在無線通信領域，對多天線技術的研究由來已久。其中天線分集、波束賦形、空分復用(MIMO)等技術已在3G和LTE網絡中得到廣泛應用。
多天線技術簡介
根據不同的天線應用方式，常用的多天線技術簡述如下。
上述多天線技術給網絡帶來的增益大致分為：更好的覆蓋(如波束賦形)和更高的速率(如空分復用)。
3GPP規范中定義的傳輸模式
3GPP規范中Rel-9版本中規定了8種傳輸模式，見下表。其中模式3和4為MIMO技術，且支持模式內(發送分集和MIMO)自適應。模式7、8是單/雙流波束賦形。原則上，3GPP對天線數目與所采用的傳輸模式沒有特別的搭配要求。但在實際應用中2天線系統常用模式為模式2、3；而8天線系統常用模式為模式2、3、7或模式2、3、8。
在實際應用中，不同的天線技術互為補充，應當根據實際信道的變化靈活運用。在TD-LTE系統中，這種發射技術的轉換可以通過傳輸模式(內/間)切換組合實現。
上行目前主流終端芯片設計仍然以單天線發射為主，對eNB多天線接收方式3GPP標準沒有明確要求。
多天線性能分析
針對以上多天線技術的特點及適用場景，目前中國市場TD-LTE主要考慮兩種天線配置：8天線波束賦形(單流/雙流)和2天線MIMO(空分復用/發送分集)。
下行業務信道性能
下圖是愛立信對上述傳輸模式的前期仿真結果：
在下行鏈路中，2、8天線的業務信道在特定傳輸模式下性能比較歸納如下：
• 8X2單流波束賦型(sbf)在小區邊緣的覆蓋效果(邊緣用戶速率)好于2X2空分復用，但小區平均吞吐速率要低于2X2 MIMO場景。
• 8X2雙流波束賦型(dbf)的邊界速率要略好于2X2天線空分復用。對于小區平均吞吐速率，在正常負荷條件下，二者性能相當。在高系統負荷條件下，8X2雙流波束賦型(dbf)增益較為明顯。
在實際深圳外場測試中，測試場景為典型公路環境。雖然站間距與城區環境相同，但無線傳播條件更接近于郊區的特點，即空曠環境較多，信道相關性較強，有利于8天線波束賦形技術。對固定模式的測試結果與上述仿真結果基本一致；引入模式內/間切換后8天線在小區中心采用模式3，邊緣則為模式7，因此在小區邊緣優于2天線，小區中心相當，小區平均速率較好于2天線。值得注意的是，采用模式7的比例僅有20%左右，大多數場景采用的是模式3，即與2天線差別不大。
下行控制信道及覆蓋能力
對于8天線廣播信道，由于要實現全小區覆蓋，波束賦形技術在業務信道的增益不復存在。通常采用引入廣播權值靜態賦形(65º)的方式發送。根據不同天線廠家提供的廣播信道的賦形權值，其廣播信道的發射功率只有總的可用功率的60%左右。因此，靜態賦形的方式將導致廣播信道覆蓋比2天線方案差，特別是在小區邊緣廣播信道功率有很大損失。
針對這些問題，愛立信提出了無功率損失的增強型公共信道發送方案，有效克服了靜態賦形的功率損失問題，提升廣播信道的覆蓋。使得8天線公共信道獲得與2天線相當的覆蓋能力。在深圳外場測試中，我們看到類似的現象。下圖是用掃頻儀在相同環境中測得的結果。從圖中可以看到，2天線系統中的RSRP覆蓋效果與8天線的覆蓋相比主瓣方向略強，但基本相當。
上行天線接收分集增益
上行接收方面，理論上當8天線的單元天線增益與2天線的增益相同時，會有6dB 的接收分集增益。而實際系統中，在天線長度相當時，2天線的增益往往高于相同高度的8天線的單元天線增益1.5-2.5dB左右。
例如，在進行中的TD-LTE試驗網中，選用了2天線和8天線(FAD)天線方案。在同為140cm 長度的條件下，8天線(FAD)的單元天線的增益為16-17dBi，而國際上在LTE-FDD/TD-LTE 廣泛應用的凱士林(Kathrein)和安德魯(Andrew)的2天線增益均可以達到18.5dB以上。
這一差異也反映在目前的一些工程設計實踐中，例如在網絡設計中將2天線的增益設定為18dBi， 而8天線的單元有效增益設定為14.5 dBi。 因此，實際網絡中的8天線接收和2天線接收的差異應當為3dB左右。
多天線應用場景
波束賦型在業務信道功率受限時，可以提高網絡邊界的下行和上行速率，適用于有視距傳輸(LOS)、強相關的環境，例如郊區、鄉村等以覆蓋為目的的環境。在城區和密集城區(站間距大約200到500米左右時)，無線傳播環境復雜，雜散嚴重，以NLOS為主，信道相關性大大降低，此時下行波束賦型的效果大打折扣，而空分復用在該場景下有很大優勢(2、8天線的空分復用無大差異)。
在規劃網絡覆蓋時，往往以小區邊界速率為設計目標。在上行邊緣速率要求較高時，網絡中通常是上行業務信道受限。然而在實際網絡中，小區覆蓋半徑由終端最終是否移出服務區來判定，此時的決定因素并非是業務信道的速率而是廣播信道的覆蓋。具體來看：
• 當上行業務信道為受限因素(例如邊緣速率要求很高)時，8天線方案的覆蓋范圍要大于2天線
• 當上行業務信道不構成限制而以終端是否出服務區作為覆蓋范圍的判決依據時(這往往是更為常見的情況)，由于前面提到的8天線在廣播信道的短板，使得8天線的覆蓋范圍有可能小于2天線。
由此可知，8天線方案雖然能夠提升上下行的業務信道性能，但固有的廣播信道的短板使得工程實踐中可能無法達到擴大覆蓋，減少站點的目的。
國際商用情況及未來的演進
8天線雖然在邊緣速率等方面性能優于2天線，但在實際應用中，具體效果還受天線的校準精度、天線性能(隨時間)惡化等因素影響有所縮小。工程安裝實施方面，8天線的天面要求較高，建站方案更為復雜，需兼顧承重、風荷、共天線等因素。這將導致站點成本顯著增加。另外故障隱患的激增，以及耗電的增加(如采用8通道RRU)，都將直接提升OPEX。
迄今為止，全球已商用的LTE網絡多采用2天線部署(空分復用/發送分集)，主要原因是2天線方案技術和產業鏈更為成熟，運維成本低。其穩定優良的性能在廣泛的商用中得到驗證。而8天線方案目前商用LTE網絡中還沒有可借鑒的成功經驗。
小結
綜上所述，技術上波束賦形和空分復用各有所長。8天線由于采用了模式3/7自適應，相對2天線業務信道主要在小區邊緣更有優勢。由于8天線傳輸控制信道的短板，使得8天線的控制信道覆蓋略遜于2天線，由此可能導致8天線覆蓋增益的不確定性。
在城區及密集城區等典型LTE覆蓋場景中，2、8天線的性能差異并不明顯；而2天線天面要求低，饋線少，易于安裝，因此建議采用2天線的方案。在郊區等以覆蓋為主要目的的場景，8天線在業務信道的優勢得以發揮。因此針對不同場景，可對2、8天線進行靈活部署，互相補充。
受天面制約(在相同天線長度的條件下)，8天線的單元天線的增益較2天線增益低1.5-2.5dB。工程實踐中，通常將8天線單元增益設為14.5dBi，而2天線增益設為18dBi。因此，8天線相對于2天線的實際增益優勢約為3dB，而非6dB。
考慮到站點方案、運維復雜度，產業鏈成熟度以及CAPEX/OPEX等因素，全球LTE商用網絡目前廣泛采用2天線方案。
