科技信息 0机械与电子o SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION 2008年 第 2O期
MIMO技术的研究及应用
江亮亮 李洋洋 文笑雨 张魁元
(华中师范大学信息技术系 湖北 武汉 430079)
【摘 要】MIMO技术是当今无线通信领域的重要技术，它能有效地提高频谱利用率。本文首先对MIMO技术的原理进行了分析，然后
介绍了几种MIMO的空时编码技术．最后指出MIMO技术在实现商业化之前需要解决的问题。
【关键词】MIMO；空时码；天线；接收
1．引言
随着无线通信的快速发展，频率资源的严重不足 目益成为遏制无
线通信发展 的瓶颈。尤线通信正朝着大容量 、高传输率和高可靠性 的
方向发展，针对有限的频谱资源，如何最大限度地提高频谱利用率，成
为 当前研究 的一个热门课题 。多输人多输出(MIMO)技术是众多方法
中很有潜力 和优势的一项技 术。
MIMO技术由来已久，早在 1908年马可尼就提出用它来抗衰落。
在 2O世纪 7O年代，有人提出将 MIMO技术用于通信系统 ，但是
MIMO对无线移动通信系统产生巨大推动的奠基工作则是 9O年代
AT&T Bell实验室的学 者完成 的。1998年 wolniansky等人采用垂直一
贝尔实验室分层 时(V—BLAST)算法建立 了一个 MIMO实验系统，在
室内达到丁 20bit／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关注，并使得 MIMO的
研究工作得到迅速发展。
2．MIMO 系统模型
无线通信中的 MIMO技术指的是利用多根发射天线和多根接收
天线进行无线传输的技术，使用这种技术的无线通信系统即为MIMO
系统。图 l—l示出了一个基本的MIM0系统框图。
图1 MlMO系统示意图
MIM0技术的原理是 同路的数据流从不同的发射天线同时、同
频发射．经过空间信道衰落后，来 自不同发射天线的信号在每一根接
收天线j 叠加．最后送人接收机进行信号合并处理，这样就改进了每
个 MIM0用户的通信质量和速率I I。传统上认为多径传播是无线传输
的一个缺陷，而 MIMO系统的主要特征就是把 多径传播转变成 为对用
户有利的因素，MIMO有效地利用随机衰落来提高传输速率。
3．MIMO的核心技术
MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的
多个天线将时间域和牢间域结合起来进行信号处理，它有效地利用了
随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。目前常
见的空时编码技术有分层空时码 、空时格形码和空时分组码三种 。
3．1分层空时码(Layered Space—time Codes)
分层空时码是最早提出的一种空时编码方式 。它 的基本思想是把
高速数据业务分解为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器
编码后，对其进行并行的分层编码。编码信号经调制后从多个天线发
射 ．实现发送分集
在运用分层空时码时，原始信息比特首先被分解成n个并行的数
据流(称为层)，并将它们送人不同的编码器，然后再将编码器的输出调
制后从不同的天线上发送出去。所有数据在同一个频段内传输．所以
带宽效率非常高。但足分层空时码的性能在很大程度上依赖于信道的
衰落环境和对信道衰落特性估计的准确性，只有当各子信道所受的衰
落差异较大时，才能较好的恢复发送信号。与其它空时码相比较．虽然
分层空时码有较高的频谱利用率，但是无法达到最大分集增益．性能
相对较差f=I。
3．2空时格形码(Space—time Trellis Codes1
空时格形码最初是由Tarokh提出的，将编码技术和调制技术结
合在一起 。待发送 的信息比特流经过“格形编码 ”转发成可以同步发射
的矢量单元。格形编码有多种机制，如：QPSK—TCM，
8PSK—TCM．16QAM—TCM 等．接收机对 STI'C的解码也有多种方
式．常采用的是Viterbi—MLSE算法来估算原始的信息序列。
空时格形码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺
牲发射带宽。然而．译码采用 Viterbi译码器的向量形式，当天线数目
固定时，译码复杂度随发射速率的增大呈指数增长，显得不太实用。
3_3空时分组码(Space—time Block Codes)
最初的空时分组码是 Alamouti提出来的，是应用在两发射天线单
接收天线的系统中．这种发射分集得到的分集增益与单发射天线两接
收天线的接收分集增益相等。后来Tarokh这种空时分组编码推广到
一 般的情况下，使得它具有一般化的意义。
Tarokh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i 。
4．MIMO 技术在 3G 中的应用
由于对 MIMO技 术的研究 日益成熟 ．3G中 MIMO的标准化 工作
已经开始 ，主要是在 ITU—T和 3GPP的论坛上进行 。不过到 目前为止，
MIMO还没有在蜂窝系统中实现商用。除了多人单出的纯 发分集方案，
3G还没有采用任何的MIM0方案。在 MIMO实现商用的道路上，还有
一 些问题有待解决。
4．1天线问题
天线数目和天线之间的距离是一个关键参数，尤其是后者．对实
现MIMO的高频谱效率十分关键。如果在基站上安装大量天线，还会
带来环境上的问题。因此，一般将天线的数目限于一个中等的值，如 4
根天线，天线之间的距离为 IOX。选用比较大的距离是因为基站一般建
在比较高的位置．并不能保证可以抵消相关衰落。在基站。使用双极性
天线，4根天线距离为 1．5m(10h)就可以。对终端．1／2X的间距可以保证
相当的不相关衰落。终端的最大天线数目一般不超过 4根，也可以只
用 2根天线．4根双极性天线间距 为 7．5cm。这些天线可以嵌人 到笔记
本电脑中，然而，对手机而言，安装 2根天线也是一个问题。因为手机的
发展趋势是将天线内置，以改进手机的外观，这使得对间距的要求更严
格。
4．2接收机复杂度
接收机中对MIM0信道的估计使得复杂度增加。另外，复杂度还
来 自特别的RF、硬件和接收机高级分离算法。MIM0接收机应该是双
模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式时，接收机的每根天线使用
一 个RF链路，另外还要有附加的基带操作，即用来消除空间干扰的空
时合并器和检测器。这些附加需求使得四发四收MIMO系统的复杂度
大约是单天线接收机的两倍。有的信道条件下可能还需要均衡和消除
干扰的处理，这样会进一步增加接收机的复杂度[51。
5．结束语
未来无线通信系统需要更高的数据传输数率和更好的服务质量．
因此需要系统容量大幅度提高。在有限的频谱资源的条件下．只有极
大地提高频谱利用率才能使系统容量更高。MIMO技术是提高频谱利
用率的一种好方法，它是无线通信领域重大的技术突破，将成为未来
无线宽带移动通信系统和无线宽带接人系统的关键技术。
【参考文献】
[1]郑珊珊．无线多输入多输出系统关键技术的研究[D】．北京交(下转第 65页 )
维普资讯
科技信息 。机械与电子0 2008年 第 20期
复合轧辊的制备装置
冀 慧 宗岩坡 李 芳
(河南安阳钢铁公司 河南 安阳 455004)
【摘 要】本文介绍了一种复合轧辊的制备装置，针对以往制备设备中出现的缺陷，从工艺设备上进行改进，从而提高了轧辊本身的质量。
【关键词】轧辊；补热坩锅；结晶嚣
本装置属于金属轧辊制备领域。同时涉及连续铸造和双金属界面
高温复合技术。这种复合轧辊的制备装置包括：中间包，感应补热导流
管，感应补热坩锅，氩气保护系统，水冷结晶器，其结构如右图所示。其
使用方法为：先将预制好的辊芯通过辊芯人口置于结晶器中合适位
置，然后打开氩气保护系统，同时接通两个感应补热器的电源，再用塞
棒封堵中间包水口，随后将冶炼好的复合轧辊工作层金属注入中间包
到合适深度，然后提起塞棒，使工作层金属通过导流管，在感应补热坩
锅的中部沿切向方向流入感应补热坩锅，随后通过水冷结晶器使工作
层钢液凝固．并与辊芯同步连续拉出，从而制备出合格的复合轧辊。采
用本实用新型不但能有效避免钢液的氧化和氮化，而且还可避免钢液
直接冲刷辊芯和卷渣．制备出的双金属复合轧辊，工作层组织致密、晶
粒细小、成分均匀、无偏析，并且具有良好的红硬性和耐磨性 ，辊芯为
机械性能和加工性能良好的锻造或轧制的碳素结构钢。
1 一种复合轧辊的制备装置 ．它主要包括 ：
1一塞棒 2一中间包 3一导流管 4一感应补热器 1 5-感应补
热坩锅
6一感应补热器2 7-氩气人口 8一氩气出口 9一辊芯人口 lO一
密封环
1 l一水冷结晶器
2．根据权利要求 1所述的装置 ．其特征在于 ：
(1)工作层钢液通过导流管(3)时可进行补热；
(2)工作层钢液通过封闭的导流管(3)注入感应补热坩锅(5)；
(3)工作层钢液在感应补热坩锅的中部(5)，沿着感应补热坩锅
(5)侧面的切线方向注入感应补热坩锅(5)；
(4)感应补热坩锅(5)的隔热盖上有氩气出入 13(7，8)，在浇注过
程中通入氩气。
◆技术方案 ：
本实用新型主要有以下几部分构成 ，如图l所示：
1一塞棒 2一中间包 3一导流管 4一感应补热器 1 5-感应
补热坩锅
6一感应补热器2 7一氩气入口 8一氩气出口 9一辊芯人口 l0一
密封环
l1一水冷结晶器
制备复合轧辊时，先将预制好的辊芯通过辊芯人 13(9)置于结晶
器中合适位置，然后打开氩气保护系统，氩气由入口(7)进入，通过出
口(8)及辊芯人口(9)排出，在制备过程中要确保氩气充满钢液与坩锅
盖之间的整个空间，同时接通感应补热器 1(4)和感应补热器2(6)的
电源，再用塞棒(1)封堵中间包(2)水口，随后将冶炼好的复合轧辊工
作层金属注入中间包(2)到合适高度，然后提起塞棒(1)，使工作层金
属通过导流管(3)，在感应补热坩锅(5)的中部沿切向方向流入感应补
热坩锅(5)，随后通过水冷结晶器(I1)使工作层钢液凝固，并与辊芯同
步连续拉出．从而制备出合格的复合轧辊。
◆技术优势
与现有的技术设备相比，本实用新型具有如下所述的技术优势：
①中间包置于结晶器的一侧上部位置，可避开辊芯；
②钢液在浇注过程中与空气不接触，可有效避免氧化和氮化；
③钢液在导流管中可有效进行补热，一方面可满足工艺要求，另
一 方面可有效防止导流管堵塞；
④钢液由补热坩锅的中部沿切向方向流人，一方面可避免钢液直
接冲刷辊芯。消除偏心浇钢带来的不利影响，另一方面可有效避免卷
渣。
⑤坩锅上部通人氩气，可使钢液与空气分开，避免或减轻高温钢
液的氧化和氮化。
／，一 ＼ 、
＼ ． ／
图1 一种复合轧辊的制备装置
l一塞捧 2一中间包 3一导流管 4一感应补热器 1
5一感应补热坩锅 6一感应补热器2 7一氩气人口
8一氩气出口 9一辊芯人口 lO一密封环 11-水冷结晶器
[责任编辑：翟成梁】
(上接第 66页)通大学硕士学位论文，2006．
[2]黄丘林．MIMO无线通信技术的研究[D】．西安电子科技大学博士学位论文
2O07．
【31赵亚男．MIMO技术的发展与应用【Jl电讯技术．2005(1}：7一l1．
[4]王鹏．MIMO系统中若干关键技术的研究fD】．北京邮电大学硕士学位论文
20o6．
[5]肖征荣．MIMO无线通信系统研究进展{J】．重庆邮电学院学报 ，2004，16(4)
26-29．
作者简介：江亮亮：男，2O岁，华中师范大学信息技术系，电子信息工程专业
本科 生．研 究方向为移动通信。
李洋洋：女，22岁，华中师范走学信息技术系，电子信息工程专业本科生，研
究方向为移动通信。
【责任编辑：张慧]
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