)接收天線。尤其是alamouti碼，連信道信息都不用，只用數(shù)學(xué)運(yùn)算就用兩根天線實(shí)現(xiàn)了3dB的增益，所有老師都對此贊不絕口！
不需要多個(gè)接收天線的優(yōu)點(diǎn)是，并不是所有設(shè)備都能裝上多天線的。為了避免旁瓣輻射，滿足空間上的采樣定理，一般以發(fā)送信號之一半波長作為實(shí)體的天線間距。無論是GSM信號1.8GHz，1.9GHz還是Wi-Fi信號2.4GHz，我們暫取2GHz便于計(jì)算，半波長為7.5cm。所以我們看到的路由器上天線的距離大多如此。也應(yīng)為這個(gè)原因，我們很難在手機(jī)上安裝多個(gè)天線（別提三星那個(gè)7寸的手機(jī)謝謝）。
1、波束成型（Beamforming）：借由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，增加信號品質(zhì)，并減少與其他用戶間的干擾。我們可以簡單籠統(tǒng)地這樣理解天線的指向性：假設(shè)全指向性天線功率為1，范圍只有180度的指向性天線功率可以達(dá)到2。于是我們可以用4根90度的天線在理論上提高4倍的功率。波束成型的另外一種模式是通過信道估計(jì)判斷接收機(jī)的方位，然后有指向性的針對該點(diǎn)發(fā)射，提高發(fā)射功率。（類似于聚光的手電筒，范圍越小，光越亮）。不過這種模式在哪個(gè)協(xié)議里應(yīng)用我還不清楚。
2、空時(shí)分組碼STBC(Space—Time Block Code)是在多天線上的不同時(shí)刻發(fā)送不同信息來提高數(shù)據(jù)可靠性的。Alamouti碼是空時(shí)分組碼里最簡單的一種。為了傳輸d1d2兩個(gè)碼，在兩根天線1,2上分別發(fā)送d1,-d2*和d2,d1*。由于多徑，我們假設(shè)兩根天線的信道分別為h1h2，于是第一時(shí)刻接收機(jī)收到的信息r1=d1h1+d2h2,之后接受的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的這個(gè)2維方陣只要乘以信道，就可得到d1d2的信息了……呃，似乎沒解釋清楚，沒辦法筆記不在身邊，搜了一圈也沒找到合適的材料?？傊鼐褪茿lamouti找到一組正交的碼率為一2×2矩陣，用這種方式在兩根天線上發(fā)射可以互不影響；可以用一根天線接收，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算以后得到發(fā)射信息的方法。
其他的MIMO呢，在概念上可能比較好理解，比如2個(gè)發(fā)射天線t1t2分別對兩個(gè)接收天線r1r2發(fā)射，那么相當(dāng)于兩撥人同時(shí)干活，速度提升2倍等等。但是實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來一方面在硬件上需要多個(gè)接收天線，另一方面需要信道估計(jì)等通信算法，那都是非常復(fù)雜，并且耗時(shí)耗硬件的計(jì)算。
講上面兩種實(shí)際上是MISO的方法也是想從另外一個(gè)方面證明，天線多了不代表他們能一起干活。100年前人們就知道天線越多越好越大越好了，但是天才的Alamouti碼1998年才被提出來多天線技術(shù)的802.11n協(xié)議2009年才開始應(yīng)用。
20年前人們用OFDM技術(shù)對抗由于城市間或室內(nèi)障礙太多造成的多徑衰落，現(xiàn)在我們已經(jīng)開始利用多徑來提高通信質(zhì)量。這是技術(shù)上突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而不是簡單的“想當(dāng)然”就可以實(shí)現(xiàn)的。由于上課時(shí)的筆記不在身邊，總感覺有些沒太大把握的地方。對于“假設(shè)工作在802.11a,b,gSISO模式的三天線路由器，可否認(rèn)為3根天線有較大的增益？”以及“處于兩橋接模式路由器間的設(shè)備是否同時(shí)從兩路由器下載數(shù)據(jù)，怎么進(jìn)行同步？”亦心存疑惑。畢竟從書本的知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，所以如有不對之處，歡迎指正。
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發(fā)表于 2014-5-7 10:52
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