多天线技术

多天线技术是现代无线通信（从4G到5G乃至6G）的基石，它极大地提升了通信系统的容量、覆盖范围和可靠性。重点介绍提到的三项核心技术：MIMO、波束赋形 和 空分多址。

一、多输入多输出 - MIMO

核心思想： 在发射端和接收端同时使用多个天线，利用空间维度来传输更多数据或提高信号质量。

工作原理：
MIMO技术通过多个天线同时发送和接收多个数据流。它利用了“多径效应”——即无线信号经过建筑物、山脉等物体反射后，会从不同路径、在不同时间到达接收天线。传统技术视多径为干扰，而MIMO则将其转化为优势。

空间复用：

• 是什么： 在相同的频率和时间资源上，通过多个天线并行传输多个独立的数据流。

• 效果： 直接提升系统容量和峰值速率。就像将单车道高速公路扩建为多车道。

• 例子： 你的Wi-Fi路由器有4根天线，手机有2根天线，理论上可以同时传输2个数据流，使下载速度翻倍。

空间分集：

• 是什么： 通过多个天线发送同一数据的多个副本，利用信号经过独立路径衰落的特性。

• 效果： 提高信号的可靠性和覆盖范围，减少深衰落的影响。确保即使某条路径信号很差，其他路径的信号也能被正确接收。

• 例子： 在小区边缘信号较弱时，基站通过多个天线发送相同数据，确保你的通话不掉线。

• 波束赋形： 这是MIMO的一种特殊实现方式，下面会详细展开。

二、MIMO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。

三、MIMO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。

四、波束赋形 - Beamforming

核心思想： 通过调整每个天线的信号相位和幅度，将无线信号能量聚焦到一个特定的方向，就像手电筒的光束一样，而不是向所有方向均匀辐射。

工作原理：

传统天线像灯泡，向四周发光，能量分散。

波束赋形通过控制天线阵列中每个天线发射信号的时序（相位），使得在目标方向上电磁波同相叠加，信号增强；在其他方向上反相抵消，信号减弱。

主要好处：

• 增强覆盖距离： 能量集中，可以传得更远。

• 提高信号质量： 在目标终端处接收到的信号更强（信噪比提升）。

• 减少干扰： 光束只对准目标用户，对其他用户的干扰减小。

• 节能： 能量被有效利用，而非浪费在不需要的方向上。

波束赋形是实现大规模MIMO 的关键技术。在5G中，基站可能有64、128甚至256根天线，通过波束赋形可以同时为多个用户形成独立的、狭窄的波束。

五、空间复用与空分多址SDMA

空间复用与空分多址在技术实现上是类似的，因此放在一起阐述。

空间复用：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。

空分多址：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。

核心思想： 利用用户所处的空间位置差异，在同一时间、同一频率资源上同时服务多个用户。

空分多址工作原理：
SDMA不是一项孤立的技术，而是MIMO和波束赋形技术在多用户接入方面的应用。

基站通过智能天线阵列（具备波束赋形能力），为处于不同空间方向的用户A和用户B分别生成一个独立的波束。

这两个波束使用相同的时频资源，但因为在空间上是分离的，所以互不干扰。

主要好处：

• 大幅提升系统容量： 实现了空间维度的频率复用，是蜂窝网络容量提升的革命性技术。

六、总结

这三者不是相互独立的技术，而是一个相辅相成、紧密关联的技术体系。

MIMO 是基础框架 -> 波束赋形 是实现手段 -> 空分多址 是最终目标

• MIMO 提供了理论基础：利用多天线和空间维度。

• 波束赋形 是MIMO的一种高级形式，它利用天线阵列来控制能量的辐射方向，是让MIMO变得更高效、更强大的“利器”。

• 空分多址 是利用MIMO和波束赋形技术后，在系统接入层面实现的最终效果——让多个用户共享相同的时频资源，从而革命性地提升网络容量。