多入多出智能天线技术

1 前言

　　多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。多入多出技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，多入多出将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。早在70年代就有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&T Bell实验室学者完成的。1995年Teladar[1]给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia[2]给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh[3]等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人[4]采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20 bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。

　　2 多入多出概念

　　通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

图1 多入多出系统原理

　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

　　MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

　　系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为[1]

　　C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

　　其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

　　3 空时码

　　MIMO通过多天线发射多数据流并由多天线接收实现最佳处理，可实现很高的容量。这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的。文献[2—5]已经提出了不少MIMO空时码，其中包括空时网格码[3]、空时分组码[5]、空时分层码[2，4] 。限于篇幅，本文只简单介绍空时分组码的概念。

　　为了实现分集，接收机首先应将各独立信道分开，然后再实现最优结合。同样地，为了实现MIMO处理，各接收机也必须先将收到的各发射机发来的子流分开再进行处理。对2×2天线(2天线发射机和2天线接收机)情况，Alamouti[5]采用了一种特殊的发射编码方法使接收机能实现这种分开。

图2 2x2空时分组码

　　图2示出了一个采用空时分组码2天线发射机和2天线接收机的框图。输入信息首先分成两个符号一组[c1、c2]。在两个符号周期内，两天线同时发射两个符号。第1周期，天线1发c1，天线2发c2；在第2周期，天线1发-c*2，天线2发c*1。设由发射天线j到接收天线i的信道响应为hij (i=1,2，j=1,2)，且设两个相邻符号周期内hij 是恒定的。对于接收天线1，相邻两周期的接收信号分别为：

　　r11=h11c1+h12c2+η11
　　r12=-h11c*2+h12c*1+η12

　　其中，η11，η21为均值为零、方差为N0的相互独立复高斯变量。令

　　r1=[r11,(r12)*]，c=[c1,c2]，η=[η11,η12]

　　则上式可表为：

　　r1=H1c+η1

　　其中：

　　并且H1*H1=ρ1I，H1*为H1的共轭转置矩阵，ρ1=|h11|2+|h12|2。若对接收矢量r1用H1*进行线性变换，设变换后矢量为r1则有：

　　r1=H1*r1=ρc+η

　　上式归结为两个纯量方程：

　　r11=ρc1+η11
　　r12=ρc2+η12

　　即采用H1*就可将子流c1，c2分开，从而分别实现最优处理。

　　同时考虑两个接收天线时，相应信号区分处理为：

　　其中H2*，r2与H1，r1同样定义。上式表明采用线性变换[H1* H2*]即可实现需要的区分，进而用纯量方程进行最优检测处理。

　　Tarokh将上述结果推广到发射天线数和接收天线数大于2的情况。

　　4 研究近况

　　目前，各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。下面简述其中部分研究工作情况。

　　在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。

　　一些文献中，除了假定接收机完全已知信道参数之外，一般均假定发射机完全未知信道参数，MIMO处理的空时编码是按照假定发射机对信道完全未知的条件设计的。显然若某种方式的发射机具有关于信道的知识，利用该知识应该能够改善性能或简化结构。Joigren等研究了发射机已知部分信道知识的情况，并提出了一种基于线性变换的结合普通发射数字波束形成和正交空时分组码的MIMO处理结果。

　　空时编码是MIMO的基本问题，前文中已列举了一些基本的空时编码方法。学者们正在不断地提出新的或改进的方法，以改善MIMO性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适应新一代无线通信系统要求和信道实际情况。这方面已发表了相当多的文献。如Hochwald等提出了一种针对分段-恒定衰落信道的新的信号调制方法——单式空时调制(Unitary Space-time Modulation)。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下很好地进行MIMO处理。随后，他们又将该方法推广到连续衰落信道情况，提出了微分单式空时码。

　　TURBO码结合网格编码调制(TCM)空时码可以克服帧误差率随帧长增加而增加的问题，并可大为降低码结构和信道结构的相互作用。空时TURBO码的这些优点引起了学者的广泛注意。比如，Sallathurai等针对V-BLAST的问题，提出采用软对消方式实现检测的TURBO编码与贝尔实验室分层空时(BLAST)算法结构结合的MIMO处理方案。

　　为了在新一代系统中实际应用MIMO技术，就必须结合具体通信体制(多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波束形成方式等)进行性能研究和系统设计。近来，已有一批有关的研究结果发表。比如，Agrawal等提出了一种正交频分多复用(OFDM)与空时码结合的MIMO方案。Goeckel等提出了用于OFDM的多维信号集。

　　实验系统是MIMO技术研究的重要一步，目前各大公司均在研制实验系统。Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9 GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9 bits/(Hz·s)。但单该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。

　　实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。□

　　参考文献

　　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

[摘要] 多入多出或多发多收技术同时采用多天线发射和多天线接收，能够大大提高无线通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。文章叙述了多入多出的概念，给出了一个空时码的例子，并简述了多入多出技术的研究现状。

[关键词] 多入多出；多发多收；智能天线；空时编码

[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.

[Keywords] MIMO; MTMR; Smart antenna; Space-time coding