理解 CSI
飞刀的使用姿势
无名大侠,苦心钻研,习得绝技。
侠有一徒,授以飞刀,二人皆信手拈来,百步穿杨,易如反掌。师徒尝相互空手接飞刀,滋养灵犀。
某日,师曰:“尔与我以飞刀为暗号,相互通信,岂不妙哉。”
徒曰:“何以也?”
“飞行时旋转的速度,与飞刀出手时刀尖的朝向,这两个参数足以构造暗号。”
徒秒懂,曰:“此乃旋转频率与初始相位也,不足为奇。”
“徒儿聪慧。事先约定频率若干,以某频率及某初始相位投掷飞刀,即可发送暗语。”
“然则接收者何以得知发送者初始相位,两者相去甚远,不可目视也。”
“此易耳,发送信息之前,先以事先约定好的一个初始相位投掷飞刀,接收者观察接收到飞刀时刀尖的朝向,计算两相位之相位差。 通信时,接收者将手中飞刀相位减去相位差,遂得初始相位。”
徒大悟,“此技甚妙。若约定好发送时的投掷高度,接受者根据接收时的高度计算飞行落差,通信时即可反推发送者投掷高度。”
“然也。”师徒二人遂苦练绝技,技成,出书,将测量所得的高度差和相位差名以信道状态信息。
信道估计
WiFi 使用逆傅里叶变换对一串要被发送的数字数据进行调制,逆傅里叶变换能够生成由不同频率信号复合成的信号,各个子频率可以独立构成载波信号,由此构成了OFDM中的子载波。
单一子载波的发送数据可用一个向量来表示,向量的幅度表示信号强度,向量的相位表示信号在相位调制时的相位大小。信号传播过程中幅度会不断衰减,而相位会随时间周期性地变化。与信号对应的向量就像飞刀一样,一边向前飞行,一边旋转。
接收器为了知道发射器发送了怎样的信号,需要估计出相位偏移和幅度衰减。假设发送器和接收器约定好了一个已知信号X,发送器发射X,接收器接收到了信号Y,Y与X的幅度和相位都存在差异。
用符号 H 表示 X 经由传播过程变为Y的变换关系,则可以写作
Y = HX
如果用二维向量表示,H是一个旋转+缩放的矩阵,而如果用复数指数表示,X、Y、H 都可以写成 aexp(jb)的形式。
我们把 H 称为信道估计,也叫信道频域响应,还叫信道状态信息(Channel State Information)