天线阵列增益
这是最基础的增益,也称为阵列增益或波束赋形增益，它源于多个天线单元协同工作，将能量在特定方向上进行“聚焦”。
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- 原理：想象一下，你用一只手喊话，声音是向四面八方散开的，但你用两只手拢在嘴边，声音就会集中地朝向一个方向传得更远，多天线阵列也是如此，通过精确控制每个天线单元发射信号的相位和幅度，使得在期望方向上的信号同相叠加，能量增强；而在其他方向上的信号则相互抵消，能量减弱，这个过程就叫做波束赋形。
- 效果：
- 增加覆盖距离：将能量集中在目标用户，相当于增加了有效发射功率。
- 提高信噪比：在接收端，将接收波束对准信号来源，也能增强有用信号，同时抑制来自其他方向的干扰和噪声。
- 量化：对于一个由 N 个天线单元组成的理想阵列，其阵列增益大约为 *10 log₁₀(N) dB**，一个 8 天线的系统，其阵列增益约为 9 dB。
关键点：这种增益是通过空间滤波实现的，它增强了信号的功率，从而提高了信噪比。
分集增益
分集增益主要用来对抗无线信道衰落，衰落是由于多径效应（信号经不同路径反射、绕射到达接收端）和移动引起的信号强度快速、随机波动的现象，如果信号在某个时刻或某个频率上深衰落了，就可能丢失数据。
分集的核心思想是：“不要把所有鸡蛋放在同一个篮子里”，通过在不同维度上传输多个信号副本，只要有一个副本没有被深衰落影响，通信就能成功。
多天线技术可以从以下几个维度实现分集：
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空间分集：
- 原理：在空间上相隔一定距离（大于半个波长）的天线，它们所经历的衰落是统计独立的，如果一个天线的信号正在深衰落，另一个天线的信号很可能处于正常状态。
- 实现方式：
- 发射分集：如 Alamouti 码（2x2 MIMO系统），发射端通过编码，将数据分散到两个天线上发送。
- 接收分集：接收端使用多个天线接收，通过算法（如最大比合并 MRC）选择或合并信号最好的副本。
- 效果：极大地降低了数据包的误码率，尤其是在移动性高、多径丰富的环境中，通信的可靠性和鲁棒性显著增强。
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频率分集：
- 原理：如果信号在某个频率上衰落，那么在另一个频率上可能就不衰落，通过将数据分散到不同的频率子载波上传输（如 OFDM 技术），可以对抗频率选择性衰落。
- 实现方式：OFDM 技术本身就是一种频率分集，MIMO 可以与 OFDM 结合，在每个子载波上都进行空间分集或复用。
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时间分集：
- 原理：在时间上相隔足够远的时刻，信道衰落特性是独立的。
- 实现方式：信道编码（如 Turbo 码, LDPC 码）和交织技术，数据被打散后，在不同的时间片上发送，即使某个时间片遇到深衰落，接收端也能通过其他时间片的数据来纠错。
- 与MIMO结合：MIMO 的空间编码（如空时码）本质上就是一种结合了空间和时间分集的技术。
关键点：分集增益主要提升了通信的可靠性，通过对抗衰落来降低误码率。
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复用增益
复用增益也称为容量增益或空间复用增益，它关注的不是信号的可靠性，而是数据传输速率。
- 原理：在理想情况下，如果多径足够丰富，每个天线对之间可以形成多个独立的并行信道（称为“子信道”或“空间流”），这样，数据流可以被分割成多个并行的子数据流，同时在相同的频谱资源上，通过不同的天线对进行传输。
- 实现方式：这就是 MIMO（多输入多输出） 技术的核心，特别是 SU-MIMO（单用户MIMO）。
- 效果：数据传输速率与天线的数量成线性增长。
- 在一个 2x2 MIMO 系统中（收发端各有2根天线），理论上可以将频谱效率翻倍。
- 在一个 4x4 MIMO 系统中，理论上可以将频谱效率提升到原来的4倍。
- 量化：复用增益的天线数量成正比，理想情况下最大可达 min(Nt, Nr) 个空间流，Nt 是发射天线数，Nr 是接收天线数。
关键点：复用增益主要提升了通信的速率和容量，是实现高速率移动宽带（如 5G 的 eMBB 场景）的关键。
总结与对比
为了更清晰地理解,我们可以用一个表格来总结这三种增益：
| 增益类型 | 核心目标 | 实现原理 | 主要效果 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 阵列增益 | 提高信噪比，增加覆盖 | 波束赋形，将能量聚焦于特定方向 | 增加有效发射功率，提升覆盖范围和信号质量 | 宏基站覆盖、定点通信 |
| 分集增益 | 提高可靠性，对抗衰落 | 在不同维度（空间、频率、时间）传输信号副本 | 降低误码率，增强通信的鲁棒性 | 移动通信、高速移动环境 |
| 复用增益 | 提高数据速率和容量 | 在相同频谱上并行传输多个独立数据流 | 线性提升频谱效率和传输速率 | 高速无线宽带、5G eMBB |
实际系统中的综合应用
在现代通信系统中,这些增益往往是相辅相成、综合运用的。
- 5G Massive MIMO：
- 基站端使用大量的天线（如 64 根、128 根）。
- 首先利用阵列增益，将波束精确地对准每个用户，实现高增益、高精度的波束赋形，大幅提升覆盖和容量。
- 利用复用增益，为单个用户（SU-MIMO）或多个用户（MU-MIMO，多用户MIMO）并行传输多个数据流，实现极高的峰值速率。
- 通过空间分集，保证了高速移动场景下连接的稳定性。
多天线技术的增益是一个强大的工具箱,通过灵活组合阵列增益、分集增益和复用增益，我们可以在覆盖、容量、可靠性等多个维度上对无线通信系统进行全方位的性能提升。
