LTE 的下行天线技术主要围绕一个核心概念：MIMO (Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)，MIMO 技术利用在发送端和接收端部署的多根天线，通过空间分集、空间复用等技术，在不增加带宽和总发射功率的情况下,成倍地提升系统容量和数据传输速率。
下面，我们将从基础到进阶，详细介绍 LTE 下行涉及的主要天线技术。
核心基础：MIMO (多输入多输出)
MIMO 是 LTE 下行所有天线技术的基石,它主要包含两种基本工作模式：
分集
目的：提升链路的可靠性和覆盖范围，对抗信号衰落。 原理：在发送端发送相同的数据，通过多根天线从不同的空间路径发送出去，接收端接收到这些信号后，通过合并算法（如最大比合并 MRC）将它们“叠加”起来，由于多条路径的衰落特性不同，同时全部深衰落的概率极低，因此接收端总能成功解出数据，从而降低了误码率,增强了信号质量。
- 空间发射分集：
- SFBC (Space Frequency Block Coding, 空频块编码)：LTE 最基本和广泛使用的分集技术，将连续的两个符号（如 S1, S2）编码后，在两个天线上发送（天线1: S1, S2；天线2: -S2, S1），接收端可以利用这种编码关系来恢复信号,有效对抗快衰落。
- FSTD (Frequency Switched Transmit Diversity, 频率切换发射分集)：两个天线在不同的子载波上交替发送相同的数据。
复用
目的：提升峰值速率和系统容量。 原理：在发送端将不同的数据流（用户 A 的数据和用户 B 的数据，或者一个用户的数据流被拆分成多个子流）通过多根天线同时发送出去，只要发送端和接收端的天线数量足够，并且信道条件良好（即多径足够丰富），接收端就可以利用先进的信号处理算法（如线性预编码、ZF/MMSE 迫零等）将这些数据流分离开来，从而实现并行传输,成倍提高数据速率。
- 空间复用：
- 闭环复用：基站通过信道状态信息反馈，动态调整预编码矩阵，以匹配当前的无线信道，从而最大化复用增益，这需要终端反馈丰富的信道信息（PMI, RI）。
- 开环复用：基站不依赖终端的反馈，而是使用预定义的、固定的预编码方案（如基于码本的预编码）进行数据传输，这种方式对终端反馈要求低,但性能略逊于闭环复用。
LTE 下行主流天线技术方案
结合 MIMO 的分集和复用模式，LTE 定义了多种下行天线配置方案，最常见的是 2x2 和 4x4，分别代表基站和终端各有 2 根或 4 根天线。
2x2 MIMO (最主流配置)
这是 LTE 网络中最基础和广泛部署的方案，基站配置 2 根天线，终端也配置 2 根天线（或 1 根，但接收能力受限）。
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传输模式 3：开环空间复用
- 工作方式：不依赖终端的信道状态信息反馈，直接发送两个独立的数据流，通过循环前缀和 Alamouti 预编码等方式来区分数据流。
- 适用场景：终端高速移动或信道变化快的场景，因为不需要等待反馈,延迟低。
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传输模式 4：闭环空间复用
（图片来源网络，侵删）- 工作方式：终端需要周期性地向基站反馈预编码矩阵指示和秩指示，基站根据这些反馈，选择最佳的预编码方案来发送数据流,以匹配信道。
- 适用场景：终端低速移动、信道条件稳定且良好的场景,能提供比开环复用更高的峰值速率。
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传输模式 5：多用户 MIMO (MU-MIMO)
- 工作方式：这是空间复用的一种特殊形式，基站利用其 2 根天线，同时向两个不同的单天线终端发送不同的数据流，这两个终端在空间上是相互正交的（在小区的两个不同位置），基站通过波束赋形将信号能量集中在各自的方向上,从而避免了对彼此的严重干扰。
- 优势：极大地提升了小区的总吞吐量和系统容量，是 LTE 提高小区容量的关键技术。
4x4 MIMO (增强型配置)
为了追求更高的峰值速率和系统容量，LTE-Advanced (LTE-A) 引入了 4x4 MIMO，基站配置 4 根天线，终端也需要支持 4 根天线（通常高端手机支持）。
- 工作方式：与 2x2 MIMO 类似，同样支持开环/闭环空间复用，但由于天线数量翻倍,理论上峰值速率可以再翻倍。
- 关键技术：更复杂的预编码，基站不再是简单地发送数据流，而是根据信道状态信息，对信号进行“加权”和“整形”，将能量集中在信号质量最好的方向上，同时抑制对其他用户的干扰，这通常与波束赋形技术结合使用。
高级天线技术：波束赋形
波束赋形是 4x4 MIMO 及以上天线配置中的一项核心技术,它将空间复用和分集的概念推向了极致。
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原理：
- 传统 MIMO（如 2x2）将信号能量相对均匀地辐射到各个方向。
- 波束赋形则利用多根天线阵列的相位和幅度的精确控制，将信号能量聚焦成一个或多个窄的波束,精确指向特定的用户。
- 这就像用“手电筒”代替“灯泡”，光束更集中，照射距离更远,能量利用率更高。
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优势：
- 提升覆盖和边缘速率：将能量聚焦到目标用户，增强了该用户的接收信号强度,从而改善了小区边缘的用户体验。
- 抑制干扰：通过将零陷对准干扰源,可以主动地抑制对邻近小区或小区内其他用户的干扰。
- 提升系统容量：结合 MU-MIMO，可以同时为多个用户创建独立的波束，实现空间上的复用,大幅提升系统总容量。
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实现方式：
- 基于码本的波束赋形：LTE-Advanced Pro (LTE-3.9G) 及 5G NR 中广泛使用，基站从预定义的“码本”（一系列预编码矩阵）中选择一个最优的,与终端进行交互。
- 大规模天线阵列：这是 5G NR 的核心技术，但在 LTE 的演进中也已有体现，通过部署数十甚至上百根天线，基站可以形成极其精细和可控的波束,实现更高的能量效率和频谱效率。
LTE 天线技术演进与总结
| 技术特性/阶段 | LTE (Rel-8/9) | LTE-Advanced (Rel-10/11) | LTE-Advanced Pro (Rel-13/14+) |
|---|---|---|---|
| 核心天线技术 | 2x2 MIMO (分集、复用) | 引入 4x4 MIMO | 大规模天线阵列、3D 波束赋形 |
| 主要传输模式 | TM3 (开环复用), TM4 (闭环复用) | TM9 (双流波束赋形) | TM10 (支持更多层数和更灵活的波束) |
| 关键技术 | SFBC, FSTD, SU-MIMO, MU-MIMO | 高阶预编码, CoMP (协作多点) | 3D MIMO, 全维度 MIMO (FD-MIMO) |
| 目标 | 基础速率和容量提升 | 峰值速率和小区边缘性能提升 | 网络深度覆盖、高容量、低时延 |
| 天线配置 | 主要为 2x2 | 引入 4x4, 8x8 等 | 开始部署 8x8, 16x16, 32x32 甚至更高 |
| 演进方向 | 从“粗放式”利用空间资源 | 到“精细化”地控制信号能量 | 再到“智能化”的动态波束管理 |
LTE 下行天线技术的演进路径是：
- 从基础到高级：从简单的 2x2 MIMO 分集，发展到复杂的 4x4 及以上的空间复用。
- 从广播到聚焦：从全向或扇区化广播，发展到利用波束赋
