第一部分：分集接收
什么是分集接收？
核心思想： “不要把所有鸡蛋放在一个篮子里”。
在无线通信中，信号从发射端到接收端，会经过复杂的传播环境（如反射、散射、衍射），导致接收端收到的信号强度和相位不断变化，这种现象称为“衰落”，如果只使用一根天线接收，一旦信号在该时刻、该位置发生深度衰落（信号极弱）,通信就会中断或出错。
分集接收就是为了对抗这种衰落而设计的一种技术，它的核心是创建多个独立的、不相关的信号副本，然后通过某种合并算法将这些副本合并起来，由于这些副本经历的衰落是相互独立的，它们同时陷入深度衰落的概率极低，这样，只要其中有一个或几个副本的信号质量尚可,就能保证通信的可靠性。
分集接收的关键要素
一个有效的分集系统必须满足两个基本条件：
- 独立性: 各个接收信号副本的衰落特性应该是相互独立的，如果它们完全相关（比如来自同一个路径）,那就失去了分集的意义。
- 合并: 需要一个合并算法来将多个副本信号组合成一个更强的信号。
分集的分类（如何创建独立的副本）
分集可以从不同维度来创建：
A. 空间分集 这是最常见、最直观的分集形式，使用多根物理上分离的天线来接收信号。
- 原理： 只要天线之间的距离足够大（远大于波长），它们接收到信号经历的衰落就是独立的，因为信号从不同路径到达不同天线时,相位和幅度是随机的。
- 实现方式： 多天线系统,这也是我们接下来要重点讨论的多天线技术的基础。
B. 频率分集 在不同的频率上传输相同的信息。
- 原理： 不同频率的信号在无线信道中经历的衰落是不同的，如果一个频率点衰落了,另一个频率点可能很好。
- 实现方式：
- 扩频通信： 如CDMA技术,将信号能量扩展到很宽的频带上。
- OFDM： 将数据流分成多个并行的子载波在多个频率上传输,天然具有频率分集效果。
- 跳频： 在不同频率间快速切换。
C. 时间分集 在不同的时间点上传输相同的信息。
- 原理： 无线信道的衰落特性是随时间变化的，如果信号在
t时刻衰落严重，在t+Δt时刻（只要Δt足够大）信道条件可能已经改善。 - 实现方式：
- 交织编码： 将数据在时间上打散发送，接收端再重新排序，这样信道突发性的错误会被分散开,便于纠错。
- 重传机制： 如ARQ（自动重传请求），如果第一次接收失败,就在稍后重传。
D. 极化分集 使用不同极化方式（如水平极化和垂直极化）的天线来接收信号。
- 原理： 不同极化方向的信号在传播中经历的衰落是独立的。
- 实现方式： 在基站或终端上安装两个极化方向正交的天线。
分集合并技术
当接收到多个独立的信号副本后,如何合并它们？
- 选择合并: 最简单的方式，从所有副本中选择瞬时信噪比最高的一个信号作为最终输出。
- 优点： 实现简单。
- 缺点： 没有充分利用其他信号的信息。
- 最大比合并: 性能最好的合并方式，给每个信号副本分配一个权重，该权重与其信噪比成正比，然后将加权后的信号相加。
- 优点： 能最大化合并后的信噪比,性能最优。
- 缺点： 实现相对复杂,需要知道每个支路的信噪比。
- 等增益合并: 性能介于SC和MRC之间，给所有信号副本分配相同的权重（通常是1），然后将它们直接相加。
- 优点： 实现比MRC简单,性能优于SC。
- 缺点： 性能略逊于MRC。
第二部分：多天线技术
多天线技术是现代无线通信（如4G LTE, 5G, Wi-Fi）的基石，它不仅仅是实现分集接收,还能带来更多好处。
多天线技术的两大应用方向
多天线技术主要分为两大类,它们的目标和实现方式完全不同：
A. 分集与发射分集
- 目标： 提高通信的可靠性，对抗衰落,降低误码率。
- 核心思想： 在发送端和/或接收端使用多根天线，创造出多个独立的信号路径,通过合并这些路径的信号来增强接收效果。
- 工作模式：
- SISO (Single-Input Single-Output): 单进单出,一根天线收发。
- SIMO (Single-Input Multiple-Output): 单进多出，即接收分集，基站一根天线，终端多根天线,这是最常见的上行链路场景。
- MISO (Multiple-Input Single-Output): 多进单出，即发射分集，基站多根天线，终端一根天线，基站可以将数据的多个副本（经过不同处理）发送出去,终端的天线负责合并。
- MIMO (Multiple-Input Multiple-Output): 多进多出，收发两端都使用多根天线，这是最强大的形式，既能实现分集,也能实现空间复用。
B. 空间复用
- 目标： 提高通信的速率,即在有限的频谱资源下传输更多数据。
- 核心思想： 在一个相同的频带上，同时发送多个独立的数据流，这些数据流通过空间维度被“分离”，接收端利用多根天线的特性将它们“解调”出来。
- 工作模式：
- 需要信道状态信息： 接收端需要知道信道的精确状态,才能正确地分离出多个数据流。
- 对信道要求高： 需要丰富的散射环境，以保证不同天线之间的信道足够不相关,从而能区分开不同的数据流。
- 例子： 假设基站有2根天线，终端也有2根天线，基站可以同时发送2个独立的数据流A和B，终端通过其两根天线和信道信息，可以计算出如何将混合在一起的A和B信号完美地分离出来，这样,数据速率就翻倍了。
多天线技术如何实现分集？
我们以最经典的 Alamouti 空间编码为例,它是一种简单的发射分集方案。
- 场景： 基站有2根天线，终端只有1根天线（MISO）。
- 目标： 发送一个数据符号
S1。 - 过程：
- 在第一个时间片
T1，基站从天线1发送S1，从天线2发送-S1*(S1的共轭)。 - 在第二个时间片
T2，基站从天线1发送S2，从天线2发送S2*。
- 在第一个时间片
- 效果： 终端的单根天线在
T1和T2会接收到两个混合信号，通过一定的合并算法（如最大比合并），终端可以获得两个独立的、包含了原始信息S1和S2的副本，这就实现了2阶的分集增益,意味着误码率性能会随着信噪比的降低而显著改善。
第三部分：分集接收与多天线技术的关系总结
| 特性 | 分集接收 | 多天线技术 |
|---|---|---|
| 核心目标 | 提高可靠性（抗衰落、降低误码率） | 提高可靠性 和 提高速率 |
| 实现手段 | 创建多个独立的信号副本并合并 | 在收发两端部署多根天线 |
| 关系 | 多天线技术是实现空间分集最主要、最高效的物理层方法。 | 多天线技术是更广义的概念，它包含了利用分集来提升可靠性的应用，也包含了利用空间复用来提升速率的应用。 |
一个生动的比喻：
想象一个嘈杂的房间（衰落信道）里有一个人（发射端）对你说话。
- SISO (单天线): 你只用一只耳朵听，如果此时有人在你耳边大声说话（深度衰落）,你可能就完全听不清了。
- SIMO (接收分集): 你用两只耳朵听（多天线接收），即使一边耳朵被干扰，另一只耳朵很可能还能听清，你的大脑会自动选择或合并两只耳朵听到的声音（合并算法）,从而更可靠地理解对方的话。
- 空间复用: 房间里有两个人（发射端）同时对你说两件不同的事，但他们分别站在你的左右两侧（多天线发射），你的两只耳朵可以同时接收到两句话，并且你的大脑能够将它们区分开，这样你同时听到了两倍的信息（速率翻倍）。
分集接收是一种对抗信道衰落的通信策略，其核心是“冗余”。多天线技术是实现这一策略的强大工具，它通过在空间上创建多个独立的信道来提供分集增益，多天线技术还发展出了“空间复用”这一革命性的技术，用以提升数据传输速率，可以说，没有多天线技术，现代高速、可靠的无线通信将无从谈起。
