第1章
多天线及波束赋形技术发展概述
| 1.3 多天线传输技术分类 |
1.3.3 波束赋形
1.3.4 发射分集
如果由于高速移动等原因，发送端无法及时准确地获取信道的状态信息， 或者对于某些数据或控制信息而言，对其传输可靠性的要求超过了对传输速率 和容量的需求，这时可以利用并行的数据通道分别传送具有一定冗余度的信息。 然后在接收检测的过程中，接收机将经过相对独立的数据通道收到的多个冗余 样本合并起来，就可以改善传输的可靠性。
Almouti 所提出的空时块码（STBC，Spatial-Time Block Code）[9]是一种典 型的发射分集技术。在理想情况下，该技术可以通过空间和时间二维的简单编 码获得正交的等效信道，从而能够获得满分集增益。如图 1.9 所示，对于具有 两个天线的发射机，在第一个发送时刻通过两个天线分别发送 s1 和 s2 的原始版 本，在第二个发射时刻分别发送−s2 的共轭以及 s1 的共轭。
假设接收机使用单根天线。如果信道在两次传输时保持不变，则等效信道 具有正交性，这时可以在接收端通过简单的线性加权得到如下形式的检测后信 号向量。
式（1-23）中若两个发送天线到接收天线的传播系数 h1 和 h2 不相关（或相 关性较低），则 22 12 hh + 同时处于深度衰落的可能性将会降低，从而改善了接 收信号质量的稳定性。在实际的应用环境中，由于相邻符号间的信道特性会发 生变化，很难获得严格正交的等效信道。因此接收机也不能简单地利用等效信 道的共轭转置 H H 进行检测，此时也需要使用 ZF（Zero Forcing）或 MMSE （Minimum Mean Squared Error）等接收检测算法。
与 STBC 类似，也可以利用两个发射天线和两个相邻的子载波构建 Almouti 码组，这种结构称为空频块码（SFBC，Spatial Frequency Block Code）。
除了 STBC/SFBC 利用正交设计获取分集增益的方法之外，另外一类发射 分集技术则需要利用多天线增加等效信道的时间或频率选择性，然后利用信道 编码形成发送信息的多个冗余样本，并分别通过相对独立的时间或频率发送各 个样本。在接收端，再通过信道译码将多个样本进行合并，从而获得分集的效 果。此类发射分集技术的典型方案包括 CDD 以及 TSTD/FSTD（Time Switched Transmit Diversity/ Frequency Switched Transmit Diversity）。
CDD 的实现原理如图 1.10 所示。在发射端，通过信道编码加入冗余；通 过交织保证相邻的信息被分散到相关性较低的频域位置；通过调制器将编码比 特映射到调制符号；通过 IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）变换到时域， 形成 OFDM 信号；然后在不同的发射天线上使用不同的时延量对时域信号进行 循环位移，形成发送信号向量。
接收天线上收到的多个时延分量相互叠加，得到式（1-24）所示的信号。
由于发送信号在多个天线上使用了不同的循环位移，接收信号经历的等效 信道呈现出一种人为制造的多径效果。这种“多径效应”增加了等效信道的频 率选择性。因此，同一份信息经过信道编码加入冗余并经过交织分散之后形成 的多个冗余样本会通过相对独立的子载波到达接收机。接收机对信息进行译码 的过程，等效于将经过相对独立数据通道传输的同一信息的多个样本进行了合 并。这样，信息传输的可靠性就可以得到改善。
信号的循环时延在频域等效于相位偏转，因此也可以在频域的各个子载波 上，通过不同天线通道上的不同相位偏转实现 CDD 的效果。在不同天线阵子 上的使用加权的方式传送一个数据流的形式可以等效为一种波束赋形，因此 CDD 的频域实现方式也可以理解为一种盲（或随机）波束赋形。其效果在于通过不同频域位置上的随机波束赋形，增加等效信道的频率选择性。相对于时域 实现方式，CDD 的频域实现能够更灵活地实现多个用户在不同的频域位置采用 不同的 MIMO 传输方式。
与 CDD 相类似，TSTD/FSTD 技术也是利用多天线增加等效信道的选择性， 再结合信道编码/译码来获得分集效果的。图 1.11 中给出了 TSTD 的发射机原理。 经过信道编码与调制的信息按照预先设定的时序轮流通过多个发射天线进行发 射。如果各天线经历的信道相对独立，则同一编码块的信息在不同时刻发送时会 经历相对独立的衰落。这样接收译码时，通过对不相关的传输通道获取的多个信 息样本的合并就能够获得分集增益。FSTD 则是由多个天线分别在不同的频域资源 发送信息，以此增加等效信道的频率选择性，并结合信道编译码获取分集效果。
除了分集效果之外，上行天线切换也是利用互易性获取完整信道状态信息 的一种方法。如终端出于节约成本和节电的考虑，可能配置的发送射频通道数 量少于接收通道数量。在这种情况下，通过天线切换发送的方式，让各天线在 不同时刻发送参考信号，就可以使基站获得完整的信道矩阵。
对于 CDD 和 TSTD/FSTD 这类方案而言，都是通过多天线增加等效信道的 时间或频率选择性，其分集效果在很大程度上还要取决于信道编译码。通过多 天线增加信道选择性的分集方案如图 1.12 所示。
在实际应用中，上述发射分集技术可以结合使用。如在 LTE 系统中，对于 两天线的情况使用了 SFBC 技术，4 天线时则使用了 SFBC+FSTD 的方案。对 于传输模式 3，还将 CDD 和空间复用技术进行了结合，以提高开环空间复用传 输的可靠性。