多天线技术

多天线系统通过在密集多径散射环境中放置分离天线而充分利用空间分集。这些系统可以采用许多不同方法来实现，以获得用于对抗信号衰落的分集增益，或者用于实现容量改善。

一般来说，多天线技术有三种。

第一类旨在通过使 "空间分集" 最大化来提高功率效率。

第二种类型使用空间复用，定义为 MIMO，当采用这一技术时，在散射丰富的环境中，同时经由不同天线传输相互独立的数据流，以提高有效数据传输率。

第三类多天线系统的发射机充分利用信道的信息，也称为波束赋形。这种系统利用信道信息建立波束赋形矩阵，作为发射机和接收机端的前置和后置滤波器，以实现容量增益。

空间分集

如果衰落信道不独立，换言之，它们之间具有相关性，则天线分集可能不会提高系统性能，这一点非常重要。

发射分集适用于 MISO 信道，如果每根发射天线到单一接收天线的信道具有独立的衰落特性，则分集阶数等于发射天线数。如果发射机不能得到有关信道特性的信息，则需要适当地设计发射信号，以便在接收机处实现分集增益。一种最近广受关注的发射分集技术就是 "空时编码 (STC)"。这种技术在不同时间向两根发射天线发送相同的用户数据，用于提高成功恢复所需数据的概率。STC 技术在空间和时间上均有效地对数据进行编码。

一种使用 Alamouti STC 的简化方框图如图所示。在此系统中，于任意符号周期期间，同时从两个不同天线发送两个不同符号。

在第一个时间周期内，从上部天线 #1 发送序列中的第一个符号 s0，同时从下部天线 #2 发送第二个符号 s1。在下一个符号时间内，从上部天线发送信号 -s1*，从下部天线发送信号 s0*。

信道系数 h0 表示发射天线 #1 与接收天线之间传输路径的幅度和相位。信道系数 h1 表示发射天线 #2 与接收天线之间的路径。注意，信道系数 h0 和 h1 是表示各自信道总幅度和相位的复数，包括所有多径效应。

需要注意的是，这种分集技术并未提高系统数据传输率，而是提高了信号质量。如图 2所示的序列使用的是在空间和时间上进行编码 (空时编码) 的序列。这种序列也可以在空间和频域进行编码。在此情形下，可以使用两个频率载波 (空频编码)，而不是从两根独立天线发射两个连续符号周期。

在 MIMO 中的分集需要上述发射和接收分集的组合。如果每个发射-接收天线对之间的信道衰落相互独立，则分集阶数等于发射天线数与接收天线数的乘积。

空间复用

给出一种使用 2x2 MIMO 配置的简单空间复用系统。可以很容易地把该系统扩展到更通用的 MxN MIMO 系统。在本例中，从上部发射天线 Tx0 发射第一个数据符号 s0，从下部发射天线 Tx1 发射第二个数据符号 s1。这两个数据符号的传输同时在第一符号时间内进行。在下一个符号时间内，同时传输数据符号 s2 和 s3。在此过程中，由于从每根天线交替发射不同的符号，并且每个符号仅发射一次，所以数据速率加倍。这种技术与 STC 不同，STC 技术是在两个天线的两个符号时间上重复发射数据符号。

在具有复信道系数 h00 的无线信道上，将信号从发射天线 Tx0 传到接收天线 Rx0。在具有复信道系数 h10 的无线信道上，将信号从天线 Tx0 传到天线 Rx1。可以通过适当地调整天线，让两个信道系数不同。在 Tx1 与两个接收天线之间也存在着相似的关系，这样我们共得到四个可能唯一的信道系数: h 00、h 10、h 01 和 h 11。

需要注意的是，空间复用只能在多径非常丰富的无线环境中提高传输速率。大量的多径会导致信道之间的低相关性，从而有可能在接收机端进行数据恢复。当信道高度相关时，空间复用的性能会快速恶化。

为使接收机能够正确恢复数据符号，可以用矩阵形式对式 12 重新整理如下

要从接收信号中恢复数据，需要对信道系数矩阵 [H] 求逆。如果 [H] 中的信道系数高度相关，矩阵求逆将变得非常困难，此矩阵被认为是病态的。在此技术中，由于 [H] 矩阵为 "病态矩阵"，所以当所计算的信道系数值和 r0 和 r1 的测量值发生微小变化时，s0 和 s1 的计算过程都会对此非常敏感。因此，系统中的任何噪声都可能对 s0 和 s1 的恢复产生严重影响。

波束赋形

在传统的波束赋形应用中，通过对每条信号路径进行复数加权 (幅度和/或相位) 来 "控制" 天线阵，以便在无线链路上获得最佳信噪比 (SNR)，之后，同时从每个天线阵元传输相同的信号或数据符号。在针对空间分集或者空间复用进行优化的波束赋形器中，每个天线阵元同时传输两个数据符号的加权组合。

波束赋形技术要求发射机端了解信道特性，而前面所讨论的空间分集和空间复用技术则没有这一要求。在此情形下，可能需要在接收机处对信道进行测量，并将信息发送回发射机。

发射机端的信道信息可以是完整的，也可以是不完整的。完整的信道信息意味着发射机知道信道矩阵 [H]。不完整信息可能是指瞬时信道的一些参数，例如信道矩阵的条件数或者与发射和/或接收相关特征关联的统计属性。条件数是最大奇异值与最小奇异值之比。条件数提供对矩阵求逆的精度指示，而这一精度决定了 MIMO 复用技术的适用程度。条件数接近 1 (0 dB) 表示良态矩阵，而大于 6 dB 的值表示定义不清的信道矩阵。

一种利用发射机端信道信息的预编码框架如图所示。

将待发射符号 s0、s1、s2 和 s3 ... 乘以一个加权函数，这个加权函数可以理解为 "波束赋形器"。在应用预编码加权后，作为空间复用，同时从两个发射天线发射两个独立的数据流。如图 4 所示，在第一个符号时间内，从上部天线发射的数据 x0 是前两个数据符号 s0 和 s1 的线性组合。在同一时间内，下部天线发射表示这两个符号不同组合的数据 x1，从而有效地使数据速率加倍。