传输分集是LTE下行链路中的一项关键技术,其核心思想是在不同的时间、频率或空间上发送同一个数据信号的多个副本，接收端利用这些副本所经历的信道衰落特性不同，通过特定的合并算法来恢复出原始数据，从而有效对抗无线信道的深度衰落，提高通信的可靠性和覆盖范围。
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LTE的传输分集技术主要可以分为两大类：开环传输分集和闭环传输分集，这两种技术主要应用于物理下行共享信道和物理广播信道。
开环传输分集
开环传输分集的特点是发射端不需要接收端任何形式的反馈信息，它完全依赖预定义的、固定的传输模式来发送信号副本，它实现简单，对延迟不敏感，但性能相对闭环技术略差。
空时块编码 - Space-Time Block Coding (STBC)
这是最经典和最著名的开环分集技术,在LTE中主要用于发射天线数量为2的场景。
- 核心思想：将连续的几个符号（在LTE中是2个或3个）进行编码，生成一个编码矩阵，这个矩阵的行代表不同的发射天线，列代表不同的发射时间。
- 工作方式：
- 2天线情况 (Alamouti码)：这是最常用的STBC。
- 在时间
t，天线1发送符号S1，天线2发送符号S2。 - 在时间
t+1，天线1发送-S2*（S2的共轭），天线2发送S1*（S1的共轭）。 - 接收端在两个时间点上收到4个信号,利用线性处理算法可以同时解码出
S1和S2，完美地实现了发射分集。
- 在时间
- 3天线情况：LTE也定义了3天线的STBC方案，但不如2天线常用。
- 2天线情况 (Alamouti码)：这是最常用的STBC。
- 应用场景：主要用于单用户传输，特别是当信道质量较差或用户处于小区边缘时。
- 优点：分集增益高，接收端解码算法简单（线性处理）。
- 缺点：编码率较低（对于2天线，传输2个符号需要2个时间单位，编码率为1），会牺牲一定的峰值速率。
循环延迟分集 - Cyclic Delay Diversity (CDD)
CDD是一种更灵活、更通用的开环分集技术，可以与预编码技术结合使用。
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- 核心思想：在多根发射天线上，对同一组OFDM符号进行不同大小的循环移位后发送，循环移位在频域上等效于对信号的频域响应进行相位旋转。
- 工作方式：
- 假设有
N根发射天线。 - 对第
i根天线的OFDM符号进行D_i个样值的循环延迟（D_i通常是预定义的）。 - 由于不同天线上的信号经历了不同的频率选择性衰落,接收端可以利用这种差异来恢复信号。
- 假设有
- 应用场景：CDD是LTE中一种基础的、默认的分集方案，它通常与预编码结合，形成预编码循环延迟分集，在单天线端口传输模式（如模式1、2、3）中，为了获得分集增益，会隐式地应用CDD。
- 优点：实现简单，能与OFDM系统很好地结合，并且可以与波束赋形等其他技术兼容。
- 缺点：分集增益相比STBC可能略低，但能提供更好的灵活性。
频率切换传输分集 - Frequency Switched Transmit Diversity (FSTD)
这是一种早期的分集技术,在LTE中应用较少，但概念上很重要。
- 核心思想：在连续的两个子帧上，使用不同的频率资源来发送同一组数据。
- 子帧
n：在频率资源A上发送数据。 - 子帧
n+1：在频率资源B上发送同样的数据。
- 子帧
- 工作方式：由于相邻子帧的频率选择性衰落通常是不相关的，接收端可以在两个频率上分别接收信号并进行合并。
- 应用场景：主要用于上行链路的发射分集（单天线传输时），在LTE下行链路中已基本被更高效的CDD所取代。
- 优点：实现非常简单。
- 缺点：频谱效率较低，因为相当于在时间上复制了数据。
闭环传输分集
闭环传输分集的特点是接收端需要测量信道状态信息，并通过上行链路（物理上行控制信道PUCCH）将预编码矩阵的索引反馈给基站，基站根据这个反馈来调整发射信号的权重，从而在特定方向上增强信号，实现波束赋形和分集的双重增益。
闭环分集的性能优于开环分集,但需要反馈信令，增加了系统复杂度和延迟。
单用户闭环传输分集
这是LTE中最基础的闭环分集技术,针对单个用户。
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- 核心思想：基站使用两根或四根发射天线，接收端通过测量信道，从一组预定义的预编码矩阵中选择一个最优的（通常是能最大化信噪比或信号与干扰噪声比的），并将该矩阵的索引反馈给基站。
- 工作方式：
- 基于码本的预编码：LTE定义了预编码码本，这是一个预定义的矩阵集合，对于2天线和4天线，有不同的码本。
- 2天线：码本包含4个预编码向量
[1, 1],[1, -1],[1, j],[1, -j]的缩放版本，接收端反馈2比特的索引来选择其中一个。 - 4天线：码本更复杂，包含16个预编码矩阵，接收端反馈4比特的索引。
- 2天线：码本包含4个预编码向量
- 基站根据接收到的索引,选择对应的预编码矩阵
W，对信号s进行加权处理，得到W * s，然后从各根天线发射出去。
- 基于码本的预编码：LTE定义了预编码码本，这是一个预定义的矩阵集合，对于2天线和4天线，有不同的码本。
- 应用场景：当信道条件较好且用户相对静止时，闭环分集能带来显著的性能提升，它主要用于传输模式4（单用户MIMO）。
- 优点：相比开环分集，能获得更高的信噪比和频谱效率。
- 缺点：需要反馈信令，增加了控制信道的开销；对信道变化快和多普勒频移敏感。
多用户MIMO - MU-MIMO
这是一种更高级的闭环传输技术,可以看作是闭环分集的一种扩展应用。
- 核心思想：基站使用两根或更多根发射天线，同时为两个或多个不同的用户服务，通过预编码技术，将发送给不同用户的数据流在空间上进行隔离，使它们互不干扰。
- 工作方式：
- 基站接收来自两个用户的信道状态信息反馈。
- 它会选择一个预编码矩阵,使得发送给用户A的信号在用户B的接收方向上形成“零陷”（nulling），反之亦然，这样，两个用户可以在同一时间、同一频段上解调各自的数据，而不会互相干扰。
- LTE传输模式5就是专门为MU-MIMO设计的。
- 应用场景：当小区内存在多个在空间上可以被区分的用户时，MU-MIMO能极大地提升系统总容量。
- 优点：显著提高系统吞吐量和频谱效率。
- 缺点：对信道互易性要求高，需要精确的CSI反馈，实现复杂。
总结与对比
| 技术类型 | 具体技术 | 核心思想 | 反馈需求 | 主要优点 | 主要缺点 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 开环传输分集 | 空时块编码 | 在不同天线上发送不同编码的符号副本 | 无 | 分集增益高，接收端算法简单 | 编码率低，牺牲速率 | 2天线系统，小区边缘，信道差时 |
| 循环延迟分集 | 在不同天线上对OFDM符号进行循环延迟 | 无 | 灵活，可与预编码结合，与OFDM兼容性好 | 分集增益相对STBC略低 | 作为基础分集方案，与预编码结合使用 | |
| 频率切换分集 | 在不同子帧使用不同频率发送同一数据 | 无 | 实现简单 | 频谱效率低 | 较少使用，主要在上行 | |
| 闭环传输分集 | 单用户闭环分集 | 根据CSI反馈选择最优预编码矩阵 | 需要（预编码矩阵索引） | 性能优于开环，速率高 | 需要反馈开销，对信道变化敏感 |
