從很早以前，多天線技術(shù)便已在移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中得到使用。在早期的基站發(fā)射和車(chē)載移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)期，大蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中多路徑傳播會(huì)產(chǎn)生選擇性衰 落，因而影響到信號(hào)質(zhì)量，特別是在市區(qū)內(nèi)這樣的問(wèn)題更加嚴(yán)重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車(chē)載接收機(jī)天線分集來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。隨著手機(jī)變得越來(lái)越小，車(chē)載 通信裝置經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化而開(kāi)始采用藍(lán)牙音頻連通性技術(shù)，移動(dòng)設(shè)備中的接收分集已經(jīng)逐漸淘汰。不過(guò)，這一趨勢(shì)很快將發(fā)生變化：最新的無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)施使用了多天線空 間流，能夠增加發(fā)射帶寬和速度。隨著實(shí)施這一先進(jìn)技術(shù)的低成本硬件的問(wèn)世，首次發(fā)布的3GPP LTE(第三代合作伙伴計(jì)劃長(zhǎng)期演進(jìn))標(biāo)準(zhǔn)，特別是其TDD(時(shí)分雙工)版本已經(jīng)提議并實(shí)施了各種多天線技術(shù)。
再次說(shuō)明一下，基礎(chǔ)的無(wú)線信道使用的是單路發(fā)射和單路接收天線，稱(chēng)為SISO(單路輸入單路輸出)。這種簡(jiǎn)單的無(wú)線信道設(shè)定了信號(hào)傳輸性能的基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)所有更復(fù)雜 的傳輸配置進(jìn)行測(cè)量。SIMO(單路輸入多路輸出)提供了比SISO基準(zhǔn)更大的接收天線冗余，支持在接收機(jī)中使用接收分集技術(shù)，例如最大比合并等。這可以 改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測(cè)到的SINR，并有助于改善信道衰落條件下的性能。 MISO(多路輸入單路輸出)提供發(fā)射天線冗余，像在LTE情況中一樣，支持使用Alamouti符號(hào)編碼或空頻分組編碼(SFBC)等發(fā)射分集技術(shù)。與 SIMO一樣，這也可以改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測(cè)到的SINR，并可幫助提供保護(hù)，防止信道衰落。 無(wú)論是SIMO還是MISO都不能提高數(shù)據(jù)吞吐量，但它們可以降低誤碼率，從而減少需要重發(fā)的數(shù)據(jù)量。
冗余可用來(lái)改善上面所述使用相同發(fā)射和接收分集技術(shù)的設(shè)備接收機(jī)上的SINR，或者 可以犧牲部分或全部可能的SINR性能改善，以便獲得更高的頻譜效率?？臻g多路復(fù)用發(fā)射技術(shù)(使用發(fā)射天線發(fā)送獨(dú)立數(shù)據(jù)流)可以為單一用戶提供更高的數(shù)據(jù) 吞吐量(SU-MIMO或單用戶MIMO)，或增加系統(tǒng)蜂窩小區(qū)容量(MU-MIMO或多用戶MIMO)。
除了這些分集和空間多路復(fù) 用技術(shù)之外，還可以使用多天線配置將發(fā)射或接收集中在特定方向上。這種技術(shù)稱(chēng)為波束賦形，取決于具體應(yīng)用，可以采用固定波束賦形或可變波束賦形，并能夠改 善系統(tǒng)性能。波束賦形技術(shù)可在許多不同頻率的應(yīng)用中使用，包括聲納和地震學(xué)、聲學(xué)、無(wú)線通信、射電天文學(xué)和雷達(dá)等。
總之，無(wú)論何時(shí)從 兩個(gè)或多個(gè)空間分離的發(fā)射點(diǎn)發(fā)送相同的信號(hào)，都會(huì)出現(xiàn)干擾方向圖。發(fā)射波束賦形就是利用這種干擾方向圖進(jìn)行工作的。無(wú)論何時(shí)利用波束賦形技術(shù)從兩個(gè)或多個(gè) 空間分離的接收點(diǎn)接收相同的信號(hào)，都可使用同樣的原則。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)使用單個(gè)全向天線發(fā)射射頻無(wú)線信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)如圖1(a)中的藍(lán) 色實(shí)線所示。為了能夠發(fā)射波束賦形信號(hào)，需要添加另一個(gè)同樣的全向天線陣元，與第一個(gè)天線陣元距離間隔半個(gè)射頻載波波長(zhǎng)，見(jiàn)圖1(b)。在此例中，兩個(gè)天 線陣元都傳輸待發(fā)射信號(hào)信息符號(hào)的相同副本。我們可以立即看到，在大約0°方位角的方向上發(fā)生了相長(zhǎng)(同相)干擾，合并后的場(chǎng)強(qiáng)增加，在這個(gè)方向上產(chǎn)生有 效相干信號(hào)功率增益。相反，在大約+/-90°的方向上會(huì)發(fā)生相消(異相)干擾，合并后的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)降低或衰減。
在同一個(gè)軸上與前兩個(gè)天 線陣元間隔半個(gè)射頻載波波長(zhǎng)的位置上添加第三個(gè)天線陣元，可改善合并后相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的空間選擇性，見(jiàn)圖1(c)。在此例子中，天線單元經(jīng)過(guò)同極化、相關(guān)，并沿 著單一天線陣元軸向均勻分隔，構(gòu)成了一個(gè)均勻線性陣列(ULA)天線系統(tǒng)。在相對(duì)ULA寬邊為0°的方向上的單一主瓣信息清晰可見(jiàn)。在這個(gè)方向上會(huì)發(fā)生最 大相長(zhǎng)(或同相)干擾，在合并后的場(chǎng)強(qiáng)波束方向圖中產(chǎn)生最大的功率增益。現(xiàn)在我們可以看到兩個(gè)不同的功率衰減零點(diǎn)(null)的信息，主瓣一側(cè)位 于+/-42°方位角上。這兩個(gè)最小功率位置表示在合并后的場(chǎng)強(qiáng)波束方向圖中發(fā)生了最大相消(或異相)干擾的方位方向。
圖1：ULA波束賦形實(shí)例
最后向ULA添加第4個(gè)天線陣元可進(jìn)一步改善主瓣選擇性，見(jiàn)圖1(d)。功率零點(diǎn)的數(shù)量也從兩個(gè)增加到三個(gè)。兩個(gè)零點(diǎn)現(xiàn)在位于+/-30°方位角，第三 個(gè)位于ULA天線軸線上?，F(xiàn)在，兩個(gè)不同功率旁瓣的信息清晰可見(jiàn)，位于+/-50°方位角處。兩個(gè)旁瓣的功率電平都低于主瓣。最終的波束方向圖不僅由 ULA物理幾何形狀和陣元間距決定，還受到每個(gè)天線陣元上發(fā)射的每個(gè)信息符號(hào)副本所接受的相對(duì)幅度和相位加權(quán)的影響。這可以通過(guò)在四個(gè)天線陣元中的每一個(gè) 上引入+90 °相對(duì)相移來(lái)證明。結(jié)果是主波束位置從0°方位角轉(zhuǎn)移到-30°方位角，如圖1(e)所示。請(qǐng)注意，零位和旁瓣位置還受新加權(quán)值的影響。
