多入多出智能天線技術(shù)

摘要：

多入多出或多發(fā)多收技術(shù)同時采用多天線發(fā)射和多天線接收，能夠大大提高無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。文章敘述了多入多出的概念，給出了一個空時碼的例子，并簡述了多入多出技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：

多入多出；多發(fā)多收；智能天線；空時編碼

ABSTRACT:

Multiple-input multiple-output (MIMO) or Multiple transmit and multiple receive (MTMR) technique employs multiple transmit antennas and multiple receive antennas simultaneously, which can greatly increase the capacity and spectrum efficiency of a wireless communications system. It is a key technique for the new generation of mobile communications. This paper presents the concept of MIMO, an example of space-time coding, and a brief introduction to MIMO‘s current research.

KEY WORDS:

MIMO; MTMR; Smart antenna; Space-time coding

1 前言

多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。多入多出技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，多入多出將是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。早在70年代就有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對無線移動通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動的奠基工作則是90年代由AT&T Bell實驗室學(xué)者完成的。1995年Teladar^[1]給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia^[2]給出了一種多入多出處理算法——對角-貝爾實驗室分層空時(D-BLAST)算法；1998年Tarokh^[3]等討論了用于多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人^[4]采用垂直-貝爾實驗室分層空時(V-BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗中達(dá)到了20 bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統(tǒng)中極難實現(xiàn)。這些工作受到各國學(xué)者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發(fā)展。

2 多入多出概念

通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖1所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。

特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。

MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為^[1]

C=^[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。

3 空時碼

MIMO通過多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流并由多天線接收實現(xiàn)最佳處理，可實現(xiàn)很高的容量。這種最佳處理是通過空時編碼和解碼實現(xiàn)的。文獻(xiàn)^[2—5]已經(jīng)提出了不少MIMO空時碼，其中包括空時網(wǎng)格碼^[3]、空時分組碼^[5]、空時分層碼^[2，4]。限于篇幅，本文只簡單介紹空時分組碼的概念。

為了實現(xiàn)分集，接收機首先應(yīng)將各獨立信道分開，然后再實現(xiàn)最優(yōu)結(jié)合。同樣地，為了實現(xiàn)MIMO處理，各接收機也必須先將收到的各發(fā)射機發(fā)來的子流分開再進(jìn)行處理。對2×2天線(2天線發(fā)射機和2天線接收機)情況，Alamouti^[5]采用了一種特殊的發(fā)射編碼方法使接收機能實現(xiàn)這種分開。

圖2示出了一個采用空時分組碼2天線發(fā)射機和2天線接收機的框圖。輸入信息首先分成兩個符號一組^[c1、c2]。在兩個符號周期內(nèi)，兩天線同時發(fā)射兩個符號。第1周期，天線1發(fā)c1，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c*2，天線2發(fā)c*1。設(shè)由發(fā)射天線j到接收天線i的信道響應(yīng)為hij (i=1,2，j=1,2)，且設(shè)兩個相鄰符號周期內(nèi)hij 是恒定的。對于接收天線1，相鄰兩周期的接收信號分別為：

其中H₂^*，r₂與H₁，r₁同樣定義。上式表明采用線性變換[H₁₁H₂₁]即可實現(xiàn)需要的區(qū)分，進(jìn)而用純量方程進(jìn)行最優(yōu)檢測處理。

Tarokh將上述結(jié)果推廣到發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)大于2的情況。

4 研究近況

目前，各國學(xué)者對于MIMO的理論、性能、算法和實現(xiàn)的各方面正廣泛進(jìn)行研究。下面簡述其中部分研究工作情況。

在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對于寬帶信號的4G系統(tǒng)及室外快速移動系統(tǒng)來說是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對接收機進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動臺移動速度過快，就使得訓(xùn)練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內(nèi)容。

一些文獻(xiàn)中，除了假定接收機完全已知信道參數(shù)之外，一般均假定發(fā)射機完全未知信道參數(shù)，MIMO處理的空時編碼是按照假定發(fā)射機對信道完全未知的條件設(shè)計的。顯然若某種方式的發(fā)射機具有關(guān)于信道的知識，利用該知識應(yīng)該能夠改善性能或簡化結(jié)構(gòu)。Joigren等研究了發(fā)射機已知部分信道知識的情況，并提出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成和正交空時分組碼的MIMO處理結(jié)果。

空時編碼是MIMO的基本問題，前文中已列舉了一些基本的空時編碼方法。學(xué)者們正在不斷地提出新的或改進(jìn)的方法，以改善MIMO性能，減少空時編碼系統(tǒng)復(fù)雜性，更好地適應(yīng)新一代無線通信系統(tǒng)要求和信道實際情況。這方面已發(fā)表了相當(dāng)多的文獻(xiàn)。如Hochwald等提出了一種針對分段-恒定衰落信道的新的信號調(diào)制方法——單式空時調(diào)制(Unitary Space-time Modulation)。這種方法可以在不估計信道傳輸矩陣的條件下很好地進(jìn)行MIMO處理。隨后，他們又將該方法推廣到連續(xù)衰落信道情況，提出了微分單式空時碼。

TURBO碼結(jié)合網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)空時碼可以克服幀誤差率隨幀長增加而增加的問題，并可大為降低碼結(jié)構(gòu)和信道結(jié)構(gòu)的相互作用。空時TURBO碼的這些優(yōu)點引起了學(xué)者的廣泛注意。比如，Sallathurai等針對V-BLAST的問題，提出采用軟對消方式實現(xiàn)檢測的TURBO編碼與貝爾實驗室分層空時(BLAST)算法結(jié)構(gòu)結(jié)合的MIMO處理方案。

為了在新一代系統(tǒng)中實際應(yīng)用MIMO技術(shù)，就必須結(jié)合具體通信體制(多址方式、雙工方式、調(diào)制方式、常規(guī)信道編碼方式、多用戶檢測方式、波束形成方式等)進(jìn)行性能研究和系統(tǒng)設(shè)計。近來，已有一批有關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表。比如，Agrawal等提出了一種正交頻分多復(fù)用(OFDM)與空時碼結(jié)合的MIMO方案。Goeckel等提出了用于OFDM的多維信號集。

實驗系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步，目前各大公司均在研制實驗系統(tǒng)。Bell實驗室的BLAST系統(tǒng)^[4]是最早研制的MIMO實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9 GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9 bits/(Hz·s)。但單該系統(tǒng)僅對窄帶信號和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。

實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做?！?/p>

參考文獻(xiàn)

1 Telatar E. Capacity of Multiantenna Gaussian Channels. AT&T-Bell Lab Internal Tech Memo, 1995

2 Foschini G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas. Bell Laboratiories Technical Journal, 1996,1(2):741—765

3 Tarokh V, Seshachi N, Calderbank A R. Space-time codes for high data rate wireless communications: performance analysis and code construction. IEEE Trans Inform Theory, 1998,44(2):744—765

4 Wolniansky P W, Forshini G J, Golden G D, et al. V-BLAST:an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel. Proc ISSSE-98, Pisa, Italy Sept 29, 1998

5 Alamouti S. Space Block Coding: a Simple Transmitter Diversity Technique for Wireless Communications. IEEE J Select Areas Commun, 1998,16:1451—1458

(收稿日期：2002-09-23)

作者簡介

龔耀寰，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。畢業(yè)于成都電訊工程學(xué)院無線電系，1979—1981年為英國拉夫巴勒技術(shù)大學(xué)訪問學(xué)者，1991年、1992年為德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)客座教授。長期從事自適應(yīng)抗干擾、智能天線和編碼加密技術(shù)的研究工作。已出版著作4部，發(fā)表論文100余篇。