图解WiFi多天线基本原理，告别Beamforming、CSD傻傻分不清！
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本帖最后由 qwqwqw2088 于 2023-6-18 20:24 编辑
WiFi中的波束成形beamforming、循环位移分集CSD傻傻分不清？这里用一张图总结常见多天线发射模式及其对比。
上图！
上图信息量巨大，建议仔细研读，手工验算。如果你不同意某些结果，先不要着急杠，往下看。
上图是抽象模型，并不对应实现框图，且假设信道为自由空间AWGN信道，这一点勿杠。
前两种情况是平凡的，证明略。
第三种情况双天线beamforming下使用了和第一种情况相同的23dBm总发射功率，但接收端信号却提升了3dB。两种解释（请自选容易接受的）：
- 在第一种情况的链路中加入了3dB的阵列增益
- 两天线发射的信号在接收天线处均为-63dBm，他们同频同相相干叠加会获得4倍功率增益即6dB，因此得到-57dBm。如果理解不了，请复习幼儿园学过的功率正比于电压平方，相干叠加意味着电压处处double。（咦？四倍功率？违背能量守恒！别急，看后面）
最后一种情况CSD，仅仅是其中一个天线加入了时延T，接收信号就比第三种情况beamforming弱了3dB。这是因为那个时延T使得两路信号不再相干，在接收端两个-63dBm信号非相干叠加时，总功率即两个功率直接相加，只能提升3dB得到-60dBm。如果不理解非相干叠加，请复习幼儿园物理，概率论与随机过程相关知识。
第三种情况并不违背能量守恒。请注意图中的相干叠加只发生在最强方向上，而其他方向会更弱，甚至完全抵消。要讨论能量守恒，则需要在全空间所有方向积分，它仍然是守恒的。其他类似问题，请知乎或者互联网搜索“两个波相消之后，能量去了哪里？”
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最后一种情况CSD费了老大的劲只却获得了和第一种情况一样的效果，真是闲的蛋疼，但实际上CSD是一种巧妙的设计，有其存在的价值：
- 有时候两个小功率PA（最后一种情况例子20dBm）比一个大功率PA（第一种情况例子23dBm）更容易保证发射信号质量EVM。这种优势也许在WiFi这种小功率系统上不明显，但某些大功率的场景（雷达、卫星）会采用类似思路。
- 在频率选择性衰落信道下，最后一种情况CSD（WiFi中的循环位移分集，LTE中叫CDD循环延迟分集）会获得分集效果，提高信号稳定性。
- 如果信道很好，没啥频率选择性衰落，CSD退化为和第一种情况类似，也没啥损失。因此这是一种“傻瓜式”的利用多天线的方法，虽然达不到第三种情况beamforming那么强，但在衰落环境中提高信号稳定性比起单根天线还是更好一些。
看起来第三种情况beamforming对于接收信号提升最好？的确如此，但是它只针对特定空间方向如此。即，如果不能调整两个天线的加权系数，保证波束最大增益方向始终对准用户，就达不到那么好的效果，甚至如果误差很大可能反而起到反效果。实际中，一个路由器下可能有多个用户，他们随机散布在不同方向，而且随时可能随机移动，想要对每个用户达到最优的beamforming需要复杂的实时闭环控制和优化。
如果不想用复杂的beamforming，又想要多个发射天线，直接把信号分配到多个天线上是不行的，它会“不经意间”生成特定方向的波束（因为不作任何处理相当于每根天线加权系数为1），导致路由器不同方向上的信号差别巨大。
这时候CSD必须开启，确保路由器各个方向上的信号均匀。
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