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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逐渐进入了实现阶段。作为B3G无线通信系统的主要技术，MIMO正受到越来越多的关注。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焦点,包括MIMO系统的预编码问题。 本文主要对MIMO中的预编码技术进行研究，主要内容概括如下：1、 深入了解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基本原理。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 RESEARCH OF PRECODING FOR MIMO SYSTEMSABSTRACT MIMO wireless communication technology has already greatly increased the capacity and improved the performance of the communication system. At the same time, the study of the beyond third generation (B3G) mobile communication system also gradually stepped into the initial phase of implementation. As one of the major techniques in the third generation system, the theory and key technology related to the MIMO wireless communication has received worldwide attention, including the research of MIMO precoding techniques. The paper focuses on the technology of the MIMO precoding techniques, the main content summarized as follows:1. Go deeply into the research background of MIMO system, learning the signal model of MIMO system.2. Conclude the existing precoding technology, emphases on the THP of the non-linear precoding.KEY WORDS: MIMO , precoding, THP 1 研究背景无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一，它突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地再任何无线电波能够到达的地方进行通信，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点。传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入单输出（SISO）系统。对于这样的系统，Shannon C.E于1948年提出信道容量的计算公式，它表明了在有噪声的信道中进行可靠的上限速率。以后的电信工作者无论使用怎样的信道编码方法和调制方案，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发展的一大瓶颈。随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来Internet要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破上述传统无线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的息道容量有三种方法：（1）设置更多的基站；（2）拓宽已使用的频带；（3）提高频谱的使用效率。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率，也有人建议把目前使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使用，但是就目前的技术水平来说，这样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25GHz）之间的设备，它们使用的是微波波段。在单天线系统中，提高系统容量的另一个方法是加大系统的发射功率。然而，不仅是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，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，所以在这种情况下增大发射功率对增加信道容量没有太大帮助。此时，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就能提供前所未有的数据传输速率的技术进入了人们的视野，那就是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）无线通信技术。研究表明，MIMO技术可以显著提高无线系统的频谱利用率，作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被视为第四代移动通信技术的重要组成部分。2 MIMO技术2.1 MIMO技术简介MIMO技术即多入多出技术，最早是由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技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使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非常有效的手段。MIMO系统主要有以下优点:（1）利用或减轻多径衰落：MIMO技术能够充分采用多径的各种发射/合成技术，提高无线通信的性能。（2）消除共道干扰：MIMO系统能够采用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消除。（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、接受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理2.2 MIMO技术基本原理及系统组成下图给出了单用户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理（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，利用不少于发送天线数目的天线组进行接收，并利用估计出的信道传输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路接收信号进行空域与时间域上的处理，从而分离出几路发送子码流，再转换成串行数据输出。MIMO将信道视为若干并行的自信道，在不需要额外带宽的情况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），理论上可以极大的扩展频带利用率、提高无线传输速率，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差异，不能协同接收，当各用户间的接收信号存在干扰时，也不能采用多用户检测的方法来避免干扰。因此解决无线通信多用户MIMO广播信道多用户干扰问题的主要方法是采用预编码技术。理论分析证明采用脏纸编码（DPC：Dirty Paper Coding）等预编码方法可以达到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积极的研究。预编码的方法分为两大类，一类是线性预编码的方法，另一类是非线性预编码的方法。线性预编码方法主要包括两种：一种是基于迫零ZF（Zero Forcing）准则或最小均方误差MMSE准则和简化收端的目的，将原来在收端进行的处理搬到发端进行，这种方法被称为线性均衡技术。另一种是根据对信道矩阵H进行奇异值分析（Singular Value Decomposition，SVD），同时通过采用功率分配的方法来获得较高的信道容量或较低的误码率，这种方法被称为SVD预编码或收发联合优化。典型的非线性预编码方法包括：Tomlinson-Harashima预编码（THP）和向量预编码VP（Vector Precoding）。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法。依据所选用的均衡准则不同，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法较为简单，但是在处理的过程中有急剧放大噪声的可能，会影响系统的性能。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，性能较稳定，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理，接收端只需要知道缩放因子 就可以完成对信号的检测，这样可以最大限度的简化收端。但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，一般只是用来作为与其他预编码技术进行性能对比的一种方案。2、收发联合优化收发联合优化的预编码，是一种通过对收、发两端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配两种技术结合起来完成设计的，一般是通过对信道H矩阵进行SVD分解或对 矩阵进行EVD分解后，根据分解得到的特征值或奇异值，利用注水定理或反注水定理，对发射功率进行分配，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。其系统框图如图所示。 首先，对信道矩阵H进行SVD分解得到了两个酉矩阵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是通过不同的准则得到的不同功率分配矩阵，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。相应的根据ZF准则，收端的G矩阵为收发联合优化的预编码设计，可以很方便的将各种功率分配方案应用其中，特别是SVD结合注水定理的方案，可以达到近乎最优的系统容量。但是这种方案需要在收发两端都已知道的状态信息，收发端得到的信道转台信息是否一致将对系统的性能产生巨大的影响。而且，这种方案由于线性处理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，预编码的功能主要有两个，一个是在发送时对不同用户的数据进行解耦，使得每个用户的接受信号中的干扰被抑制或消除；另一个是使每个用户的发送波束与其信道矢量匹配，从而令每个用户接收到的有效信号功率得到增强。线性预编码可以使得每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，但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。根据Costa提出的脏纸编码（DPC）的思想，在MIMO-BC中，对于某个用户，如果已经知道其他用户的发送波束，则可以在发送端完全知道该用户在传输中受到的干扰，这样该用户所能实现的信道容量与没有其他用户传输情况下的信道容量一致。DPC本质上是非线性处理的一种方式，可以证明，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，非线性预编码主要有两种：向量预编码VP（Vector Precoding）和TH预编码。这两种预编码的共同点在于，它们都需要非线性的方法确定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中选出，而在THP中的各个元素作为独立的标量分别依次从一组标量码字中选出，从这一点看，THP是VP的一种特例，或者可以说是一种次优解。而就复杂度来说，VP的复杂度随着向量中元素个数的增长成指数增长，THP的复杂度随着中元素个数的增长仅仅成线性增长。因此，在实际中一般都采用THP这种与编码方式，VP主要在理论上体现其参考价值。TH预编码最早是在上世纪70年代提出的应用于消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-Channel Interference）。THP将非线性和串行处理这两个特性很好的结合了起来。目前，文献中对THP算法的研究主要集中在以下几个方面。1、 基于对信道矩阵进行QR分解的THP，其系统框图如图所示：首先需要对信道矩阵进行QR分解，得到：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，得到对角线上元素都为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消除，并利用取模运算限制预处理信号的幅值：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，调制符号的边界间隔为 ，其中 。取模运算 的目的是调整发射功率，经过TH预编码后，信号不再是星座图上的点，而是均匀分布在取点区域内，且经过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预编码方式中可以将功率分配的思想加入其中。 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，定义 为天线数目。接收信号可以表示为：处理后的信号y可以表示为其中， 。3.2.1ZF-TH预编码 考虑ZF准则，需要满足矩阵G，B