第1章
多天線及波束賦形技術發展概述
| 1.3 多天線傳輸技術分類 |
1.3.3 波束賦形
1.3.4 發射分集
如果由于高速移動等原因，發送端無法及時準确地擷取信道的狀态資訊， 或者對于某些資料或控制資訊而言，對其傳輸可靠性的要求超過了對傳輸速率 和容量的需求，這時可以利用并行的資料通道分别傳送具有一定備援度的資訊。 然後在接收檢測的過程中，接收機将經過相對獨立的資料通道收到的多個備援 樣本合并起來，就可以改善傳輸的可靠性。
Almouti 所提出的空時塊碼（STBC，Spatial-Time Block Code）[9]是一種典 型的發射分集技術。在理想情況下，該技術可以通過空間和時間二維的簡單編 碼獲得正交的等效信道，進而能夠獲得滿分集增益。如圖 1.9 所示，對于具有 兩個天線的發射機，在第一個發送時刻通過兩個天線分别發送 s1 和 s2 的原始版 本，在第二個發射時刻分别發送−s2 的共轭以及 s1 的共轭。
假設接收機使用單根天線。如果信道在兩次傳輸時保持不變，則等效信道 具有正交性，這時可以在接收端通過簡單的線性權重得到如下形式的檢測後信 号向量。
式（1-23）中若兩個發送天線到接收天線的傳播系數 h1 和 h2 不相關（或相 關性較低），則 22 12 hh + 同時處于深度衰落的可能性将會降低，進而改善了接 收信号品質的穩定性。在實際的應用環境中，由于相鄰符号間的信道特性會發 生變化，很難獲得嚴格正交的等效信道。是以接收機也不能簡單地利用等效信 道的共轭轉置 H H 進行檢測，此時也需要使用 ZF（Zero Forcing）或 MMSE （Minimum Mean Squared Error）等接收檢測算法。
與 STBC 類似，也可以利用兩個發射天線和兩個相鄰的子載波建構 Almouti 碼組，這種結構稱為空頻塊碼（SFBC，Spatial Frequency Block Code）。
除了 STBC/SFBC 利用正交設計擷取分集增益的方法之外，另外一類發射 分集技術則需要利用多天線增加等效信道的時間或頻率選擇性，然後利用信道 編碼形成發送資訊的多個備援樣本，并分别通過相對獨立的時間或頻率發送各 個樣本。在接收端，再通過信道譯碼将多個樣本進行合并，進而獲得分集的效 果。此類發射分集技術的典型方案包括 CDD 以及 TSTD/FSTD（Time Switched Transmit Diversity/ Frequency Switched Transmit Diversity）。
CDD 的實作原理如圖 1.10 所示。在發射端，通過信道編碼加入備援；通 過交織保證相鄰的資訊被分散到相關性較低的頻域位置；通過調制器将編碼比 特映射到調制符号；通過 IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）變換到時域， 形成 OFDM 信号；然後在不同的發射天線上使用不同的時延量對時域信号進行 循環位移，形成發送信号向量。
接收天線上收到的多個時延分量互相疊加，得到式（1-24）所示的信号。
由于發送信号在多個天線上使用了不同的循環位移，接收信号經曆的等效 信道呈現出一種人為制造的多徑效果。這種“多徑效應”增加了等效信道的頻 率選擇性。是以，同一份資訊經過信道編碼加入備援并經過交織分散之後形成 的多個備援樣本會通過相對獨立的子載波到達接收機。接收機對資訊進行譯碼 的過程，等效于将經過相對獨立資料通道傳輸的同一資訊的多個樣本進行了合 并。這樣，資訊傳輸的可靠性就可以得到改善。
信号的循環時延在頻域等效于相位偏轉，是以也可以在頻域的各個子載波 上，通過不同天線通道上的不同相位偏轉實作 CDD 的效果。在不同天線陣子 上的使用權重的方式傳送一個資料流的形式可以等效為一種波束賦形，是以 CDD 的頻域實作方式也可以了解為一種盲（或随機）波束賦形。其效果在于通過不同頻域位置上的随機波束賦形，增加等效信道的頻率選擇性。相對于時域 實作方式，CDD 的頻域實作能夠更靈活地實作多個使用者在不同的頻域位置采用 不同的 MIMO 傳輸方式。
與 CDD 相類似，TSTD/FSTD 技術也是利用多天線增加等效信道的選擇性， 再結合信道編碼/譯碼來獲得分集效果的。圖 1.11 中給出了 TSTD 的發射機原理。 經過信道編碼與調制的資訊按照預先設定的時序輪流通過多個發射天線進行發 射。如果各天線經曆的信道相對獨立，則同一編碼塊的資訊在不同時刻發送時會 經曆相對獨立的衰落。這樣接收譯碼時，通過對不相關的傳輸通道擷取的多個信 息樣本的合并就能夠獲得分集增益。FSTD 則是由多個天線分别在不同的頻域資源 發送資訊，以此增加等效信道的頻率選擇性，并結合信道編譯碼擷取分集效果。
除了分集效果之外，上行天線切換也是利用互易性擷取完整信道狀态資訊 的一種方法。如終端出于節約成本和節電的考慮，可能配置的發送射頻通道數 量少于接收通道數量。在這種情況下，通過天線切換發送的方式，讓各天線在 不同時刻發送參考信号，就可以使基站獲得完整的信道矩陣。
對于 CDD 和 TSTD/FSTD 這類方案而言，都是通過多天線增加等效信道的 時間或頻率選擇性，其分集效果在很大程度上還要取決于信道編譯碼。通過多 天線增加信道選擇性的分集方案如圖 1.12 所示。
在實際應用中，上述發射分集技術可以結合使用。如在 LTE 系統中，對于 兩天線的情況使用了 SFBC 技術，4 天線時則使用了 SFBC+FSTD 的方案。對 于傳輸模式 3，還将 CDD 和空間複用技術進行了結合，以提高開環空間複用傳 輸的可靠性。
1.3.5 多天線傳輸方案的選擇