LTE之所以能达到高速率、低时延和高容量的目标，多天线技术（也称为MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）是其最核心的关键技术之一，可以说，没有MIMO，就没有现代移动通信的辉煌。
（图片来源网络，侵删）
LTE中的多天线技术可以从两个维度来理解：
- 空间维度：在基站和终端之间建立多条独立的无线链路，实现空间复用、分集和波束赋形。
- 部署位置：天线是安装在基站侧，还是终端侧，或者两者都有。
下面我们分点详细介绍LTE中最重要的多天线技术。
基于空间维度的核心技术
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 技术
这是多天线技术的总称,主要分为两大类：分集MIMO和空间复用MIMO。
A. 分集MIMO
目标：提高通信的可靠性，对抗信号衰落，确保数据能被正确接收，其核心思想是“不要把所有鸡蛋放在一个篮子里”，通过多条路径传输相同的数据，只要有一条路径成功，通信就成功了。
（图片来源网络，侵删）
-
发射分集
- 技术：在基站端使用多根天线发送相同的数据流。
- 原理：由于天线位置不同，信号在传播过程中经历的衰落路径也不同，接收端（手机）可以接收到多个经过不同衰落的信号副本，通过合并算法（如最大比合并 MRC）将这些信号叠加，从而增强信号强度，降低误码率。
- LTE中的应用：
- SFBC (Space Frequency Block Coding)：空频块编码，在两个相邻的子载波上对两个天线的数据进行编码，形成一种正交关系，接收端可以很好地分离和合并。
- FSTD (Frequency Switched Transmit Diversity)：频率切换发射分集，在不同的时间，不同的天线在不同的频带上发送数据。
- 在LTE中，发射分集是基础功能，在小区边缘或信道条件较差时，系统会自动开启，以保证覆盖。
-
接收分集
- 技术：在接收端（手机）使用多根天线接收来自单根基站天线的信号。
- 原理：与发射分集类似，手机通过多根天线接收信号，合并后提升信号质量。
- LTE中的应用：
- LTE Rel-8规定终端至少支持2根接收天线，这是几乎所有智能手机的标配，有效提升了上行链路的信号质量和覆盖范围。
B. 空间复用
目标：提高通信的峰值速率和系统容量，其核心思想是“在同一个时间、同一个频率上，通过空间隔离，并行传输多个独立的数据流”。
- 技术：在基站端使用多根天线，同时发送多个独立的数据流。
- 原理：如果基站和终端之间的无线信道足够“丰富”（即多径效应足够好），这些独立的数据流在空间上是正交或可分离的，接收端通过复杂的信号处理算法（如ZF、MMSE、SIC等）可以将这些数据流“解调”出来，从而成倍地提升数据速率。
- LTE中的应用：
- 闭环空间复用：基站会先探测信道，然后根据信道状态信息，选择最优的预编码矩阵，并通知终端，终端根据这个信息进行解码，这种方式性能最好，但信令交互开销大。
- 开环空间复用：基站不依赖终端的反馈，根据预设的码本或随机方式发送数据，这种方式适用于信道变化快或终端反馈困难的场景。
- LTE下行链路支持最多4层空间复流（即4个数据流并行），这意味着在理想情况下，峰值速率可以达到单天线的4倍。
C. 波束赋形
目标：提升特定方向的信号强度和系统容量，同时减少对其他用户的干扰。
（图片来源网络，侵删）
- 技术：在基站端使用多根天线，通过精确的相位和幅度控制，将信号能量聚焦（赋形）到目标用户的方向上。
- 原理：就像手电筒用反光罩将光束聚焦一样，波束赋形可以增强到达用户的有用信号功率，并让信号在非目标方向上形成零陷，从而减少对邻区用户的干扰。
- LTE中的应用：
- 主要用于TDD（时分双工）系统，因为TDD的上下行信道是对称的，基站可以通过上行信号精确地估算下行信道。
- 在FDD（频分双工）系统中，由于上下行频率不同，信道估算困难，应用较少。
- 在LTE-A（LTE-Advanced）中，通过协作多点传输，波束赋形技术得到了更广泛的应用，可以协调多个基站联合进行波束赋形，极大地抑制了小区边缘的干扰。
基于部署位置的关键技术
MIMO 与 天线配置
LTE系统的性能直接取决于基站和终端的天线配置,用 Tx (Transmit) 和 Rx (Receive) 的数量来表示。
-
下行链路：基站 -> 手机
2x2：基站2根发射天线，手机2根接收天线，这是LTE最基本的配置，支持发射分集和2层空间复用。4x2：基站4根发射天线，手机2根接收天线，这是目前最主流的配置，可以支持4层空间复用，但终端只能利用其中的2层。4x4：基站4根发射天线，手机4根接收天线，支持4层空间复用，速率最高，但对终端要求也高。8x8：在LTE-A Pro中开始出现，基站8根天线，支持8层空间复用，是速率飞跃的关键。
-
上行链路：手机 -> 基站
- 单天线：手机始终只有1根发射天线（出于成本、功耗和尺寸考虑）。
- 多用户MIMO：虽然手机是单天线，但基站可以同时接收来自多个不同手机的信号，只要这些手机在空间上可以被区分开，基站通过先进的接收机算法将这些信号分离，从而提升上行系统的整体容量。
中继技术
中继不算传统意义上的多天线技术,但它引入了新的“虚拟”天线节点，是LTE-A提升覆盖和容量的重要手段。
- 原理：在基站和终端之间部署一个中继节点，RN接收来自基站的信号，进行解码、放大或转发，然后再发送给终端。
- 作用：
- 扩展覆盖：将信号带到基站信号难以覆盖的阴影区域。
- 提升容量：为小区边缘用户提供更好的服务，减轻基站负担。
- 形成虚拟MIMO：基站和中继节点可以协同工作，形成一个分布式天线系统，实现类似MIMO的效果。
协作多点传输
这是LTE-A中的一项革命性技术，是波束赋形和MIMO的协同扩展。
- 原理：多个地理位置上分离的基站（或RRH，射频拉远头）协同为一个或多个终端服务。
- 主要形式：
- JT (Joint Transmission, 联合传输)：多个基站同时为同一个终端发送数据的不同部分（或相同部分），通过相干合并极大地提升信号质量。
- CS/CB (Coordinated Scheduling/Beamforming, 协调调度/波束赋形)：多个基站之间共享调度信息或信道状态信息，避免同时向小区边缘的用户发送数据，从而从源头上减少相互之间的干扰。
- 作用：主要解决小区边缘的干扰问题，是提升小区边缘用户速率和系统整体容量的“杀手锏”。
总结表格
| 技术类别 | 技术名称 | 主要目标 | 关键作用 | LTE中的典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 分集MIMO | 发射分集 | 提高可靠性，对抗衰落 | 增强信号强度，降低误码率 | SFBC, FSTD (小区边缘) |
| 接收分集 | 提高上行可靠性 | 增强上行信号质量 | 手机端至少支持2根接收天线 | |
| 空间复用MIMO | 空间复用 | 提高峰值速率和容量 | 并行传输多个数据流 | 闭环/开环空间复用 (最多4层) |
| 波束赋形 | 波束赋形 | 提升特定方向信号质量 | 聚焦能量，抑制干扰 | 主要用于TDD系统，CoMP中的核心 |
| 协同技术 | 中继 | 扩展覆盖，提升容量 | 引入新的传输节点 | LTE-A中的Rel- |
