什么是无线通信

你在你的手机微信上编辑了一段文字，轻点发送，远在天边的亲朋好友便能够几乎瞬时的接收到你讯息，这固然很好。但是你是否想象过，这个传输的过程是如何实现的？可能你知道，手机向手机基站发送信息，然后基站之间再进行传输，最后由基站向手机对面的人发送消息。那么，现在请你抬头，看看你周围，你是否生活在“盘丝洞”之中。我相信正常的答案是否的（如果你说yes，那你很厉害哟），这就是我们所说的无线通信。这是一个堪称伟大的科技手段，要是信号都只能通过光纤、信号线传输，那我们就真的生活在盘丝洞之中了（!_!）我们现在常用的移动设备像手机、电脑、电视这些，都配备有天线，在基站安装这几十上百的天线构成阵列来接受我们向他发送的信息（后面统称为信号）。

那你可能会说，就这？你一根天线、我一根天线就能解决的事情，能称得上伟大？当然不是这么简单，你在生活中不难发现，向前推一辆车，过一会他就会自己停下来；向前说话，声音却像是从前面传来。这些说明两点：

  1. 日常生活中存在阻力，或者说衰减，空中传递的信号也不例外会受到衰减，导致从手机到基站的信号的质量往往不如手机端刚发出。
  2. 信号不是像一根线一样固定一个方向传播，而是像声波一样向四周扩散的传播，碰到物体也会反射。现实生活中的反射物更加多，这导致你发出的信号在传播过程中会变成2个、4个、8个甚至更多，这些信号传输到基站就会产生诸多问题，比如哪个信号才是你手机发出的？不同信号之间的到达时间还不同，可能导致通信的延迟。

无论是上面信号的衰减还是反射导致多径（后续称反射导致的多个信号为多径）都会造成信号延时、信号错乱或者丢包的现象。这也就引起科学家们对无线信号传输的介质（后续我们称为信道）的研究热情，也就是我们所说的信道估计。

什么是信道

通过上面的简单讲述，我们知道了信号传输需要借助信道来进行，但是信道是什么？简单来说，信道就是信息传输的“道路”，它决定了你的信号在传输过程中会遇到哪些“坑坑洼洼”，以及它最终能否顺利到达终点。信道可以按照物理性质进一步细分成两大类：

  1. 有线信道：你可以把它理解成现实生活中的“高速公路”，光纤、电缆等物理介质就像是坚固的公路，保证了信号可以稳定传输。
  2. 无线信道：它更像是一条“空中航线”，信号依靠电磁波在空中传播，不需要任何实体的介质支撑，但也因此容易受到干扰。

而我们的手机信号在绝大部分的情况下是按照无线的方式进行传输的，而无线信道不像有线信道那样受物理线路保护，它在现实环境中会受到各种因素的影响，导致信号在传输过程中变得“崎岖不平”。那么我们为了更好的传输信号，我们就需要研究无线信道的一些特性。

衰弱

你有没有试过在一个房间里走动时，手机的信号时好时坏？这就是衰落的表现。衰落的原因有很多，比如信号在传播过程中遇到障碍物（墙壁、建筑物等），或者随着传播距离的增加，能量逐渐减少。我们通常把衰落分成两类：

  1. 大尺度衰落：影响的是信号的整体强度，和传播距离、环境密集程度有关。比如，你站在空旷的草原上，手机信号可能很好；但如果你进入高楼大厦的电梯，信号可能会瞬间变差。
  2. 小尺度衰落：影响的是信号的细微波动，通常是因为多条路径的信号相互干扰，比如你在城市的街道上走动时，信号可能会在不同建筑物间反射，导致质量不稳定。

多径效应

想象一下你在山谷中大喊一声，你的声音会经过不同路径反射回来，形成“回声”。无线信号的情况也是如此——信号在传播过程中，会因为碰到建筑物、树木、地面等产生反射、折射、散射等现象，从而形成多个到达接收端的路径。问题是，不同路径的信号传播时间不一样，到达接收端时可能会相互叠加或抵消，导致信号失真。这种现象被称为多径效应。多径效应会导致两种衰落：

  1. 平坦衰落：如果信号的带宽较小，整个频段的信道影响几乎相同，衰落不会太严重。
  2. 频率选择性衰落：如果信号的带宽较大，不同频率的信号分量会受到不同程度的衰落，从而导致接收信号的畸变。

多普勒效应

如果你坐在路边，听着远处驶来的救护车警笛声，你会发现声音的频率在接近时变高，远离时变低。这就是多普勒效应。在无线通信中，如果信号的发射端或接收端在运动（比如你在开车时打电话），信号的频率会发生偏移，影响通信质量。多普勒效应带来的主要影响是：

  1. 频率偏移：信号的频率发生变化，可能会导致解调困难。
  2. 快衰落：当信道的变化速度比信号的变化快时，你在传输一个信号符号的时候，还没传完信道的性质就发生了改变，信号就会迅速失真，影响通信的稳定性。

无线信道是信息传输的“无形道路”，但它并不总是平坦顺畅的。衰落、多径效应、多普勒效应这些问题，使得无线信号在传输过程中会出现各种不可预测的变化。这也正是科学家们研究信道特性的原因——他们希望找到更好的方法来对抗信道的不利影响，让无线通信变得更加稳定高效。那么，如何才能让信号在复杂的无线环境下依然保持良好的质量呢？别着急，这就是我们下一步要讨论的话题——信道估计！

什么是信道估计（CSI）

我在上面通过一种举例子的方式带你简要的理解了一下什么是无线通信以及我们为什么要做信道估计，下面我从学术一点的角度上解释什么是信道估计、为什么需要信道估计，以及信道估计有什么用（作者也是初学者，仅作为参考以及补充）？信道估计，顾名思义是对信道参数进行的一种估计。由于信道的不确定性，我们通常采用统计的角度对信道的一些影响信号传输的参数进行估计，比如衰减、时延等等。那我们为什么需要信道估计？我还是举例进行说明，假设一个用户向基站传输10个信号，每个信号经历完全相同的信道（也就是说信道对信号的影响完全一样），如果我不做信道估计，那基站每接收一个信号都要对这个信号进行一个信道影响的消除，这对于基站这种大吞吐量的应用场景显然不合理。如果基站对第一个信号做信道估计，知道了信道对信号的冲激响应是幅度衰减为1/2、相位延后10，那么后续的9个信号基站可以直接给一个2倍的增益，然后将相位提前10以此消除信道的干扰，如此就节省了资源又提高了效率。

后续科学家们通过对信道估计得到的参数进行研究，推出了许多的算法，发现可以通过CSI得到信号从发出到达基站的时间、信号到基站使被接收的角度等，由此衍生了CSI得出信道响应用于定位用户的功能等。