LTE之多天线技术

Posted 2022-12-14 一只学习的猫

文章目录

• 1 什么是多天线技术？
• 2 多天线技术之波束赋形
• 3 多天线技术之分集技术
• 4 多天线技术之空间复用技术（MIMO）
• • 4.1 复用与分集
  • 4.2 复用与多址
  • 4.3 MIMO

1 什么是多天线技术？

多天线技术是LTE的又一关键技术，多天线的概念是相对与单天线而言的。
多天线系统指的是收发双方任意一方配备了多天线。
多天线系统的缺点：1）单从接收方来说，部署多天线意味着更高的硬件成本、建设成本和维护成本；从发送端的角度，除了上述1）的问题，还有更多的功放、更高的功耗的问题（功放的功耗比较大）。但是多天线技术也由很多的优点，下面列举出来，并写出对应所采用的关键技术：1）提高信号强度，采用的是波束赋形技术；2）提高信号的稳定性，采用的是分集技术；3）提高频谱利用率，采用的是空间复用技术。下面分别对多天线技术的波束赋形、分集技术以及MIMO技术进行简要的介绍。

2 多天线技术之波束赋形

提高信号强度的方法有很多。比如提升发射功率、减少距离、提高天线增益等。其中，利用多天线技术进行波束赋形，提高天线增益，从而提升信号强度、这里对波束赋形不做深入的介绍。

3 多天线技术之分集技术

对于通信来说，稳定是非常重要的。信号的不稳定主要是信号大幅度衰落导致的。分集技术就是一种对抗信号大幅衰落的好方法。
分集技术的分，指的是多路，集，就是集中，也就是同时接收多条传播路径上的信号，然后合并接收到的多路信号，获得相应的信息。在分集技术中，由于传播路径互不相干，因此多条传播路径上同时发生信号衰落的概率很低。
分集有多种实施方式：空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、路径分集以及角度分集。空间分集在不同地点假设天线，利用空间的差异实现不同天线传播路径之间的不相干，从而实现分集。空间分集根据使用的天线的数量，称为几重分集；极化分集，利用电磁波传播的方向性来实现传播路径的差异化；时间分集，利用各个传播路径在时间上的差异，从而避开深衰落。
【补充】不相干的概念：不相干就是不同的传播路径之间相互独立，对于空间分集来说，不相干要求天线的距离大于10个波长；对于时间分集，不相干要求时间差异大于载波周期；对于极化分集，不相干要求采用不同的极化方式（水平或垂直）。

分集分为发射分集和接收分集。接收分集的应用更加普遍。
1）接收分集，接收机利用多条不相干的传播路径，同时接收这些路径上的信号，并加以合成的技术。也就是说接收端有多根天线。从接收机的角度看，实施接收分集是一种积极的态度，需要主动去挖掘各个不相干的传播路径，因此需要接收机部署多天线。接收机可以采用多种方式合并分集信号，分集信号的合并方式有等增益合并、选择性合并和最大比合并。接收分集主要用于基站，基站实施接收分集非常简单，只需要配置多根分集的天线，然后基站从这些天线得到多路信号，多路信号可以采用最大比合并。接收分集广泛应用于PHS、GSM、WCDMA、CDMA、LTE等移动通信系统的基站，其性能稳定，经久考验。
2）发射分集，发射机创造多条不相干的传播路径，同时在这些路径上发射信号，为接收机多路接收提供可能。也就是说发射端有多根天线。

支持分集的多天线：多天线是实施分集的必要条件，用于分集的多天线分为空间分集和极化分集合两大类。移动通信中更常见的是基于极化分集的天线，也就是双极化天线。

4 多天线技术之空间复用技术（MIMO）

4.1 复用与分集

复用是指在同一个传播路径上传送多路独立的信号，也就是说，不同信号，共同的通道。在发送端对应多个独立信号合成为一个多路信号，主要目的是为了提高某一传送通道的资源利用率。比如我们熟悉的OFDM技术，就是频分复用。对于频分复用，区分的是频率，可复用的通路资源是时隙、空间、码；时分复用，区分的是时隙，可复用资源是频率、空间、码；码分复用，区分的是正交码，可复用的资源是时隙、频率、空间；空分复用，区分的是空间，可复用资源是时隙、频率、码。
分集是指多路彼此独立的传输路径上传送同一信号。主要目的是提高信号传送的可靠性、正确性。

4.2 复用与多址

复用和多址的共同特点是在某一共同资源上传送多给数据流。但复用不管多个数据流是否来自于同一个用户，而多址是区分不同的用户的。

4.3 MIMO

空间复用是多天线的一种应用，最大的优点就是提升调制效率，也就是单位带宽上可以传输更多的比特信息。这样不用增加带宽，也可以实现吞吐量的提升。
空间复用的关键：层，层代表的是空间上可区分、可分离的传输通道，也就是正交的传输通道，一层就是空间上的一路传输通道，两层就是空间上的两路正交传输通道，依此类推。层的最大数量不超过接或发的天线数量，也就是收、发天线数量的最小值。不过最大层数只是定义了一个边界值，实际的无线环境决定了可用层数。无线环境可以利用多天线的传输矩阵来定理描述，而可用层等于该传输矩阵的秩（不相关的列向量的最大个数）。已知接收R和传输矩阵H，就可以球的发送的信号S。
MIMO系统根据发端的多个信号流是否相同，可以分为两种模式：
1）如果是不同的数据流，就是MIMO的复用模式，也就是空间复用模式；
2）如果是相同的数据流，就是MIMO的分集模式，也就是空间分集模式，特殊地，SIMO，相当于接收分集，MISO，相当于发射分集。