從很早以前，多天線技術便已在移動無線系統(tǒng)中得到使用。在早期的基站發(fā)射和車載移動臺接收時期，大蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡拓撲結構中多路徑傳播會產(chǎn)生選擇性衰 落，因而影響到信號質量，特別是在市區(qū)內(nèi)這樣的問題更加嚴重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車載接收機天線分集來解決這個問題。隨著手機變得越來越小，車載 通信裝置經(jīng)過簡化而開始采用藍牙音頻連通性技術，移動設備中的接收分集已經(jīng)逐漸淘汰。不過，這一趨勢很快將發(fā)生變化：最新的無線局域網(wǎng)實施使用了多天線空 間流，能夠增加發(fā)射帶寬和速度。隨著實施這一先進技術的低成本硬件的問世，首次發(fā)布的3GPP LTE(第三代合作伙伴計劃長期演進)標準，特別是其TDD(時分雙工)版本已經(jīng)提議并實施了各種多天線技術。
再次說明一下，基礎的無線信道使用的是單路發(fā)射和單路接收天線，稱為SISO(單路輸入單路輸出)。這種簡單的無線信道設定了信號傳輸性能的基準，在此基礎上可以對所有更復雜 的傳輸配置進行測量。SIMO(單路輸入多路輸出)提供了比SISO基準更大的接收天線冗余，支持在接收機中使用接收分集技術，例如最大比合并等。這可以 改善在設備接收機上觀測到的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符號編碼或空頻分組編碼(SFBC)等發(fā)射分集技術。與 SIMO一樣，這也可以改善在設備接收機上觀測到的SINR，并可幫助提供保護，防止信道衰落。 無論是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。
冗余可用來改善上面所述使用相同發(fā)射和接收分集技術的設備接收機上的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多路復用發(fā)射技術(使用發(fā)射天線發(fā)送獨立數(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 用技術之外，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。這種技術稱為波束賦形，取決于具體應用，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。波束賦形技術可在許多不同頻率的應用中使用，包括聲納和地震學、聲學、無線通信、射電天文學和雷達等。
總之，無論何時從 兩個或多個空間分離的發(fā)射點發(fā)送相同的信號，都會出現(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行工作的。無論何時利用波束賦形技術從兩個或多個 空間分離的接收點接收相同的信號，都可使用同樣的原則。舉一個簡單的例子，當使用單個全向天線發(fā)射射頻無線信號時，產(chǎn)生的信號相對場強如圖1(a)中的藍 色實線所示。為了能夠發(fā)射波束賦形信號，需要添加另一個同樣的全向天線陣元，與第一個天線陣元距離間隔半個射頻載波波長，見圖1(b)。在此例中，兩個天 線陣元都傳輸待發(fā)射信號信息符號的相同副本。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(同相)干擾，合并后的場強增加，在這個方向上產(chǎn)生有 效相干信號功率增益。相反，在大約+/-90°的方向上會發(fā)生相消(異相)干擾，合并后的場強會降低或衰減。
在同一個軸上與前兩個天 線陣元間隔半個射頻載波波長的位置上添加第三個天線陣元，可改善合并后相對場強的空間選擇性，見圖1(c)。在此例子中，天線單元經(jīng)過同極化、相關，并沿 著單一天線陣元軸向均勻分隔，構成了一個均勻線性陣列(ULA)天線系統(tǒng)。在相對ULA寬邊為0°的方向上的單一主瓣信息清晰可見。在這個方向上會發(fā)生最 大相長(或同相)干擾，在合并后的場強波束方向圖中產(chǎn)生最大的功率增益?，F(xiàn)在我們可以看到兩個不同的功率衰減零點(null)的信息，主瓣一側位 于+/-42°方位角上。這兩個最小功率位置表示在合并后的場強波束方向圖中發(fā)生了最大相消(或異相)干擾的方位方向。
圖1：ULA波束賦形實例
最后向ULA添加第4個天線陣元可進一步改善主瓣選擇性，見圖1(d)。功率零點的數(shù)量也從兩個增加到三個。兩個零點現(xiàn)在位于+/-30°方位角，第三 個位于ULA天線軸線上?，F(xiàn)在，兩個不同功率旁瓣的信息清晰可見，位于+/-50°方位角處。兩個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，還受到每個天線陣元上發(fā)射的每個信息符號副本所接受的相對幅度和相位加權的影響。這可以通過在四個天線陣元中的每一個 上引入+90 °相對相移來證明。結果是主波束位置從0°方位角轉移到-30°方位角，如圖1(e)所示。請注意，零位和旁瓣位置還受新加權值的影響。
