东
北电力大学学报第26卷第2期
Journal Of Northeast Dianli University Vol.26,No.22006年4月Natural Science Edition
Apr.,2006收稿日期:2005-12-20作者简介：李 蕾(1970-)，女，东北电力大学信息工程学院副教授.
文章编号:1005-2992(2006)02-0043-04
李 蕾11，连 莲1，鲁月今2
(1.东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012;2.中国联通吉林市分公司，吉林吉林132001)
摘 要：概述了多输入多输出(M I M O)天线技术的工作原理，指出M IM O 的核心问题是空时编码,
分析了其关键技术中的BLAST 技术、空时格形码(ST T C)、空时分组码(ST BC)的特点，最后阐述了M I -
M O 天线技术的应用及未来发展方向。
关 键 词:M IM O；空时编码;BL AST 技术；空时格形码(ST T C)；空时分组码(ST BC)
中图分类号:T N 92 文献标识码:A
无线通信技术在不断发展，有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境。如何用较少的频率资源来传输更多的信息以及抑制无线电干扰技术成为无线通信技术发展的两大挑战。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,M IMO)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。实验室的研究证明，采用M IM O 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20~40bit/s/Hz，而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1~5bit/s/H z，在点到点的固定微波系统中也只有10~12bit/s/Hz 。M IM O 技术作为提高数据传输速率的重要手段受到人们越来越多的关注，己经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。 1 M IMO 天线技术概述
M IMO，就是在无线信道中利用多个天线收发，来抑制信道的衰落。对于无线信道而言，多径衰落图1 M IM O 系统的原理图 是一个先天的缺陷，引起码间干扰，从而大大降低系
统的性能，然而对于M IMO 系统而言，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，从而改
善每个用户得到的服务质量(误比特率或数据速
率)。
图1所示为M IMO 系统的原理图。传输信息流
废渣4
S (k )经过空时编码形成N 个信息子流C i (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。
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。M IMO 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而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。
当信道为独立的瑞利衰落信道，并设N 、M 很大，则信道容量可近似表示为[3]:
C =[min (M ,N )]B log 2Q 2
其中:B 为信道带宽;Q 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随最小天线数的增加而线性增加。
2 M IMO 中的关键技术
空时编码是M IMO 的核心问题。相关文献中已提出了不少M IMO 及空时编码算法。但是为了在4G(4Generation，第四代)等新一代系统中实际应用M IMO，在空时编码算法研究上还有大量工作要做。新一代无线通信系统计划采用空时处理技术，例如IEEE802.16.3宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码,RS 码作为外码；欧洲WIND -FLEX 项目研究空时处理用于室内64~100M bit/s 的无线自适应MODEM 。数据速率20M bit/s，带宽效率提高20%的空时码是4G 的重要技术之一。人们正在不断地提出新的或改进的空时编码方法，以改善M IMO 的性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适合新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况。
Hochw ald 提出了一种针对分段恒定哀落信道的新的信号调制方法)))单式空时调制(Unitary Space -time M odulation)。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下实现M IM O 处理。随后，他们又将
该方法推广到连续哀落信道情况，提出了微分单式空时码。Bauch 提出了将T urbo 码与短空时分组码串接。Narayanan 提出了将Turbo 码与短空时分组码串接。Liu 基于秩理论提出了全分集和全速率空时T urbo 码。Cui 等研究了步行级联Turbo 空时码。Sallathurai 等针对V -BLAST 的问题，提出采用软对消方式实现检测的T urbo 编码与BLAST 结构结合的M IM O 处理方案。
利用M IMO 信道的容量己经提出了很多种技术。如BLAST，即贝尔空时分层结构(Bell labs lay -ered space -time architecture);STT C，即空时格形码(space -time trellis codes);ST BC，即空时分组码(space -time block codes)。
2.1 BLAST
技术
美国Bell 实验室于1996年提出了分层空时编码的概念，并开发出了BLAST 实验系统。如图2所示分层
空时码先将待传信息流经串并变换为n 路，分别进行一般的信道编码，再将这n 路按一定规律分层编码后加载同样的载波由发射天线阵同时发射。
图2 BLAST 原理图
在接收机端，多个天线挑选出发送来的多个数据子流及其散射副本，每个接收天线/看得见0叠加在一起的所有发送来的数据子流。利用复杂的信号处理技术，通过这些子信道的差异能分离数据子流并进行检测。BLAST 系统与多用户扩谱系统相类似，其中多个发射天线相当于用户的数目，而多个接收天线相当于扩谱编码增益，利用非线性多用户检测接收机端分离进入的信号。通过这种方式，无线不可避免的多径提供非常有用的空间并行，能极大地提高数据传输率，因此与传统的系统相反,BLAST 中多44
东北电力大学学报第26卷
径越多，数据传输越好。
制作智能卡2.2 空时格形码(STTC )
空时格形码是由朗讯实验室的Tarokh 等提出的空时编码技术。它是格型编码调制TCM (Trellis Coded M odulation)的推广，适用于多种无线信道环境。空时格型编码STTC 编译码的基本原理如图3所示,T
CM 编码器的基本结构在多数情况下可以看作一个有限状态的状态转移器，最新的信息源比特流数据用来确定编码器的从当前状态到下一个状态的状态转移，状态转移的结果就是要从多个发射天线上同时发射出去的一个空时矢量符ST S (Space T ime Sy mbol)。STS 的组成符号从原理上可以选择任何星座图，如QPSK 、8PSK 、16QAM 等。
图3 空时格型编码ST TC 编泽码的基本原理
STTC 把编码和调制结合起来，能够达到编译码
复杂度、性能和频带利用率的最佳折衷，是一种最佳
码。
采用STTC 能同时得到编码增益和分集增益，虽
然它能够提供比现有系统高3~4倍的频谱效率，但是
其译码复杂度随着状态数的增加而呈指数增长。
2.3 空时分组码(STBC)
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空时分组码是由AT&T 的Tarokh 等人在
Alamouti 的研究基础上提出的。Alamouti 提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。
T arokh 在信道编码中引入了正交性结合这种发射分集提出了空时码。空时分组码正是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译码复杂度大大降低。3 M IMO 技术应用与未来发展方向
3.1 3G 中的MIMO 应用
目前，对MIM O 技术的研究工作己经进入了一个相对成熟的阶段。但至今为止,MIM O 在蜂窝系统中还很少商业实现。除了多入单出的纯发分集方案，目前3G(3Generation，第三代)还没有采用任何的MIMO 方案。影响MIMO 系统大规模商业化的两个主要因素:
一是天线问题。在M IM O 的系统设计中，天线的数目和间距是很重要的系统参数。对于终端而言1/2波长间距足够保证非相关衰落，最大可能是使用两根天线，而对于手机而言，安装两根天线可能是个问题。这是因为目前手机设计的趋势是把天线放入盖子里以改进外表的吸引力，这就使得间隔的要求近乎苛刻。
二是接收机复杂度的问题。首先，接收机中对MIM O 信道的估计使得复杂度增加。另外，复杂度还来自特别的RF(Radio Frequency ，射频)、硬件和接收机高级分离算法。
系统与现有的非M IMO 网络兼容问题、ITU (International Telecom munication U nion，国际电信联盟)还没有统一的M IM O 信道模型问题、考虑发射机的信道状态信息CSI(Channel Status Information)问题等等，也是需要考虑的。
3.2 MIM O 技术的其它应用
M IMO 技术己经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中，采用M IM O 的主要公司是Iospan Wire -less 和Raze Technologies 。Iospan Wireless 的AirBurst 系统是基于M IMO 一OFDM 正交频分复用的FDD(频分双工)系统。Raze T echnolog ies 的Sky Fir 系统也具有M IMO 接口，并且可以用波束成形控制器来升级。
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45第2期李 蕾等：浅谈M IM O 天线技术
46东北电力大学学报第26卷4结束语
尽管还有许多问题有待解决，如BLAST系统中多用户情况时的干扰、实现手机终端的多天线、降低接收机复杂度等等，但在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下，利用增加发射天线来增加空
间自由度、改善系统性能、提高频带利用率已经成为无线通信领域中的一个研究方向。M IM O技术以其特有的优点，将成为未来移动通信中的关键技术之一，将对无线通信系统的发展产生深远的影响。
参考文献大孔树脂吸附
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Elementary Introduction to MIMO Antenna Technology
LI Lei,LIAN Lian,LU Yue-jin
(Institute of Information Engineering,Nort heast Dianli U niversity,Jilin City132012)
Abstract:T he working principle of Multiple-Input Multiple-Output(M IMO)antenna technology is sum-marized.The key problem of M IM O is Space-Time Codes.The characteristic of its crucial technology such as Bell Labs Layered Space-Time architecture technology,Space-T ime Trellis Codes and Space-Time Block Codes are analyzed.The application of M IMO antenna technolog y and the research trend in future is given finally.
Key words:M ultiple Input Multiple Output;Space-Time Codes;Bell Labs Layered Space-Time Architecture technology;Space-Time Trellis Codes;Space-T ime Block Codes
(上接第23页)
Robu st Controller Research of Nonholonomic Mobile Robot
GAO Qing-ji1,2,ZHANG You-yi2,WANG Hong-xing2,HONG Bing-rong1
(1.Department of Computer Science and T echnolog y,Harbin I nstitute of T echnolog y,Harbin City150001;2.Department of Automat ic Contro l Engineer ing,N ortheast China Institute of Electr ic Power Eng ineering,Jinlin Cit y132012)
Abstract:An obstacle avoidance and circle trajectory follow ing controller is proposed for differential d
riv ing nonholonomic robot w ith inaccurate insatiable limited feedback information from monocular pan-tilt camera. Firstly,an elementary circle trajectory follow ing controller to solving the stability problem of the system. based on the Lyapunov theory d,Secondly,a variable guided-angle solving the view angle limita-tion problem and optimizing path trajectory.is proposed to tune the elementary controller parameters,The polygonal obstacles are avoided by tracking circle trajectory w hose centers are varied according to polygon using the proposed controller.Finally,the controller.s validity and robustness is proved by the simulation and real robot ex periment.
Key words:Mobile robot;Nonholonomic system;Lyapunov direct theory;Trajectory follow ing;Obstacle avoidance
