MIMO系统中预编码研究.docx

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MIMO系统中预编码研究

MIMO系统中的预编码研究

摘  要

      多入多出（MIMO）无线通信技术大大增加了无线通信系统的容量，改善了通信系统的性能。

而同时，B3G移动通信系统的研究也慢慢进入了实现时期。

作为B3G无线通信系统的要紧技术，MIMO正受到愈来愈多的关注。

与MIMO无线通信相关的理论和关键技术也成为国内外研究的核心,包括MIMO系统的预编码问题。

      本文要紧对MIMO中的预编码技术进行研究，要紧内容归纳如下：

1、 深切了解MIMO系统的研究背景，对MIMO系统的信号模型做了分析。

2、 归纳总结了现有的预编码技术的大体原理。

以非线性预编码中的TH预编码为重点进行分析。

关键词：

MIMO，预编码，THP

RESEARCHOFPRECODINGFORMIMOSYSTEMS

ABSTRACT

     MIMOwirelesscommunicationtechnologyhasalreadygreatlyincreasedthecapacityandimprovedtheperformanceofthecommunicationsystem.Atthesametime,thestudyofthebeyondthirdgeneration（B3G）mobilecommunicationsystemalsograduallysteppedintotheinitialphaseofimplementation.Asoneofthemajortechniquesinthethirdgenerationsystem,thetheoryandkeytechnologyrelatedtotheMIMOwirelesscommunicationhasreceivedworldwideattention,includingtheresearchofMIMOprecodingtechniques.

     ThepaperfocusesonthetechnologyoftheMIMOprecodingtechniques,themaincontentsummarizedasfollows:

1.    GodeeplyintotheresearchbackgroundofMIMOsystem,learningthesignalmodelofMIMOsystem.

2.    Concludetheexistingprecodingtechnology,emphasesontheTHPofthenon-linearprecoding.

KEYWORDS:

MIMO,precoding,THP

1 研究背景 

无线通信是现今世界最活跃的科研领域之一，它冲破了有线通信的物理限制，使得用户能够自由地再任何无线电波能够抵达的地址进行通信，这大大拓宽了通信的空间和活力，有很多有线通信不可比拟的优势。

传统的无线通信系统中，发射端和接收端一般是各利用一根天线，这种单天线系统也称为单输入单输出（SISO）系统。

关于如此的系统，ShannonC.E于1948年提出信道容量的计算公式，它说明了在有噪声的信道中进行靠得住的上限速度。

以后的电信工作者不管利用如何的信道编码方式和调制方案，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信进展的一大瓶颈。

随着目前移动通信的普及和普遍应用，加上以后Internet要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速度的愿望变得愈来愈强烈，因此必需设法冲破上述传统无线通信系统的容量界限。

一样来讲，提高移动通信的息道容量有三种方式：

（1）设置更多的基站；

（2）拓宽已利用的频带；（3）提高频谱的利用效率。

设置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。

为了便于提高无线通信的传输速度，也有人建议把目前利用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波段有更宽的频带可供利用，可是就目前的技术水平来讲，如此做的代价还相当昂贵，而且目前实际的无线应用市场迫切需求的3G（约2GHz）系统和WLAN（其LSM频带为2~5GHz）之间的设备，它们利用的是微波波段。

在单天线系统中，提高系统容量的另一个方式是加大系统的发射功率。

但是，不仅是因为人的健康缘故不推荐利用这种方式，而且还因为要设计一个能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作的功率放大器，是件很困难的事，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。

另外在蜂窝方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的热噪声，因此在这种情形下增大发射功率对增加信道容量没有太大帮忙。

现在，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就能够提供前所未有的数据传输速度的技术进入了人们的视野，那确实是MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）无线通信技术。

研究说明，MIMO技术能够显著提高无线系统的频谱利用率，作为提高数据传输速度的重要手腕取得人们愈来愈多的关注，已经被视为第四代移动通信技术的重要组成部份。

2 MIMO技术

2.1MIMO技术简介

MIMO技术即多入多出技术，最先是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制码间干扰，提高系统容量。

MIMO技术的空间复用确实是在接收端和发射端利用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上利用多个数据通道发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。

这种信道的增加不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种超级有效的手腕。

MIMO系统要紧有以下优势:

（1）利用或减轻多径衰落：

MIMO技术能够充分采纳多径的各类发射/合成技术，提高无线通信的性能。

（2）排除共道干扰：

MIMO系统能够采纳自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制或排除。

（3）提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增大系统容量：

MIMO将多径无线信道与发射、同意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置

2.2 MIMO技术大体原理及系统组成

以下图给出了单用户MIMO系统原理框图，在发射和接收端均有多根天线。

在发射端，输入的串行码流通过一系列预处置（调制、编码、加权、映射）转换成几路并行的独立子码流，通过不同的发射天线发送出去。

在接收端，利用很多于发送天线数量的天线组进行接收，并利用估量出的信道传输特性与发送子码流间必然的编码关系对多路接收信号进行空域与时刻域上的处置，从而分离出几路发送子码流，再转换成串行数据输出。

MIMO

将信道视为假设干并行的自信道，在不需要额外带宽的情形下实现近距离的频谱资源重复利用（多个发射天线近距离同频、同时传输），理论上能够极大的扩展频带利用率、提高无线传输速度，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落型性能。

3 MIMO系统中的预编码技术

3.1预编码技术

在点对多点的广播信道中，由于各用户在地理位置上的不同，不能协同接收，当各用户间的接收信号存在干扰时，也不能采纳多用户检测的方式来幸免干扰。

因此解决无线通信多用户MIMO广播信道多用户干扰问题的要紧方式是采纳预编码技术。

理论分析证明采纳脏纸编码（DPC：

DirtyPaperCoding）等预编码方式能够达到MIMO高斯广播信道的容量，因此对无线多用户MIMO广播信道的预编码技术研究，是解决把MIMO技术应用于新一代蜂窝系统或无线局域网的关键问题，具有重大的研究价值。

目前，国内外对无线多用户MIMO广播信道的预编码技术进行了踊跃的研究。

预编码的方式分为两大类，一类是线性预编码的方式，另一类是非线性预编码的方式。

线性预编码方式要紧包括两种：

一种是基于迫零ZF（ZeroForcing）准那么或最小均方误差MMSE准那么和简化收端的目的，将原先在收端进行的处置搬到发端进行，这种方式被称为线性均衡技术。

另一种是依照对信道矩阵H进行奇异值分析（SingularValueDecomposition，SVD），同时通过采纳功率分派的方式来取得较高的信道容量或较低的误码率，这种方式被称为SVD预编码或收发联合优化。

典型的非线性预编码方式包括：

Tomlinson-Harashima预编码（THP）和向量预编码VP（VectorPrecoding）。

3.1.1线性预编码

1、线性预均衡

线性预均衡是预编码技术中比较简单的一类预编码方式。

依据所选用的均衡准那么不同，可分为基于迫零ZF的线性预均衡和基于最小均方误差MMSE的线性预均衡两类。

基于迫零的线性预均衡的原理和实现方式较为简单，可是在处置的进程中有急剧放大噪声的可能，会阻碍系统的性能。

基于最小均方误差的线性预均衡的目标是使接收信号与发送数据间的均方误差最小，性能较稳固，但实现相对复杂。

如图是线性预均衡的系统框图。

这种线性预均衡技术着眼于在发送端完成对信号的处置，接收端只需要明白缩放因子就能够够完成对信号的检测，如此能够最大限度的简化收端。

可是由于这种线性预均衡技术对信道的能量不能充分的利用，其性能较差，一样只是用来作为与其他预编码技术进行性能对照的一种方案。

2、收发联合优化

收发联合优化的预编码，是一种通过对收、发两头的滤波器进行联合设计，从而达到对信道进行改造的预编码方案。

通常，这种预编码是将矩阵分解和功率分派两种技术结合起来完成设计的，一样是通过对信道H矩阵进行SVD分解或对矩阵进行EVD分解后，依照分解取得的特点值或奇异值，利用注水定理或反注水定理，对发射功率进行分派，进而完成发送端的预编码设计。

下面对信道矩阵进行SVD分解的收发联合优化预编码为例，对这种预编码进行介绍。

其系统框图如下图。

第一，对信道矩阵H进行SVD分解

取得了两个酉矩阵U，V和对角矩阵

，其中

 表示矩阵的共轭转置。

然后设计发送端的预编码滤波器为F=VA，其中A是通过不同的准那么取得的不同功率分派矩阵，利用F对信道的改造，达到提高信道的容量或改善系统的抗干扰能力的目的。

相应的依照ZF准那么，收端的G矩阵为

收发联合优化的预编码设计，能够很方便的将各类功率分派方案应用其中，专门是SVD结合注水定理的方案，能够达到近乎最优的系统容量。

可是这种方案需要在收发两头都已明白的状态信息，收发端取得的信道转台信息是不是一致将对系统的性能产生庞大的阻碍。

而且，这种方案由于线性处置的限制也不能充分利用信道的能量。

3.1.2非线性预编码

在多用户环境中，预编码的功能要紧有两个，一个是在发送时对不同用户的数据进行解耦，使得每一个用户的同意信号中的干扰被抑制或排除；另一个是使每一个用户的发送波束与其信道矢量匹配，从而令每一个用户接收到的有效信号功率取得增强。

线性预编码能够使得每一个用户的发送波束与其他用户的信道矢量正交，从而实现预编码的第一个功能，可是却不能实现预编码的第二个功能，即不能有效提高信号中的有效功率。

依照Costa提出的脏纸编码（DPC）的思想，在MIMO-BC中，关于某个用户，若是已经明白其他用户的发送波束，那么能够在发送端完全明白该用户在传输中受到的干扰，如此该用户所能实现的信道容量与没有其他用户传输情形下的信道容量一致。

DPC本质上是非线性处置的一种方式，能够证明，非线性预编码能够实现比线性预编码更大的有效信道功率。

目前，非线性预编码要紧有两种：

向量预编码VP（VectorPrecoding）和TH预编码。

这两种预编码的一起点在于，它们都需要非线性的方式确信一个辅助向量

附加在发送向量

中，即用

 取代

作为发送数据；不同点在于VP中的

是作为一个矢量从一组矢量码字当选出，而在THP中

的各个元素作为独立的标量别离依次从一组标量码字当选出，从这一点看，THP是VP的一种特例，或能够说是一种次优解。

而就复杂度来讲，VP的复杂度随着向量

中元素个数的增加成指数增加，THP的复杂度随着

中元素个数的增加仅仅成线性增加。

因此，在实际中一样都采纳THP这种与编码方式，VP要紧在理论上表现其参考价值。

TH预编码最先是在上世纪70年代提出的应用于排除码间串扰的一种时域均衡技术，后来人们将它应用于MIMO系统中来对抗多天线间存在的相邻信道干扰CCI（Co-ChannelInterference）。

THP将非线性和串行处置这两个特性专门好的结合了起来。

目前，文献中对THP算法的研究要紧集中在以下几个方面。

1、 基于对信道矩阵进行QR分解的THP，其系统框图如下图：

第一需要对信道矩阵进行QR分解，取得：

其中F是一个酉矩阵，S是一个下三角矩阵，G是一对角阵，其对角线上的元素与是矩阵对角线元素的倒数相对应，即：

令发射信号归一化，取得对角线上元素都为1的矩阵B为：

结合串行干扰抵消思想，对TH预编码的发射信号进行干扰的预排除，并利用取模运算限制预处置信号的幅值：

其中K是MIMO系统天线数，

为信源信号，

为预编码信号。

假设符号

为MQMA调制符号，调制符号的边界距离为

，其中

。

取模运算

的目的是调整发射功率，通过TH预编码后，信号再也不是星座图上的点，而是均匀散布在取点区域内，且通过TH编码后的信号功率是未进行TH编码的信号的

倍。

接收端接收到的信号为：

 进行取模运算后

在TH预编码方式中能够将功率分派的思想加入其中。

3.2多用户的TH预编码原理

如图是多用户预编码系统框图，概念

为天线数量。

接收信号能够表示为：

处置后的信号y能够表示为

其中，

。

3.2.1ZF-TH预编码

      考虑ZF准那么，需要知足

矩阵G，B和F能够通过

进行Cholesky分解取得，即：

其中，

是一个下三角矩阵，而且其对角线上的元素均为实数，而且能够取得：

      矩阵G，B和F还能够通过对

进行QR分解取得，即：

其中，

是一个对角线元素为实数的上三角矩阵，而且：

综合上式，能够取得

现在已经不存在用户间的干扰了，用户的性能由噪声决定，噪声的相关矩阵能够表示为：

3.2.2MMSE-TH预编码

      一样的，依照图通过处置后的同意信号y与发送信号v之间的误差能够表示为

其中。

那么最小化信号误差的MMSE算法能够表示为：

是总发送功率。

通过利用加倍简单的正交准那么进行计算，能够取得：

。

矩阵和能够通过计算取得

其中，。

综合能够取得：

。

由于矩阵F是一个酉矩阵，，且令咱们能够得出：

矩阵R是一个下三角矩阵，能够通过Cholesky分解的到。

矩阵G，B和F能够取得：

咱们能够取得误差相关矩阵为：

由于，那么F又能够表示为：

      一样的，矩阵G，B和F还能够通过进行QR分解取得，概念：

矩阵也是一个上三角矩阵，取得

通过上述矩阵G，B和F，能够取得误差相关矩阵为：

4  结论

      综上所述，本文要紧研究了MIMO系统中的TH预编码技术。

      在对MIMO系统进行简要介绍和性能分析以后，对现有的预编码算法进行了总结分析，别离对线性预编码和非线性预编码的算法进行了总结。

重点介绍了TH预编码，比较了采纳MMSE和ZF两种均衡算法时，TH预编码在性能上的不同，在相同信噪比条件下，MMSE的BER明显低于ZF算法。