自很早以前開始，多天線技術便已在移動無線系統中得到使用。在早期的基站發射和車載移動臺接收時期，大蜂窩小區網絡拓撲結構中多路徑傳播會產生選擇性衰落，因而影響到信號質量，特別是在市區內這樣的問題更加嚴重。以往的辦法是使用基站發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逐漸淘汰。不過，這一趨勢很快將發生變化：最新的無線局域網實施使用了多天線空間流，能夠增加發射帶寬和速度。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 都不能提高數據吞吐量，但它們可以降低誤碼率，從而減少需要重發的數據量。

MIMO（多路輸入多路輸出）提供額外的發射和接收天線冗余。如果將相同的數據發送到發射天線，這一冗余可用來改善上面所述使用相同發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。空間多路復用發射技術（使用發射天線發送獨立數據流）可以為單一用戶提供更高的數據吞吐量（SU-MIMO 或單用戶MIMO），或增加系統蜂窩小區容量（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，無論何時從兩個或更多個空間分離的發射點發送相同的信號，都會出現干擾方向圖。發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更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射射頻無線信號時，產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°方位角的方向上發生了相長（同相）干擾，合并后的場強增加，在這個方向上產生有效相干信號功率增益。相反，在大約+/-90°的方向上會發生相消（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)。在我們的例子中，天線單元經過同極化、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。在相對ULA 寬邊為0°的方向上的單一主瓣信息清晰可見。在這個方向上會發生最大相長（或同相）干擾，在合并后的場強波束方向圖中產生最大的功率增益。現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 波束賦形實例圖

中文字中英對照

Main lobe = omnidirectional 1 antenna element Main lobe = 0 deg azimuth # nulls =1 2 antenna elements 0.5 wavelength separation 0 deg phase shift per ant element

主瓣= 全向 1 個天線陣元 主瓣= 0°方位角 零點數量= 1 2 個天線陣元 間隔0.5個波長 每個天線陣元相移0 °

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)。功率零點的數量也從兩個增加到三個。兩個零點現在位于+/-30°方位角，第三個位于ULA 天線軸線上。現在，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。

通過精心設計波束賦形天線陣列的幾何形狀，再加上精確控制對每個天線陣元所應用的相對幅度和相位加權，不僅可以控制主瓣功率傳輸的選擇性形狀和方位方向，還可以控制功率零點方位位置和旁瓣電平。

讓我們現在單獨考慮添加額外的天線陣元對在目標設備接收機上觀測到的結果波束方向圖的有效功率增益的影響。

圖1(b) 顯示了添加另一個天線陣元的過程。該天線陣元與第一個天線陣元發射完全相同的符號副本。在此例中，相長（同相）信號之和將會導致位于0°方位角主波束位置處的目標設備接收機觀測到相干功率增益增加6 dB。因此，如果沒有應用歸一化，圖1繪圖(b)雙天線實例中的主瓣最大值理論上將是繪圖(a) 單天線實例中的主瓣最大值的兩倍。

這個6 dB相干增益改善可被視為由于使用兩個空間分離的天線陣元，與單天線發射相比在目標設備接收機上觀測到的波束賦形增益改善。

實際上，在兩個天線陣元中的每個上發射的符號功率電平都可能降低3 dB，達到初始單天線符號功率電平的一半，保持與單天線配置相同的總發射機功率。雖然如此，這仍會導致在目標設備接收機上觀測到波束賦形與單天線發射相比有3 dB 的增益。

使用多天線波束賦形發射，由于結合了波束賦形選擇性、干擾管理和相干信號增益等多種優勢，對于現代無線通信系統非常有吸引力。

圖2.波束賦形術語

圖中文字中英對照

Main Lobe Power Null Side Lobe 0 deg 4 Antenna Elements Correlated co-polarized 0.5 wavelength separation with 90 deg phase shift per antenna element

主瓣 功率零點 旁瓣 0 ° 4 個天線陣元 相關共極化0.5 波長間距，每天線陣元相移90 °

我們總結了一些重要的方面和術語，用于描述圖2 中的波束賦形發射：

•主瓣：主要的最大發射功率瓣，通常指向目標設備或發射路徑（該發射路徑將通過在無線傳播信道中進行反射到達目標設備）。
•旁瓣：次要的功率發射瓣，有可能對服務小區或鄰近小區中的其他用戶設備產生多余的干擾。
•功率零點：發射波束方向圖中功率最小的位置，系統可以選擇使用和控制該位置，以減少對服務小區或鄰近小區中設備的干擾。
•主波瓣寬度（Φ）：主瓣發射選擇性，在主瓣兩個3 dB 點上方位角寬度的測量結果。
•主瓣至旁瓣的電平：預期主瓣發射功率相對于多余旁瓣發射功率的選擇性功率差。

在現代無線蜂窩通信系統中，一個最大的挑戰是蜂窩小區邊緣性能。這是波束賦形技術在提供LTE 業務方面能夠發揮關鍵作用的主要原因。圖3 顯示了兩個實際的情景示例，它們均利用了波束賦形的先進特性以改善現代蜂窩無線通信系統中的性能。

圖3 (a) 為兩個相鄰的蜂窩小區，每個蜂窩小區都與位于兩個蜂窩小區之間邊界上的單獨用戶設備進行通信。此圖顯示，eNB1 正在與目標設備UE1 通信，eNB1 發射使用波束賦形來最大限度提高UE1 方位方向中的信號功率。同時，我們還可看到，eNB1 正嘗試通過控制UE2 方向中的功率零點位置，最大限度地減少對UE2 的干擾。同樣，eNB2 正使用波束賦形最大限度提高其在UE2 方向上的發射接收率，同時減少對UE1 的干擾。在此情景中，使用波束賦形顯然能夠為蜂窩小區邊緣用戶提供非常大的性能改善。必要時，可以使用波束賦形增益來提高蜂窩小區覆蓋率。

圖3 (a).用于蜂窩小區邊緣性能改善的波束賦形

圖3 (b).用于使用MU-MIMO 進行蜂窩小區容量改善的波束賦形