图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址

前言：

第1章 MIMO多天线技术概述

1.1 三大目的

1.2 六大分类

第2章单天线SISO（单输入单输出）

2.1 概述

2.2 实现原理--多路“异频”《发送+接收》对

第3章接收分集MISO（多输入单输出）：冗余接收

3.1 概述

3.2 实现原理--多路不相干同频接收

第4章发送分集SIMO（单输入多输出）：冗余发送

4.1 概述

4.2 实现原理--多路不相干同频发送

第5章波束赋型SIMO（单输入多输出）：汇聚发送

5.1 概述

5.2 实现原理：多路相干同频发送

第6章空间复用与空分多址MIMO

6.1 概述

6.2 实现原理

前言：

MIMO技术和OFDM技术一起并称为LTE的两大最重要物理层技术。

OFDM是调制技术和频分复用技术，关注的是：在发送端，如何利特定带宽、包含N多个子载波的基带无线信号，并行承载不同用户的二进制比特数据，然后通过单根天线构建的单个无线信道发送；在接收端，如何利用通过单根天线把单个无线信道接收下来的基带信号，把不同子载波上承载的不同用户的二进制数据能分离出来的技术。

MIMO是多天线技术和空分复用技术，关注的是：使用多根天线，在发送端和接收端的物理空间中，构建多个相互不干扰的、空间正交的、物理无线信道，同时在收发双方的物理层之间，构建多个并行的逻辑无线信道，通过这些逻辑无线信道和物理无线信道来发送经过OFDM调制的多个数据流。目的是：增加系统的用户容量、或增加单用户的最大速率、或提升单用户的抗干扰的能力。

本文不仅仅拆解什么是多天线技术，还将拆解是不同类型的多天线技术的实现原理！

多天线技术的实现最核心的问题是：在小区带宽和载波频率、子载波数量不变的情况下，如何来区分不同天线的数据？

在接收时，如何把复用在同一个接收天线中信号，分离数据来自于哪个发送天线端口，同时如何把不同接收天线的数据合并起来。

发送时，如何把数据分流到不同的发送天线上？

第1章 MIMO多天线技术概述

多进多出：MIMO（multiple-in multipleout），是一种多天线技术。

使用多根天线，在发送端和接收端的物理空间中，构建多个相互不干扰的物理无线信道，同时在收发双方的物理层之间，构建多个并行的逻辑无线信道。

MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。

1.1 三大目的

（1）提升单用户的抗干扰的能力

在同一个小区(Cell)内，采用多个物理天线来服务单个用户的相同数据，在单条链路质量（信噪比）下降的情况下，接收端把不同天线收到的信号进行整合，通过多条无线信号的叠加，提升单用户的抗干扰的能力。多个天线共用相同的小区载波频率。

这里衍生出的技术有：

接收分集：MISO
发送分集：SIMO

（2）增加单用户的最大速率

在同一个小区(Cell)内，采用多个物理天线来服务单个用户的不同数据，在链路质量（信噪比）良好的情况下，可以有效提高频谱效率，提高单用户的最大数据速率。多个天线共用相同的小区载波频率。

这里衍生出的技术有：

波束赋形: SIMO
空分复用：MIMO

（3）增加小区的用户容量

在同一个小区(Cell)内，采用多个物理天线来服务不同用户的不同数据，在链路质量（信噪比）良好的情况下，相当于在实际带宽不变和射频载波频率的情况下，增加了小区的有效带宽。增加小区支持的用户数量。多个天线共用相同的小区载波频率。

这里衍生出的技术有：

空分多址: MIMO

1.2 六大分类

（1）单天线SISO（单输入单输出）：

对于每个小区，收发双发双方都是单个天线，每个天线都是全向天线，其信号都是全方位的。

当然，不同小区，可以分为几个扇区，不同扇区采用定向天线。但在某个120°的方向上，依然是“全向”。

（2）接收分集MISO（多输入单输出）：冗余接收

利用同一个无线信号在空间中多径传输的特点，通过多个天线来收集和接收信号，并把各个接收天线的无线信号汇聚起来，从而在接收端，提升信号的信噪比。

（3）发送分集SIMO（单输入多输出）：冗余发送

利用间距较大的接收天线之间的无线信号波形的不相关性，通过多个天线来发送多路冗余、重复的信号，从而在接收端把多余冗余的、重复的信号再汇聚起来，提升信号的信噪比。

（4）波束赋形SIMO（单输出多输入）

利用间距较小的接收天线之间的无线信号波形的相关性，通过多个天线阵元发送的电磁波之间形成干涩效应，把电磁波的能量集中到某个特定的方向，形成波束，提上某个方向的信号质量（信噪比）。

从而提升信号的覆盖范围和抗干扰能力。

（5）空间复用MIMO

在不增加频谱带宽的情况下，利用较大间距的天线阵列的阵元之间或波束之间的不相关性，为单用户提供多个不同的数据流，从而提高链路的容量和单用户的峰值速率。

（6）空分多址MIMO

在不增加频谱带宽的情况下，利用较大间距的天线阵列的阵元之间或波束之间的不相关性，为多个用户提供多个不同的数据流或基站并行从多个终端接收数据流，从而提升用户容量。

1.3 核心概念

（1）层

层是指在相同的带宽、相同的频率的载波之上，建立的空分正交的、可区分的、可以分离的无线传输通道。

核心是同频率，通过单根天线是无法实现的，需要借助多组天线对才能实现在相同频率的载波上，建立多组空间的传输通道。

每一个传输通道，就像空间中的一层，多个同频的传输通道，就构建了多层传输通道。

一层的传输通道，至少借助1个物理天线进行进行传输。

比如4*4MIMO, 就有4层，至少需要4个天线，每1个天线构建1个空间中的“层”。

也可以通过8根天线，构建4个层，每2个天线构建1个空间中的“层”。

层与层之间正交的，因此可以通过积分的方式进行分离。

空分复用技术，利用天线和传输矩阵构建少量的“层”。

CDMA码分多址，利用正交码构建大量的“层”。

（2）流

不同空间“层”上的传输的数据，称为流。

第2章单天线SISO（单输入单输出）

2.1 概述

对于每个小区，收发双发双方都是单个天线，每个天线都是全向天线，其信号都是全方位的。

当然，不同小区，可以分为几个扇区，不同扇区采用定向天线。但在某个120°的方向上，依然是“全向”。

2.2 实现原理--多路“异频”《发送+接收》对

每一路是一个独立的小区，每一路都是独立编码的，互不相关，通过层映射，选择不同的逻辑天线和物理天线，每一射频载波信号的频谱是相关隔离的，完全重叠。等效为：

第3章接收分集MISO（多输入单输出）：冗余接收

3.1 概述

3.2 实现原理--多路不相干同频接收

在上图中，有3个合路点。

合路-1：如果在此合路，则2路射频接收-》1路的OFDM-》1路资源映射-》1路解调

合路-2：如果在此合路，则2路射频接收-》2路的OFDM-》1路资源映射-》1路解调

合路-3：如果在此合路，则2路射频接收-》2路的OFDM-》2路资源映射-》1路解调

合路的方法：

等增益合并：把收到的各路信号，直接累加，得到最终收到的信号。
选择性合并：从收到的各路信号中，选择信号最强的一路，得到最终收到的信号。
最大比合并：把收到的各路信号，乘以每一路的权重后，再累加，得到最终收到的信号。

第4章发送分集SIMO（单输入多输出）：冗余发送

4.1 概述

4.2 实现原理--多路不相干同频发送

（1）在上图中，发送端有3个分路点：

分路点1：如果在此分路，则1路调制=》2路资源映射=》2路OFDM复用 =》2路射频发送

分路点2：如果在此分路，则1路调制=》1路资源映射=》2路OFDM复用 =》2路射频发送

分路点2：如果在此分路，则1路调制=》1路资源映射=》1路OFDM复用 =》2路射频发送

（2）分路的方法

数据拷贝

（3）每一路天线的能量分布

第5章波束赋型SIMO（单输入多输出）：汇聚发送

5.1 概述

波束赋形也是一种单输入多输出SIMO。

与发送分集的SIMO不同的是：

发送分集：每路信号之间是不相关的，因此每一路发送的信号在空间呈现是全向天线的能量分布。在接收端，各路射频信号，经过空间传输后，由接收电路进行芯片信号量能的相加。

波束赋形：每一路信号之间是相关的，利用间距较小的接收天线之间的无线信号波形的相关性，通过多个天线阵元发送的电磁波之间形成干涉效应，把电磁波的能量集中到某个特定的方向，形成波束，提上某个方向的信号质量（信噪比），信号在天线发送时，已经不再是每一路独立的全向天线的能量分布，而是经过相关干涉之后，形成的具有一定方向的电磁波，发送时候，电磁波的能量被汇集起来，指向一个特定的方向。从而提升信号的覆盖范围和抗干扰能力。

从上图可以看出，波束赋形，就是控制电磁波能量的发送方向，而不是任由电磁波向四周多出发散。

5.2 实现原理：多路相干同频发送

（1）相位控制波束的原理：

在发射端，波束赋形器控制每一个发射信号的相位和幅度，从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。其中控制信号的相位是核心。

在接收端，不同接收器接收到的信号被以一种恰当的方式组合起来，从而获得期盼中的信号辐射模式。

通过控制天线阵列中每一路信号的相位，使得在控制干涉的信号呈现一定的方向性，而不是多个、无关的、全方位的信号。

每一时刻，每一天线阵子发送的数据是相同的，都是s(t)，但每个天线的能量是总能量的1/N。

波束赋型通常不会增加信号的总能量，只是通过天线阵列，使得信号的能量更集中。能量集中的代价是牺牲信号的覆盖区域的面积。

（2）控制多路天线信号的相位有多种方法

模拟波束赋形

天线阵列中，不同物理天线的延时不同。因此可以选择发送信号的天线阵子，来控制不同信号之间的相对相位差，从而控制空口电磁波信号的发送方向。

模拟波束赋形直接控制的是天线的射频信号的延时。

数字波束赋形

数字式波束赋形和模拟式波束赋形的区别在于，前者是在发射端DAC之前完成波束赋形的信号处理，即处理的是数字信号，后者是在发射端DAC之后完成波束赋形的信号处理，即处理的是模拟信号；或者说前者是在接收端ADC之后完成波束赋形的信号处理，即处理的是数字信号，后者是在接收端DAC之前完成波束赋形的信号处理，即处理的是模拟信号。

为什么5G NR开始广泛使用模拟式波束赋形呢？因为5G NR的天线数量多了。如果还是使用数字式波束赋形，那么每个天线单元上都必须有一个DAC（发生端）或者ADC（接收端）。如果有100个天线单元，那么就要有100个DAC（发生端）或者ADC（接收端）；这就让天线变得非常臃肿复杂，功耗也大大增加。如果使用模拟式波束赋形，由于多路信号其实是对一个输入信号的相位或者振幅调整，只需要在波束赋形处理矩阵之前有1个DAC（发生端）或者ADC（接收端）即可，因此硬件设计非常的简单。

当然，数字式波束赋形也有其不可替代的优点。数字式波束赋形可以并行处理多路（比如100路）信号，可以并行获得很多路不同的输出信号，可以同时测量来自不同方向的信号。这些都是模拟式波束赋形做不到的，因为数字信号可以被完美地复制，而模拟信号做不到。这也是4G LTE使用数字式波束赋形的原因，而5G NR也没有放弃它，而是与模拟式波束赋形一起使用。