1、MIMO 系統中的預編碼研究摘要多入多出(MIMO)無線通信技術大大增加了無線通信系統的容量，改善了通信系統的性能。而同時，B3G 移動通信系統的研究也逐漸進入了實現階段。作為 B3G無線通信系統的主要技術，MIMO 正受到越來越多的關注。與 MIMO 無線通信相關的理論和關鍵技術也成為國內外研究的焦點，包括 MIMO 系統的預編碼問題。本文主要對 MIMO 中的預編碼技術進行研究，主要內容概括如下：1、深入了解 MIMO 系統的研究背景，對 MIMO 系統的信號模型做了分析。2、歸納總結了現有的預編碼技術的基本原理。以非線性預編碼中的 TH預編碼為重點進行分析。關鍵詞：MIMO,預編碼，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 研究背景無線通信是當今世界最活躍的科研領域之一，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線電波能夠到達的地方進行通信，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點。傳統的無線通信系統中，發射端和接收端通常是各使用一根天線，

5、這種單天線系統也稱為單輸入單輸出（SISO）系統。對于這樣的系統，ShannonC.E 于 1948 年提出信道容量的計算公式，它表明了在有噪聲的信道中進行可靠的上限速率。以后的電信工作者無論使用怎樣的信道編碼方法和調制方案，只能一點一點地接近它，卻無法超越它，這似乎成了一個公認的、不可逾越的界限，也成了現代無線通信發展的一大瓶頸。隨著目前移動通信的普及和廣泛應用，加上未來 Internet 要求無線接入，用戶要求大幅度地提高無線通信速率的愿望變得越來越強烈，因此必須設法突破上述傳統無線通信系統的容量界限。一般來說，提高移動通信的息道容量有三種方法：（1）設置更多的基站；（2）拓寬已使用的頻帶

6、；（3）提高頻譜的使用效率。設置更多的基站意味著增加更多的蜂窩，為此付出的代價較高。為了便于提高無線通信的傳輸速率，也有人建議把目前使用的頻帶拓展到毫米波段，因為在毫米波段有更寬的頻帶可供使用，但是就目前的技術水平來說，這樣做的代價還相當昂貴，而且目前實際的無線應用市場迫切需求的 3G（約 2GHz）系統和WLAN（其 LSM 頻帶為 25GHz）之間的設備，它們使用的是微波波段。在單天線系統中，提高系統容量的另一個方法是加大系統的發射功率。然而，不僅是因為人的健康原因不推薦使用這種方法，而且還因為要設計一個能在很寬的線性范圍內和很高的發射功率上工作的功率放大器，是件很困難的事，而且當發射功率

7、很高時，器件的散熱也成問題。另外在蜂窩方案中，由于來自其他用戶的干擾電平通常高于系統的熱噪聲，所以在這種情況下增大發射功率對增加信道容量沒有太大幫助。此時，一種新的不需要損失頻帶和發射功率資源就能提供前所未有的數據傳輸速率的技術進入了人們的視野，那就是 MIMO（Multiple-InputMultiple-Output,多輸入多輸出）無線通信技術。研究表明，MIMO 技術可以顯著提高無線系統的頻譜利用率，作為提高數據傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關注，已經被視為第四代移動通信技術的重要組成部分。2MIMO 技術2.1 MIMO 技術簡介MIMO 技術即多入多出技術，最早是由 Marco

8、ni 于 1908 年提出的，它利用多天線來抑制碼問干擾，提高系統容量。MIMO 技術的空間復用就是在接收端和發射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數據通道發射信號，從而使得容量隨著天線數量的增加而線性增加。這種信道的增加不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發射功率，因此是增加信道和系統容量的一種非常有效的手段。MIMO 系統主要有以下優點:（1）利用或減輕多徑發落：MIMO 技術能夠充分采用多徑的各種發射/合成技術，提高無線通信的性能。（2）消除共道干擾：MIMO 系統能夠采用自適應波束形成技術或多用戶檢測技術對共道干擾進行有效抑制或消除。（3）提高頻譜利用率、增

9、加發射效率、減小發射功率、減小空問電磁干擾及增大系統容量：MIMO 將多徑無線信道與發射、接受視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理2.2 MIMO 技術基本原理及系統組成下圖給出了單用戶 MIMO 系統原理框圖，在發射和接收端均有多根天線。在發射端，輸入的串行碼流通過一系列預處理（調制、編碼、加權、映射）轉換成幾路并行的獨立子碼流，通過不同的發射天線發送出去。在接收端，利用不少于發送天線數目的天線組進行接收，并利用估計出的信道傳輸特性與發送子碼流間一定的編碼關系對多路接收信號進行空域與時間域上的處理，從而分離出幾路發送子碼流

10、，再轉換成串行數據輸出。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現近距離的頻譜資源重復利用（多個發射天線近距離同頻、同時傳輸），理論上可以極大的擴展頻帶利用率、提高無線傳輸速率，同時還增強了通信系統的抗干擾、抗衰落型性能。3MIMO 系統中的預編碼技術預編碼技術在點對多點的廣播信道中，由于各用戶在地理位置上的差異，不能協同接收，當各用戶間的接收信號存在干擾時，也不能采用多用戶檢測的方法來避免干擾。因此解決無線通信多用戶 MIMO 廣播信道多用戶干擾問題的主要方法是采用預編碼技術。理論分析證明采用臟紙編碼（DPC:DirtyPaperCoding）等預編碼方法可以達到 MI

11、MO 高斯廣播信道的容量，因此對無線多用戶 MIMO 廣播信道的預編碼技術研究，是解決把 MIMO 技術應用于新一代蜂窩系統或無線局域網的關鍵問題，具有重大的研究價值。目前，國內外對無線多用戶 MIMO 廣播信道的預編碼技術進行了積極的研究。預編碼的方法分為兩大類，一類是線性預編碼的方法，另一類是非線性預編碼的方法。線性預編碼方法主要包括兩種： 一種是基于迫零 ZF(ZeroForcing)準則或最小均方誤差MMSE 準則和簡化收端的目的，將原來在收端進行的處理搬到發端進行，這種方法被稱為線性均衡技術。另一種是根據對信道矩吃 H 進行奇異值分析(SingularValueDecompositi

12、on,SVD),同時通過采用功率分配的方法來獲得較高的信道容量或較低的誤碼率，這種方法被稱為 SVD 預編碼或收發聯合優化。典型的非線性預編碼方法包括：Tomlinson-Harashima 預編碼(THP)和向量預編碼 VP(VectorPrecoding)。空時逆變換蛇時變帙線性預編碼1、線性預均衡線性預均衡是預編碼技術中比較簡單的一類預編碼方法。依據所選用的均衡準則不同，可分為基于迫零 ZF 的線性預均衡和基于最小均方誤差 MMSE 的線性預均衡兩類。基于迫零的線性預均衡的原理和實現方法較為簡單，但是在處理的過程中有急劇放大噪聲的可能，會影響系統的性能。基于最小均方誤差的線性預均衡的目標

13、是使接收信號與發送數據間的均方誤差最小，性能較穩定，但實現相對復雜。如圖是線性預均衡的系統框圖。這種線性預均衡技術著眼于在發送端完成對信號的處理，接收端只需要知道縮放因子就可以完成對信號的檢測，這樣可以最大限度的簡化收端。但是由于這種線性預均衡技術對信道的能量不能充分的利用，其性能較差，一般只是用來作為與其他預編碼技術進行性能對比的一種方案。2、收發聯合優化收發聯合優化的預編碼，是一種通過對收、發兩端的濾波器進行聯合設計，從而達到對信道進行改造的預編碼方案。通常，這種預編碼是將矩陣分解和功率分配兩種技術結合起來完成設計的， 一般是通過對信道H矩陣進行SVD分解或對矩陣進行EVD分解后，根據分解

14、得到的特征值或奇異值，利用注水定理或反注水定理，對發射功率進行分配，進而完成發送端的預編碼設計。下面對信道矩陣進行 SVD 分解的收發聯合優化預編碼為例，對這種預編碼進行介紹。其系統框圖如圖所示。首先，對信道矩陣 H 進行 SVD 分解HUYVH得到了兩個酉矩陣 U,V 和對角矩陣工,其中（產表示矩陣的共腕轉置。然后設計發送端的預編碼濾波器為 F=VA，其中 A 是通過不同的準則得到的不同功率分配矩陣，利用 F 對信道的改造，達到提高信道的容量或改善系統的抗干擾能力的目的。相應的根據 ZF 準則，收端的 G 矩陣為收發聯合優化的預編碼設計，可以很方便的將各種功率分配方案應用其中，特別是 SVD

15、 結合注水定理的方案，可以達到近乎最優的系統容量。但是這種方案需要在收發兩端都已知道的狀態信息，收發端得到的信道轉臺信息是否一致將對系統的性能產生巨大的影響。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。非線性預編碼在多用戶環境中，預編碼的功能主要有兩個，一個是在發送時對不同用戶的數據進行解耦，使得每個用戶的接受信號中的干擾被抑制或消除；另一個是使每個用戶的發送波束與其信道矢量匹配，從而令每個用戶接收到的有效信號功率得到增強。線性預編碼可以使得每個用戶的發送波束與其他用戶的信道矢量正交，從而實現預編碼的第一個功能，但是卻不能實現預編碼的第二個功能，即不能有效提高信號中的有效功率。根

16、據 Costa 提出的臟紙編碼（DPC）的思想，在 MIMO-BC 中，對于某個用戶，如果已經知道其他用戶的發送波束，則可以在發送端完全知道該用戶在傳輸中受到的干擾，這樣該用戶所能實現的信道容量與沒有其他用戶傳輸情況下的信道容量一致。DPC 本質上是非線性處理的一種方式，可以證明，非線性預編碼能夠實現比線性預編碼更大的有效信道功率。目前，非線性預編碼主要有兩種：向量預編碼 VP（VectorPrecoding）和TH 預編碼。這兩種預編碼的共同點在于，它們都需要非線性的方法確定一個輔助向量/附加在發送向量元中，即用方+%取代三作為發送數據；不同點在于 VP 中的萬是作為一個矢量從一組矢量碼字中

17、選出，而在 THP 中方的各個元素作為獨立的標量分別依次從一組標量碼字中選出，從這一點看，THP 是 VP的一種特例，或者可以說是一種次優解。而就復雜度來說，VP 的復雜度隨著向量/中元素個數的增長成指數增長， THP的復雜度隨著P中元素個數的增長僅僅成線性增長。因此，在實際中一般都采用 THP 這種與編碼方式，VP 主要在理論上體現其參考價值。TH預編碼最早是在上世紀 70年代提出的應用于消除碼問用擾的一種時域均衡技術，后來人們將它應用于 MIMO 系統中來對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特性很好的結合了起

18、來。目前，文獻中對 THP 算法的研究主要集中在以下幾個方面。1、基于對信道矩陣進行 QR 分解的 THP,其系統框圖如圖所示：首先需要對信道矩陣進行 QR 分解，得到:H=SF其中 F 是一個酉矩陣，S 是一個下三角矩陣，G 是一對角陣，其對角線上的元素與是矩陣對角線元素的倒數相對應，即：I%o一o1/6令發射信號歸一化，得到對角線上元素都為 1 的矩陣 B 為：B=GS結合串行干擾抵消思想，對 TH 預編碼的發射信號進行干擾的預消除，并利用取模運算限制預處理信號的幅值：JCj-龍2=mod$（口?5皿犬J4FH*1r_-，_l/-sp如圖是多用戶預編碼系統框圖， 定義也丁=%=犬為天線數目。 接收信號可以表示為：r=Hx+n處理后的信號 y 可以表示為y=Gr=GHFB-xa+Gn=GHFB-xah其中，n=GnoZF-TH 預編碼考慮 ZF 準則，需要滿足GHFB=I矩陣 G,B 和 F 可以通過即進行 Cholesky 分解得到，即：HHU=RRH其中，我=）是一個下三角矩陣，而且其對角線上的元素均為實數，并且可以得到：,二福回，以.謳B=GR