多輸入多輸出系統(tǒng)中的預編碼技術(shù)研究

1、tnii學朮友叢網(wǎng)論文發(fā)表專家一l多輸入多輸出系統(tǒng)中的預編碼技術(shù)研究摘要：mimo系統(tǒng)中的預編碼技術(shù)，利用信道信息，使發(fā)射信號和空間信道相匹配，有效的對抗信道衰落，提高系統(tǒng)誤碼率和頻譜利用效率，已成為無線通信技術(shù)的研究熱點。本文首先對mimo系統(tǒng)模型和容量進行了簡單的介紹，然后分析了基于不同角度的預編碼技術(shù)，其中主要針對基于信道預測的預編碼技術(shù)的預測算法進行了研究。關鍵詞：mimo預編碼信道預測中圖分類號：tn929.5文獻標識碼：a文章編號：1007-9416(2012)02-0115-02researchonprecodingtechniqueinmimosystemchenzhilius

2、han-shancaoxing-bingabstract:mimosystemprecodingtechnique,whichhasbecomeoneoftheresearchfocuses,usessomekindsofchannelstateinformationtomatchthetransmitsignalwiththewirelesschannel,hispaper,webrieflyintroducethemimosystemmodelandcapacity,andt

3、henanalyzedifferentprecodingtechnique,mainlyresearchthepredictionalgorithmaboutprecodingtechniquebasedonchannelprediction.keywords:mimoprecodingchannelprediction隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，多輸入多輸出系統(tǒng)依靠著多根收發(fā)天線，大大地提高了系統(tǒng)性能，特別是系統(tǒng)容量。而在該系統(tǒng)中，預編碼技術(shù)的采用使得系統(tǒng)的可靠性和容量有了進一步的提高。預編碼技術(shù)是通過利用反饋的信道信息在發(fā)射端進行預處理，改善發(fā)射信號，完成對系統(tǒng)性能的提高。本文將先簡單的介

4、紹mimo系統(tǒng)基本知識，再通過對基于不同角度的預編碼技術(shù)進行分析，著重闡述基于信道預測的預編碼技術(shù)的預測算法。1、mimo系統(tǒng)簡介1.1 mimo移動通信技術(shù)多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput)技術(shù)在通信發(fā)射端安裝多個發(fā)射天線，各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復原信息。由于mimo技術(shù)可以在不需要增加頻寬或總發(fā)送功率耗損的情況下大幅地增加系統(tǒng)吞吐量(throughput)及傳送距離，使得此技術(shù)于近幾年受到許多矚目。研究表明利用m1mo技術(shù)不僅可以提高信道的容量，也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。mimo技術(shù)是lte系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一，主要是在

5、時間域的基礎上利用發(fā)射端和接收端多根天線的優(yōu)勢，結(jié)合空間域?qū)諘r信號進行處理，以此獲得更多的增益，改善系統(tǒng)性能。在lte的下行鏈路中，mimo系統(tǒng)擁有兩種傳輸方案即空間分集和空間復用匸交發(fā)表專家一LB國學朮發(fā)叢網(wǎng)空間分集又可以分為發(fā)射分集和接收分集兩類，它的目的是為了提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?，也就是提高信道的可靠性。發(fā)射分集是指在發(fā)射端由多根天線發(fā)送，將分集放在基站端，由于發(fā)端不知道衰落信道的狀態(tài)信息即csi,所以需要通過聯(lián)合編碼來確保信道性能，增加冗余度，得到更大的分集增益。由于無線信號在復雜的信道中傳播時會產(chǎn)生衰落，而衰落根據(jù)不同的空間位置有著不同的特性，當位置間隔較大時可認為信號不相關。此時

6、就可實現(xiàn)信號的空間分集接收。兩種分集方式都能夠較好的改善信噪比，提高系統(tǒng)性能。空間復用不同于空間分集，其利用空間的多徑矢量，在相同的頻帶上利用多個天線發(fā)射獨立信號，通過空間復用使容量隨收發(fā)端天線數(shù)的增加而增加，并成線性狀態(tài)，同時不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率。被認為是提高系統(tǒng)頻譜效率和容量的有效方法，能夠充分詮釋該優(yōu)勢的應用即為貝爾實驗室提出的采用垂直分層空時碼技術(shù)的v-blast系統(tǒng)。1.2 mimo系統(tǒng)的信道模型通常情況下，多徑要引起衰落，致使數(shù)據(jù)包丟失。但是對于mimo系統(tǒng)，多徑可以作為一個有利因素加以利用，mimo技術(shù)通過利用空間分集對抗衰落。因為mimo的多入多出是針對多徑

7、無線信道來說的，傳輸信息流經(jīng)過空時編碼形成m個信息子流，這m個子流由m個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道傳播后由n個接收天線接收。在接收端通過檢測譯碼，多天線接收機將接收到的符號矢量利用先進的空匸交發(fā)表專家一LB國學朮發(fā)叢網(wǎng)時編碼處理，并解碼這些數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)框圖如下圖所示。當發(fā)射天線間的單元距離足夠大時，無線信道傳播的多徑信息就充足，相對應的收發(fā)天線間的多徑衰落就趨近于獨立，也就是期間的傳輸信道趨于獨立，子信道相互趨于正交化。1.3 mimo系統(tǒng)的信道容量雖然無線通信技術(shù)在不斷的更新，但是無線資源是有限的，如何充分利用這些有限資源傳輸更多的信息，滿足日益增長的需求，創(chuàng)造更大的價值是一個值得我們研究的課

8、題，也是現(xiàn)代通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng)的單輸入單輸出(siso，singleinputsingleoutput)系統(tǒng)，早在1948年香農(nóng)就給出了其信道容量的上限：w表示信道帶寬，s表示接收功率，n表示噪聲功率，由上式可以得出，提高信噪比，可以增加信道容量，也就是理論上只要增加發(fā)射功率就可以提高信噪比。然而由于發(fā)射端的功率放大技術(shù)，使得發(fā)射功率受限，并不能一味的提咼系統(tǒng)容量。2、預編碼技術(shù)預編碼技術(shù)主要是通過反饋接收端所獲得的信道信息來完成的。在實際場景中由于反饋的消耗大，所以反饋回的信息數(shù)據(jù)就比較少，如何能夠使用有限的反饋資源反饋更多的有效的信道信息是研究的重點和難點。2.1單用戶和多用戶m

9、imo預編碼技術(shù)匸交發(fā)表專家一LB國學朮發(fā)叢網(wǎng)在單用戶的場景下，接收端使用線性mmse其系統(tǒng)就可以達到相應的信道容量，因此不需要復雜的預編碼技術(shù)，此種情況下的預編碼技術(shù)起到進一步提高系統(tǒng)性能的作用。大多采用線性預編碼技術(shù)，常用的有迫零預編碼算法和最小均方誤差預編碼算法。在多用戶的場景下，多用戶系統(tǒng)可以實現(xiàn)更大的系統(tǒng)吞吐量，并能避免在單用戶場景下受到的信號傳輸限制，同時由于無法獲得除自身以外的其他用戶的信道信息，所以需要在發(fā)射端利用預編碼操作來消除用戶間的干擾，目前，在多用戶mimo預編碼技術(shù)方面已經(jīng)有了不少成果，常用的有塊對角化預編碼和最大化信號泄露噪聲比預編碼。2.2基于碼本的預編碼技術(shù)在I

10、te系統(tǒng)中，已經(jīng)規(guī)定了發(fā)射端在不同場景下應使用的預編碼的碼本和操作流程，例如，在空間復用的傳輸場景下，Ite系統(tǒng)的發(fā)生端要采用基于碼本的有限反饋線性預編碼方式，即其中r表示接收向量，x表示發(fā)射向量，h表示空間信道矩陣，n表示噪聲向量，因為系統(tǒng)采用有限反饋技術(shù)，所以預編碼矩陣wi從接收端和發(fā)射端均已知的特定矩陣集合中選取。也就是在發(fā)射端和接收端有著對應的碼本。具體的預編碼過程主要為：(1) 當接收端從收到的信號中提取出公共參考符號后，會獲得一個包含各時頻資源的資源塊。論文發(fā)表專家一Lm國學朮發(fā)舌網(wǎng)(2) 根據(jù)得到的信道信息，接收端會通過一定的碼字算法在已經(jīng)規(guī)定好的碼本中選擇合適的預編碼碼字。但是

11、由于無法對每個時頻資源都進行預編碼，所以就要考慮相應的碼字選擇時間間隔和頻率間隔來操作。(3) 當碼字選擇結(jié)束后，接收端將把最優(yōu)矩陣序號、信道質(zhì)量指示等參數(shù)反饋給發(fā)射端。(4) 反射端提取出參數(shù)后，利用它們從碼本中選取合適的碼字進行相關的預編碼操作。2.3基于信道分解的預編碼技術(shù)基于信道分解的預編碼主要是利用在發(fā)射端已得到信道信息的情況下，對信道的信息矩陣h進行分解，進一步得到發(fā)射端預編碼矩陣wi和相應的接收端的均衡矩陣，以及mimo的獨立子信道的等效矩陣。該方法可以降低接收端的算法復雜度，提高系統(tǒng)性能。常用的基于信道分解的方法有奇異值分解(svd)預編碼算法、統(tǒng)一信道分解(svd)預編碼算法

12、、幾何均值分解(gmd預編碼算法等。2.4基于信道預測的預編碼技術(shù)首先對瑞利衰落信道進行預測，預測算法如下：對于2X2的mimo通道，在時刻已經(jīng)存儲了信道樣本矩陣，即其中，表示載波數(shù)，表示記憶長度，表示第個頻點在第個時刻的mimo信道樣本，此時如果通道的第個頻點在第個時刻的樣本表示tnii學朮友叢網(wǎng)論文發(fā)表專家一l為，則通道在第個時刻的時間樣本可以表示。如果單獨研究一個通道的頻率響應函數(shù)。在此基礎上利用線性mmse預測將來的信道頻響，即其中，表示延遲間隔，反映了預測模型的性能。定義且由參考文獻2可得的最優(yōu)值為由于在低信噪比時每個子信道的信噪比都很低，所以通常情況下即使平均了各個子信道的信噪比，

13、系統(tǒng)性能依然會很差，但是該算法可以在低信噪比時保證系統(tǒng)性能。3、結(jié)語在無線資源有限的情況下，預編碼技術(shù)作為mimo系統(tǒng)中的關鍵技術(shù)之一，通過利用反饋接收端獲得的信道信息來對發(fā)射信號進行改善，爭取以有限資源反饋更多的信息，進一步提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。本文通過基于不同的角度來闡述mimo系統(tǒng)中的預編碼技術(shù)，分析常用的預編碼算法，特別是對基于信道預測的預編碼技術(shù)的預測算法進行推導。參考文獻1 masoudebrahimi,m.hadibaligh,mingjia,jiangleima,peiyingzhu,amirk.khamdani,pecoderpredictionformobileclosed-loopmimoinwimaxsystems.2 d.schafhuber,g.matz,mmseandadaptivepredictionoftime-varyingchannelsforofdmsystems,ieeetrans.wireless匸交發(fā)表專家一LB國學朮發(fā)叢網(wǎng)www,qikanwang.nEtcommun.,vol.4,no.2,pp.593-602,march2005.3 多曼,格拉耶布.mimo通信系統(tǒng)編碼m.2008.4 johnproakis,digitalcommunicat