MIMO系統(tǒng)中預(yù)編碼研究

1、MIMO 系統(tǒng)中的預(yù)編碼研究摘要多入多出(MIMO)無(wú)線通信技術(shù)大大增加了無(wú)線通信系統(tǒng)的容量，改善了通信系統(tǒng)的性能。而同時(shí)，B3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究也逐漸進(jìn)入了實(shí)現(xiàn)階段。作為 B3G無(wú)線通信系統(tǒng)的主要技術(shù)，MIMO 正受到越來(lái)越多的關(guān)注。與 MIMO 無(wú)線通信相關(guān)的理論和關(guān)鍵技術(shù)也成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，包括 MIMO 系統(tǒng)的預(yù)編碼問(wèn)題。本文主要對(duì) MIMO 中的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行研究，主要內(nèi)容概括如下：1、深入了解 MIMO 系統(tǒng)的研究背景，對(duì) MIMO 系統(tǒng)的信號(hào)模型做了分析。2、歸納總結(jié)了現(xiàn)有的預(yù)編碼技術(shù)的基本原理。以非線性預(yù)編碼中的 TH預(yù)編碼為重點(diǎn)進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：MIMO,預(yù)編碼，TH

2、PRESEARCHOFPRECODINGFORMIMOSYSTEMSABSTRACTMIMOwirelesscommunicationtechnologyhasalreadygreatlyincreasedthecapacityandimprovedtheperformanceofthecommunicationsystem.Atthesametime,thestudyofthebeyondthirdgeneration(B3G)mobilecommunicationsystemalsograduallysteppedintotheinitialphaseofimplementation.As

3、oneofthemajortechniquesinthethirdgenerationsystem,thetheoryandkeytechnologyrelatedtotheMIMOwirelesscommunicationhasreceivedworldwideattention,includingtheresearchofMIMOprecodingtechniques.ThepaperfocusesonthetechnologyoftheMIMOprecodingtechniques,themaincontentsummarizedasfollows:1.Godeeplyintothere

4、searchbackgroundofMIMOsystem,learningthesignalmodelofMIMOsystem.2.Concludetheexistingprecodingtechnology,emphasesontheTHPofthenon-linearprecoding.KEYWORDS:MIMO,precoding,THP1 研究背景無(wú)線通信是當(dāng)今世界最活躍的科研領(lǐng)域之一，它突破了有線通信的物理限制，使得用戶可以自由地再任何無(wú)線電波能夠到達(dá)的地方進(jìn)行通信，這大大拓寬了通信的空間和活力，有很多有線通信不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端通常是各使用一根天線，

5、這種單天線系統(tǒng)也稱為單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，ShannonC.E 于 1948 年提出信道容量的計(jì)算公式，它表明了在有噪聲的信道中進(jìn)行可靠的上限速率。以后的電信工作者無(wú)論使用怎樣的信道編碼方法和調(diào)制方案，只能一點(diǎn)一點(diǎn)地接近它，卻無(wú)法超越它，這似乎成了一個(gè)公認(rèn)的、不可逾越的界限，也成了現(xiàn)代無(wú)線通信發(fā)展的一大瓶頸。隨著目前移動(dòng)通信的普及和廣泛應(yīng)用，加上未來(lái) Internet 要求無(wú)線接入，用戶要求大幅度地提高無(wú)線通信速率的愿望變得越來(lái)越強(qiáng)烈，因此必須設(shè)法突破上述傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的容量界限。一般來(lái)說(shuō)，提高移動(dòng)通信的息道容量有三種方法：（1）設(shè)置更多的基站；（2）拓寬已使用的頻帶

6、；（3）提高頻譜的使用效率。設(shè)置更多的基站意味著增加更多的蜂窩，為此付出的代價(jià)較高。為了便于提高無(wú)線通信的傳輸速率，也有人建議把目前使用的頻帶拓展到毫米波段，因?yàn)樵诤撩撞ǘ斡懈鼘挼念l帶可供使用，但是就目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，這樣做的代價(jià)還相當(dāng)昂貴，而且目前實(shí)際的無(wú)線應(yīng)用市場(chǎng)迫切需求的 3G（約 2GHz）系統(tǒng)和WLAN（其 LSM 頻帶為 25GHz）之間的設(shè)備，它們使用的是微波波段。在單天線系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)容量的另一個(gè)方法是加大系統(tǒng)的發(fā)射功率。然而，不僅是因?yàn)槿说慕】翟虿煌扑]使用這種方法，而且還因?yàn)橐O(shè)計(jì)一個(gè)能在很寬的線性范圍內(nèi)和很高的發(fā)射功率上工作的功率放大器，是件很困難的事，而且當(dāng)發(fā)射功率

7、很高時(shí)，器件的散熱也成問(wèn)題。另外在蜂窩方案中，由于來(lái)自其他用戶的干擾電平通常高于系統(tǒng)的熱噪聲，所以在這種情況下增大發(fā)射功率對(duì)增加信道容量沒(méi)有太大幫助。此時(shí)，一種新的不需要損失頻帶和發(fā)射功率資源就能提供前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)進(jìn)入了人們的視野，那就是 MIMO（Multiple-InputMultiple-Output,多輸入多輸出）無(wú)線通信技術(shù)。研究表明，MIMO 技術(shù)可以顯著提高無(wú)線系統(tǒng)的頻譜利用率，作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，已經(jīng)被視為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的重要組成部分。2MIMO 技術(shù)2.1 MIMO 技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO 技術(shù)即多入多出技術(shù)，最早是由 Marco

8、ni 于 1908 年提出的，它利用多天線來(lái)抑制碼問(wèn)干擾，提高系統(tǒng)容量。MIMO 技術(shù)的空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多個(gè)天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道發(fā)射信號(hào)，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道的增加不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率，因此是增加信道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的手段。MIMO 系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn):（1）利用或減輕多徑發(fā)落：MIMO 技術(shù)能夠充分采用多徑的各種發(fā)射/合成技術(shù)，提高無(wú)線通信的性能。（2）消除共道干擾：MIMO 系統(tǒng)能夠采用自適應(yīng)波束形成技術(shù)或多用戶檢測(cè)技術(shù)對(duì)共道干擾進(jìn)行有效抑制或消除。（3）提高頻譜利用率、增

9、加發(fā)射效率、減小發(fā)射功率、減小空問(wèn)電磁干擾及增大系統(tǒng)容量：MIMO 將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接受視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)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(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理2.2 MIMO 技術(shù)基本原理及系統(tǒng)組成下圖給出了單用戶 MIMO 系統(tǒng)原理框圖，在發(fā)射和接收端均有多根天線。在發(fā)射端，輸入的串行碼流通過(guò)一系列預(yù)處理（調(diào)制、編碼、加權(quán)、映射）轉(zhuǎn)換成幾路并行的獨(dú)立子碼流，通過(guò)不同的發(fā)射天線發(fā)送出去。在接收端，利用不少于發(fā)送天線數(shù)目的天線組進(jìn)行接收，并利用估計(jì)出的信道傳輸特性與發(fā)送子碼流間一定的編碼關(guān)系對(duì)多路接收信號(hào)進(jìn)行空域與時(shí)間域上的處理，從而分離出幾路發(fā)送子碼流

10、，再轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。MIMO將信道視為若干并行的自信道，在不需要額外帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)近距離的頻譜資源重復(fù)利用（多個(gè)發(fā)射天線近距離同頻、同時(shí)傳輸），理論上可以極大的擴(kuò)展頻帶利用率、提高無(wú)線傳輸速率，同時(shí)還增強(qiáng)了通信系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落型性能。3MIMO 系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)預(yù)編碼技術(shù)在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播信道中，由于各用戶在地理位置上的差異，不能協(xié)同接收，當(dāng)各用戶間的接收信號(hào)存在干擾時(shí)，也不能采用多用戶檢測(cè)的方法來(lái)避免干擾。因此解決無(wú)線通信多用戶 MIMO 廣播信道多用戶干擾問(wèn)題的主要方法是采用預(yù)編碼技術(shù)。理論分析證明采用臟紙編碼（DPC:DirtyPaperCoding）等預(yù)編碼方法可以達(dá)到 MI

11、MO 高斯廣播信道的容量，因此對(duì)無(wú)線多用戶 MIMO 廣播信道的預(yù)編碼技術(shù)研究，是解決把 MIMO 技術(shù)應(yīng)用于新一代蜂窩系統(tǒng)或無(wú)線局域網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題，具有重大的研究?jī)r(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線多用戶 MIMO 廣播信道的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行了積極的研究。預(yù)編碼的方法分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是線性預(yù)編碼的方法，另一類(lèi)是非線性預(yù)編碼的方法。線性預(yù)編碼方法主要包括兩種： 一種是基于迫零 ZF(ZeroForcing)準(zhǔn)則或最小均方誤差MMSE 準(zhǔn)則和簡(jiǎn)化收端的目的，將原來(lái)在收端進(jìn)行的處理搬到發(fā)端進(jìn)行，這種方法被稱為線性均衡技術(shù)。另一種是根據(jù)對(duì)信道矩吃 H 進(jìn)行奇異值分析(SingularValueDecompositi

12、on,SVD),同時(shí)通過(guò)采用功率分配的方法來(lái)獲得較高的信道容量或較低的誤碼率，這種方法被稱為 SVD 預(yù)編碼或收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化。典型的非線性預(yù)編碼方法包括：Tomlinson-Harashima 預(yù)編碼(THP)和向量預(yù)編碼 VP(VectorPrecoding)?？諘r(shí)逆變換蛇時(shí)變帙線性預(yù)編碼1、線性預(yù)均衡線性預(yù)均衡是預(yù)編碼技術(shù)中比較簡(jiǎn)單的一類(lèi)預(yù)編碼方法。依據(jù)所選用的均衡準(zhǔn)則不同，可分為基于迫零 ZF 的線性預(yù)均衡和基于最小均方誤差 MMSE 的線性預(yù)均衡兩類(lèi)。基于迫零的線性預(yù)均衡的原理和實(shí)現(xiàn)方法較為簡(jiǎn)單，但是在處理的過(guò)程中有急劇放大噪聲的可能，會(huì)影響系統(tǒng)的性能?；谧钚【秸`差的線性預(yù)均衡的目標(biāo)

13、是使接收信號(hào)與發(fā)送數(shù)據(jù)間的均方誤差最小，性能較穩(wěn)定，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。如圖是線性預(yù)均衡的系統(tǒng)框圖。這種線性預(yù)均衡技術(shù)著眼于在發(fā)送端完成對(duì)信號(hào)的處理，接收端只需要知道縮放因子就可以完成對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，這樣可以最大限度的簡(jiǎn)化收端。但是由于這種線性預(yù)均衡技術(shù)對(duì)信道的能量不能充分的利用，其性能較差，一般只是用來(lái)作為與其他預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行性能對(duì)比的一種方案。2、收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化的預(yù)編碼，是一種通過(guò)對(duì)收、發(fā)兩端的濾波器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，從而達(dá)到對(duì)信道進(jìn)行改造的預(yù)編碼方案。通常，這種預(yù)編碼是將矩陣分解和功率分配兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)完成設(shè)計(jì)的， 一般是通過(guò)對(duì)信道H矩陣進(jìn)行SVD分解或?qū)仃囘M(jìn)行EVD分解后，根據(jù)分解

14、得到的特征值或奇異值，利用注水定理或反注水定理，對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行分配，進(jìn)而完成發(fā)送端的預(yù)編碼設(shè)計(jì)。下面對(duì)信道矩陣進(jìn)行 SVD 分解的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化預(yù)編碼為例，對(duì)這種預(yù)編碼進(jìn)行介紹。其系統(tǒng)框圖如圖所示。首先，對(duì)信道矩陣 H 進(jìn)行 SVD 分解HUYVH得到了兩個(gè)酉矩陣 U,V 和對(duì)角矩陣工,其中（產(chǎn)表示矩陣的共腕轉(zhuǎn)置。然后設(shè)計(jì)發(fā)送端的預(yù)編碼濾波器為 F=VA，其中 A 是通過(guò)不同的準(zhǔn)則得到的不同功率分配矩陣，利用 F 對(duì)信道的改造，達(dá)到提高信道的容量或改善系統(tǒng)的抗干擾能力的目的。相應(yīng)的根據(jù) ZF 準(zhǔn)則，收端的 G 矩陣為收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化的預(yù)編碼設(shè)計(jì)，可以很方便的將各種功率分配方案應(yīng)用其中，特別是 SVD

15、 結(jié)合注水定理的方案，可以達(dá)到近乎最優(yōu)的系統(tǒng)容量。但是這種方案需要在收發(fā)兩端都已知道的狀態(tài)信息，收發(fā)端得到的信道轉(zhuǎn)臺(tái)信息是否一致將對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生巨大的影響。而且，這種方案由于線性處理的限制也不能充分利用信道的能量。非線性預(yù)編碼在多用戶環(huán)境中，預(yù)編碼的功能主要有兩個(gè)，一個(gè)是在發(fā)送時(shí)對(duì)不同用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，使得每個(gè)用戶的接受信號(hào)中的干擾被抑制或消除；另一個(gè)是使每個(gè)用戶的發(fā)送波束與其信道矢量匹配，從而令每個(gè)用戶接收到的有效信號(hào)功率得到增強(qiáng)。線性預(yù)編碼可以使得每個(gè)用戶的發(fā)送波束與其他用戶的信道矢量正交，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼的第一個(gè)功能，但是卻不能實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼的第二個(gè)功能，即不能有效提高信號(hào)中的有效功率。根

16、據(jù) Costa 提出的臟紙編碼（DPC）的思想，在 MIMO-BC 中，對(duì)于某個(gè)用戶，如果已經(jīng)知道其他用戶的發(fā)送波束，則可以在發(fā)送端完全知道該用戶在傳輸中受到的干擾，這樣該用戶所能實(shí)現(xiàn)的信道容量與沒(méi)有其他用戶傳輸情況下的信道容量一致。DPC 本質(zhì)上是非線性處理的一種方式，可以證明，非線性預(yù)編碼能夠?qū)崿F(xiàn)比線性預(yù)編碼更大的有效信道功率。目前，非線性預(yù)編碼主要有兩種：向量預(yù)編碼 VP（VectorPrecoding）和TH 預(yù)編碼。這兩種預(yù)編碼的共同點(diǎn)在于，它們都需要非線性的方法確定一個(gè)輔助向量/附加在發(fā)送向量元中，即用方+%取代三作為發(fā)送數(shù)據(jù)；不同點(diǎn)在于 VP 中的萬(wàn)是作為一個(gè)矢量從一組矢量碼字中

17、選出，而在 THP 中方的各個(gè)元素作為獨(dú)立的標(biāo)量分別依次從一組標(biāo)量碼字中選出，從這一點(diǎn)看，THP 是 VP的一種特例，或者可以說(shuō)是一種次優(yōu)解。而就復(fù)雜度來(lái)說(shuō)，VP 的復(fù)雜度隨著向量/中元素個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)成指數(shù)增長(zhǎng)， THP的復(fù)雜度隨著P中元素個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)僅僅成線性增長(zhǎng)。因此，在實(shí)際中一般都采用 THP 這種與編碼方式，VP 主要在理論上體現(xiàn)其參考價(jià)值。TH預(yù)編碼最早是在上世紀(jì) 70年代提出的應(yīng)用于消除碼問(wèn)用擾的一種時(shí)域均衡技術(shù)，后來(lái)人們將它應(yīng)用于 MIMO 系統(tǒng)中來(lái)對(duì)抗多天線間存在的相鄰信道干擾CCI(Co-ChannelInterference)。THP 將非線性和串行處理這兩個(gè)特性很好的結(jié)合了起

18、來(lái)。目前，文獻(xiàn)中對(duì) THP 算法的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。1、基于對(duì)信道矩陣進(jìn)行 QR 分解的 THP,其系統(tǒng)框圖如圖所示：首先需要對(duì)信道矩陣進(jìn)行 QR 分解，得到:H=SF其中 F 是一個(gè)酉矩陣，S 是一個(gè)下三角矩陣，G 是一對(duì)角陣，其對(duì)角線上的元素與是矩陣對(duì)角線元素的倒數(shù)相對(duì)應(yīng)，即：I%o一o1/6令發(fā)射信號(hào)歸一化，得到對(duì)角線上元素都為 1 的矩陣 B 為：B=GS結(jié)合串行干擾抵消思想，對(duì) TH 預(yù)編碼的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行干擾的預(yù)消除，并利用取模運(yùn)算限制預(yù)處理信號(hào)的幅值：JCj-龍2=mod$（口?5皿犬J4FH*1r_-，_l/-sp如圖是多用戶預(yù)編碼系統(tǒng)框圖， 定義也丁=%=犬為天線數(shù)目。 接收信號(hào)可以表示為：r=Hx+n處理后的信號(hào) y 可以表示為y=Gr=GHFB-xa+Gn=GHFB-xah其中，n=GnoZF-TH 預(yù)編碼考慮 ZF 準(zhǔn)則，需要滿足GHFB=I矩陣 G,B 和 F 可以通過(guò)即進(jìn)行 Cholesky 分解得到，即：HHU=RRH其中，我=）是一個(gè)下三角矩陣，而且其對(duì)角線上的元素均為實(shí)數(shù)，并且可以得到：,二?；?，以.謳B=GR