这是一个在无线通信中至关重要的技术，它的核心思想非常直观：“不要把所有鸡蛋放在一个篮子里”。
什么是分集天线技术？
定义： 分集天线技术是一种通过利用传输环境中信号的多个独立样本来提高通信链路可靠性的技术，它不增加发射功率，也不占用额外带宽，而是通过对接收到的多个（通常是两个或以上）衰落特性不相关的信号进行特定的合并处理，来对抗无线信道中的多径衰落。
核心目标：
- 提高链路可靠性：降低信号因深衰落而中断的概率。
- 提升接收信号质量：增加信噪比,从而提高数据传输速率和系统容量。
- 增强覆盖范围：在信号边缘区域,通过分集技术也能获得稳定连接。
为什么需要分集天线技术？
无线通信的挑战在于信号的多径衰落，当无线信号从发射端到接收端的路径上，遇到建筑物、山脉、树木等障碍物时，会产生反射、绕射和散射，这些反射信号会经历不同的路径长度、时延和衰减,最终在接收端叠加。
这种叠加会导致两种主要现象：
- 相长干涉：信号相位相同时,幅度增强。
- 相消干涉：信号相位相反时，幅度减弱,甚至完全抵消。
当接收天线或移动台（手机）移动时，这些路径的相对相位关系会不断变化，导致接收信号的强度呈现出快速、剧烈的波动，这就是快衰落，如果接收天线恰好处于信号相消干涉的“零点”,通信就会中断。
分集技术就是为了解决这个问题而生的，它通过在不同位置、不同时间、不同频率或不同极化上获取多个信号副本，确保这些副本不会同时经历深衰落，这样，即使其中一个副本质量很差,其他副本仍然可以被用来恢复出原始信息。
分集技术的分类
分集技术可以从多个维度进行分类，最常见的是根据信号副本的获取方式来划分。
A. 空间分集
这是最经典和最常用的分集方式,利用空间上分离的天线来获取不相关的信号副本。
- 原理：如果在空间上相距足够远的天线单元，它们所经历的信号衰落路径是独立的（不相关），根据天线理论，为了获得不相关的信号，天线之间的距离通常需要大于半波长（λ/2）。
- 实现方式：
- 接收分集：在基站或手机上安装多根接收天线，这是最常见的形式，例如4G/5G基站广泛使用的MIMO技术就包含了接收分集。
- 发射分集：在基站端安装多根发射天线,将同一个数据流经过编码后从不同天线发射出去。
- 应用：几乎所有现代蜂窝系统（4G LTE, 5G NR）的基站都采用了多天线阵列,其中空间分集是基础。
B. 极化分集
- 原理：利用电磁波的不同极化状态（如垂直极化和水平极化）来获取不相关的信号副本，由于多径散射效应,两种极化方向的信号在接收端会变得不相关。
- 实现方式：使用一对正交极化的天线（如一个垂直极化，一个水平极化）。
- 优点：不需要在空间上拉开天线距离，可以节省天线尺寸和安装空间,非常适合于手机等小型设备。
- 应用：常用于室内分布式天线系统和一些紧凑型基站天线。
C. 角度分集
- 原理：利用不同方向到达的信号（即不同角度的多径分量）来获取不相关的信号副本，通过使用方向性天线（如天线阵列）或智能天线技术,可以分离出不同角度的信号。
- 实现方式：使用天线阵列,通过波束成形技术分离不同方向的信号。
- 应用：这是MIMO和智能天线技术的基础，在5G Massive MIMO中得到了极致应用。
D. 频率分集
- 原理：将同一个数据流在多个不同的频率上进行传输，由于不同频率的信号在信道中的衰落特性不同，只要频率间隔足够大（大于信道的相干带宽）,就可以获得不相关的信号副本。
- 实现方式：OFDM（正交频分复用）技术本身就是一种频率分集，将数据分散到多个子载波上传输，即使某些子载波深衰落,其他子载波的数据仍然可以恢复。
- 应用：Wi-Fi、4G LTE、5G NR都广泛采用OFDM技术,天然具备频率分集特性。
E. 时间分集
- 原理：在时间上分散传输同一个数据流，只要时间间隔足够长（大于信道的相干时间），信道衰落特性就会发生变化,从而获得不相关的信号副本。
- 实现方式：通过信道编码（如Turbo码、LDPC码）和交织技术实现，编码后的比特被打乱顺序后发送，即使某个时间段内发生深衰落,接收端仍可以通过解码和去交织恢复出大部分数据。
- 应用：这是所有数字通信系统的标准配置,是纠错能力的核心来源。
信号合并技术
当分集系统接收到多个不相关的信号副本后，需要将它们合并起来以获得最佳性能,常见的合并方式有四种：
| 合并方式 | 原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 选择合并 | 从所有接收信号中选择信噪比最高的一个进行解调。 | 实现简单，成本低。 | 性能相对较差，只利用了最好的信号，浪费了其他信号。 |
| 最大比合并 | 对所有分支的信号进行加权，加权系数与各分支的信噪比成正比，然后同相相加。 | 性能最优，能有效合并所有信号能量。 | 实现复杂，需要精确的信道状态信息。 |
| 等增益合并 | 对所有分支的信号进行等幅加权（通常为1），然后同相相加。 | 性能接近MRC，但实现简单，无需知道各分支的SNR。 | 性能略逊于MRC。 |
| 开关合并 | 按顺序选择一个分支进行接收，当该分支的SNR低于某个阈值时，切换到下一个分支。 | 实现简单，硬件成本低。 | 性能较差，切换过程可能引入延迟。 |
MRC（最大比合并）在理论上性能是最好的，因此在实际系统中，尤其是在基站端，通常会采用MRC或其简化版本（如EGC）。
分集技术与MIMO的关系
这是一个非常常见且重要的问题。
- 分集：核心目标是提高可靠性，对抗衰落，它通过传输同一个数据流的多个副本来实现的，可以理解为“复制+合并”。
- MIMO (Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)：是一个更宽泛的概念，它包含分集，但更强调提升容量，MIMO通过在发射端和接收端使用多根天线，可以同时传输多个独立的数据流,从而成倍地提高信道容量。
关系总结：
- MIMO可以提供分集增益：空时编码就是一种在MIMO系统中实现发射分集的技术。
- MIMO的核心优势是空间复用：这是分集技术不具备的，分集只传一个数据流，而空间复用可以同时传N个数据流（N为天线数）。
- 分集是MIMO的基础：没有多天线带来的空间自由度,分集和空间复用都无法实现。
可以这样理解：分集是MIMO这座大厦的“地基”之一，而空间复用则是这座大厦的“主体结构”。
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 核心思想 | “不要把所有鸡蛋放在一个篮子里”，利用多个独立的信号副本对抗衰落。 |
| 主要类型 | 空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集。 |
| 关键技术 | 信号合并技术，尤其是最大比合并。 |
| 主要优势 | 显著提高通信链路的可靠性、降低中断率、提升数据速率和系统容量。 |
| 与MIMO关系 | 分集是MIMO技术的重要组成部分，但MIMO的核心优势在于空间复用，而不仅仅是分集。 |
| 应用现状 | 是现代无线通信（4G, 5G, Wi-Fi 6/7）的基石技术，无处不在。 |
分集天线技术是无线通信对抗恶劣传播环境的“利器”，它以较低的成本和复杂度，极大地提升了通信系统的鲁棒性和性能,是移动通信从1G发展到5G过程中不可或缺的关键技术之一。
