（信号与信息处理专业论文）lte及ltea系统中预编码技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 ilytllllllllllll7llll5lllll7lllllllllllll8llll3itlly 175 7 18 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：鱼垦丝日期：砂! 砂 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：噩垒鱼釜 日期： 导师签名：日期：三鲨! 纠 、 l t e 及l t e - a 系统中预编码技术研究 摘要 预编码是一种根据信道情况对发射信号进行预处理，从而提高 m i m o 系统性能的技术。目前，预编码技术已经广泛应用于以l t e 和l t e - a 为代表的下一代通信系统中。对l t e 系统中预编码技术的 研究将有助于评估l t e 系统性能，推动其实际应用。而对l t e - a 系 统中预编码技术的研究更将促进l t e a 的标准化进程，增强我国在 国际标准化领域的话语权。 在实际系统中，由于反馈信道容量有限，采用的是基于码本的有 限反馈预编码技术。对于有限反馈预编码而言，最重要的问题是码本 设计和码字选择算法。本文对l t e 和l t e a 系统中的这两个问题进 行了研究。 l t e 系统已经规定了预编码码本，因此，研究的重点是设计一种 合适的码字选择算法。本文根据l t e 系统的特点，提出了一种基于 吞吐量的码字选择算法，并应用e e s m 技术实现了该算法。仿真结 果表明，采用预编码技术能够达到l t e 系统对于峰值传输速率和峰 值频谱利用率的要求。 对于l t e - a 系统，其预编码码本仍在标准化过程之中。本文对 l t e a 单用户m i m o 场景下的预编码码本设计方案进行了研究，提 出了一种新型的码本设计方案。该方案先设计秩为1 的码本，再通过 h o u s e h o l d e r 变换和矩阵聚合的方式构造其余码本。该设计方案构造 出的码本具有合理的结构特性，降低了预编码操作的复杂度。通过链 路级仿真对目前已有的各种码本方案进行性能对比。仿真结果表明， 所提出的新码本方案在整体性能上优于现有码本，达到了复杂度和性 能的较优折中，可作为l t e - a 标准中预编码码本的候选方案。 关键词：l t el t e a 预编码码字选择码本设计 u 勺 、 t h er e s e f 气r c ho fp r e c o d i n g t e c h n o l o g yi ni l 旺! a n dl r e as y s t e m a b s t r a c t p r e c o d i n gt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm i m o s y s t e m ，b ya d j u s t i n gt h et r a n s m i ts i n g l ea c c o r d i n gt ot h ec h a n n e l c o n d i t i o n i ti sn o w w i d e l ya p p l i e di nt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，s u c ha sl t ea n dl t e - a t h er e s e a r c ho fp r e c o d i n gt e c h n o l o g y i nl t e s y s t e mw i l lh e l pt oe v a l u a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c h o f p r e c o d i n g i nl t e a s y s t e m w i l l p r o m o t e t h e p r o c e s s o f s t a n d a r d i z a t i o n i t 1 la l s oi n c r e a s et h ev o i c eo fo u rc o u n t r yi nt h ef i e l do f c o m m u n i c a t i o n i np r a c t i c a ls y s t e m s ，l i m i t e df e e d b a c kp r e c o d i n gb a s e do nc o d e b o o k i su s e d ，d u et ot h el i m i t e dc a p a c i t yo ft h ef e e d b a c kc h a n n e l f o rl i m i t e d f e e d b a c kp r e c o d i n g ，t h em o s t i m p o r t a n tt w op r o b l e m sa l ec o d e b o o k d e s i g na n dc o d e w o r ds e l e c t i o n w ew i l ld i s c u s st h e s et w op r o b l e m si n l t ea n dl t e - a s y s t e m l t e s y s t e mh a sa l r e a d yg i v e nt h ep r e c o d i n gc o d e b o o kf o rd i f f e r e n t s c e n a r i o s s o ，t h er e s e a r c ho fp r e c o d i n gi nl t es y s t e mi sf o c u s e d0 1 1 d e s i g n i n ga na p p r o p r i a t ec o d e w o r ds e l e c t i o nm e t h o d w ep r o p o s ea c o d e w o r ds e l e c t i o na p p r o a c hb a s e do ns y s t e mt h r o u g h p u t ，w h i c hf i t st h e f e a t u r e so fl t es y s t e m e e s mi su s e dt or e a l i z et h i s a p p r o a c h t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tl t e s y s t e mc a na r c h i v et h ed e s i r e dp e a k t r a n s m i tr a t ea n dp e a ks p e c t r a l e f f i c i e n c yw i t ht h eh e l po fp r e c o d i n g t e c h n o l o g y t h ep r e c o d i n gc o d e b o o kf o rl t e - a s y s t e mi su n d e rd i s c u s s i o n w e f o c u so nt h ep r e c o d i n gc o d e b o o ki nh i g ho r d e rs u m i m os c e n a r i o a n o v e lc o d e b o o kd e s i g na p p r o a c hi sp r o p o s e d t h ec o d e b o o ko fr a n k1i s c o n s t r u c t e df i r s t t h e nt h ew h o l ec o d e b o o ki s d e s i g n e d b a s e do n h o u s e h o l d e rt r a n s f o r m a t i o na n dm a t r i xa g g r e g a t i o na c c o r d i n gt or a n k1 l l i c o d e b o o k t h ec o d e b o o kc o n s t r u c t e db yt h i sm e t h o dh a sg o o ds t r u c t u r e p r o p e r t i e sw h i c hc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fp r e c o d i n g l i n kl e v e l s i m u l a t i o ni su s e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc o d e b o o k m e t h o d s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ec o d e b o o kd e s i g n e db yt h e n o v e la p p r o a c hp e r f o r m sb e s ti nv a r i e t ys c e n a r i o sa n da c h i e v e sag o o d t r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y s o ，t h ec o d e b o o kc a nb e p r o p o s e dt ob et h ec a n d i d a t eo fl t e as y s t e m k e y w o r d s ：l t e ，l t e - a , p r e c o d i n g ，c o d e w o r ds e l e c t i o n ，c o d e b o o k d e s i g n i v 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 4 2 5 目录 绪论1 l t e 系统概述1 e f e - a 系统概述。1 m i m o 技术概述2 预编码概述3 本论文内容安排4 预编码技术5 m i m o 概j j ! ! ； 2 1 1m i m o 信道容量5 2 1 2m i m o 检测算法6 2 1 2 1 最大似然检测算法6 2 1 2 2 迫零算法7 2 1 2 3 最小均方误差算法7 2 1 2 4 串行干扰抵消算法8 预编码技术8 2 2 1 有限反馈预编码9 2 2 2 最优码本设计9 2 2 2 1 矢量量化1 0 2 2 2 2 格拉斯曼子空间填充1 0 2 2 2 3 实际系统中的码本构造。1 1 2 2 3 码字选择1 2 2 2 3 1m m s e 准则1 2 2 2 3 2 最大s m r 准则1 3 2 2 3 3 最大吞吐量准则1 3 l t e 系统中的预编码技术1 4 2 3 1l t e 码本1 4 2 3 1 12 天线场景1 4 2 3 1 24 天线场景1 5 2 3 2 l t e 预编码过程1 7 l t e a 系统中的预编码技术1 8 本章小结1 9 v 第三章l t e 系统中预编码技术的研究2 0 3 1l t e 系统下行链路介绍2 0 3 1 1 发射端处理2 0 3 1 1 1 编码与调制2 0 3 1 1 2 层映射2 1 3 1 1 3 预编码2 1 3 1 1 4o f d m 操作。2 2 3 1 2 接收端处理2 2 3 2 最优码字选择2 3 3 2 1e e s m 2 3 3 2 2 基于吞吐量的码字选择算法2 7 3 3 仿真结果2 8 3 3 1 仿真平台和参数设置2 8 3 3 2 仿真流程。2 9 3 3 3 仿真结果分析3 l 3 3 3 12 天线场景3 1 3 3 3 24 天线场景3 3 3 4 本章小结3 4 第四章l t e a 系统中预编码技术的研究3 6 4 1u 甩a 系统中的预编码技术3 6 4 2 l t e a 码本设计准则3 6 4 3已有码本方案分析3 7 4 3 1 三星公司方案【勿3 7 4 3 2 华为公司方案【2 3 1 。3 9 4 3 3 摩托罗拉公司方案1 2 4 j 4 0 4 4 新的码本设计方案4 1 4 4 1 码本设计方案。4 1 4 4 2 码本结构特性证明4 3 4 5 各码本理论性能分析4 5 4 5 1 各码本结构特性对比4 5 4 5 2 码本理论性能比较。4 6 4 5 2 1相关场景4 6 4 5 2 2 非相关场景。4 8 4 6 各码本链路级性能分析4 9 v i 4 7 第五章 参考文 附录 致谢 攻读学 v i l v i i i 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文 l t e 及l t e a 系统中顶编码技术研究 1 1l t e 系统概述 第一章绪论 移动通信技术的出现是通信技术的一次重大革命。它实现了人们随时随地进 行通信的梦想。近年来，移动通信技术飞速发展，各种先进的信号处理技术和网 络技术层出不穷，移动通信系统的性能和应用也随之得到快速地提升和扩展。目 前，第三代移动通信( 3 g ) 系统已经在全球范围内大规模地开始商用。我国也 于2 0 0 9 年1 月发放了3 g 运营牌照，正式进入3 g 时代。 3 g 系统的显著特点是能够提供较快的数据传输能力。因此，除了传统的语 音业务外，3 g 系统还能实现丰富的多媒体数据业务。但随着社会的发展，人们 对于数据业务质量和种类的要求越来越高，而多媒体技术和宽带互联网技术的进 一步发展也对移动通信系统的传输能力提出了更高的要求。为此，各通信标准组 织开始了对下一代移动通信系统的研究工作。 l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ，长期演进) 系统是由3 g p p 组织于2 0 0 4 年提出 的一种增强型3 g ( e 3 g ) 技术。与3 g 系统相比，l t e 的优势体现在：更高的 用户数据速率和系统容量、更短的等待时间、更广的覆盖以及更低的运营成本。 目前，l t e 系统的标准化工作已经基本完成。 l t e 系统要求能在2 0 m h z 的带宽下实现高达1 0 0 m b i t s 的下行峰值速率， 因此l t e 在无线接入技术方面采用了全新的o f d m 技术和m i m o 技术。由于其 开放性，受到了绝大多数厂商的支持，确定了l t e 标准在行业内的权威地位。 一些国家和地区已经开始了l t e 系统的商用化运营尝试。 1 2l t e - a 系统概述 2 0 0 6 年，i t u r ( 国际电联无线部门) 正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n t e d 技术。2 0 0 8 年2 月，u r 发出通函，向各国标准化组织征集i m t - a d v a n c e d 技 术提案。4 g 标准化工作也随之启动。 l t e a 是l t e 系统的后续演进系统，也是3 g p p 组织向丌u 提交的4 g 系统 方案。3 g p p 组织在l t e 标准化工作基本完成之后即全力投入到l t e - a 系统的 标准化工作之中，并制定了与u 的时间流程紧密契合的详尽时间表。2 0 0 8 年 6 月3 g p p 组织完成了l t e a 的需求分析工作，并开始了l t e a 系统关键技术 的讨论。目前，l t e a 的工作进程已经进入到规范起草阶段。 北京邮i u 人学顾l ：学位论义 l t e 及l t e a 系统中颅编码技术 i j f 究 由于l t e 系统已经具有了相当明显的4 g 技术特征，只需在其基础上进行适 当加强，就可以满足i m t - a 的需求。因此，3 g p p 组织将l t e a 系统定位为在 l t e 基础上的平滑演迸，以稳定当前l t e 标准的状态和成果，为l t e 的产业化 营造良性环境。l t e - a 相对于l t e 的演进包括：有效支持新频带、大幅提升系 统峰值速率、改进系统平均频谱效率和小区边缘频谱效率等。 虽然l t e - a 系统只是l t e 系统的增强，但其技术指标已经全面高于i m t - a 的需求。以峰值速率和频谱效率为例，l t e a 系统的最小需求为下行峰值速率 1 g b p s ，上行峰值速率5 0 0 m b p s ，同时上下行峰值频谱利用率分别达到1 5 m b p s h z 和3 0 m b p s h z 。这些参数已经远高于r r u 的最小技术需求指标，确保了l t e - a 在4 g 候选技术中的竞争优势。 为了达到l t e a 的系统需求，需要采用一些新型的信号处理技术和网络技 术。目前3 g p p 组织已经召开了多次会议对这些技术进行讨论，并确定了基本的 系统框架以及一些关键技术，包括增强m i m o 技术、频谱聚合技术、中继技术、 协作多点传输技术等。由于l t e a 要求极高的峰值速率，因此对增强型m i m o 技术的研究也是l t e a 标准化过程中的一个研究重点。 1 3m i m o 技术概述 下一代通信系统将为用户提供各种高速无线多媒体业务，这就对系统的数据 传输速率提出了很高的要求。如l t e 系统要求下行达到1 0 0 m b i t s 的峰值速率， 而l t e a 系统更要求1 g b i t s 的下行峰值速率。如何使用有限的频谱资源来实现 如此高的传输速率是一个亟待解决的问题。m i m o 技术的出现很好地解决了这一 问题。 m i m o 技术是无线通信领域的重大突破。该技术利用了空间维的自由度，在 发送端和接收端均使用多根天线收发信号。各发射天线发送的信号占用相同的时 频，接收天线通过相应的空间处理消除空间维上的干扰，区分各发射天线发送的 信号。所以当发射端发送独立数据流时，m i m o 系统并不需要额外地增加时间和 频率资源，即可成倍地提高系统容量和频谱利用掣1 儿2 。 m i m o 技术主要包括发射分集技术和空间复用技术。其中发射分集技术是指 在不同的天线上发射包含相同信息的信号，从而达到空问分集的效果。空f 口j 分集 技术是一种很好的抗多径衰落手段。这种分集分为接收分集和发射分集。m i m o 中的发射分集主要是采用空时编码技术l 引，主要包括空时分组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 和空时格码( s t r c ，s p a c et i m et r e l l i sc o d e ) 。 空间复用技术是指在不同的天线上发射独立数据流。该技术可以在相同的时 2 北京邮电人学硕i ：学位论文l t e 及l t e a 系统中颅编码技术研究 频资源条件下显著地提高数据传输速率。早期由于受限于接收端检测算法的复杂 度，空间复用技术并没有得到太多的重视，直到贝尔实验室提出了v - b l a s t ( 垂 直贝尔实验室分层空时) 结构。v - b l a s t 技术在接收端只需使用简单的线性检 测来达到消除天线问干扰的目的。此后，m i m o 技术才逐步得到广泛的应用。 l t e 系统中和l t e - a 系统由于其要求极高的数据传输速率和频谱利用率， 因此在这两个系统中，m i m o 技术都是其核心技术。l t e 系统最多支持收发端各 4 根天线，而l t e a 系统最多支持收发端各8 根天线。 1 4 预编码概述 预编码技术是一种广泛应用于m i m o 技术，尤其是空间复用技术中的预处 理技术。对于单用户m i m o 系统，接收端获取信道信息即可达到相应的信道容 量1 4 j 。而发射端如能获取信道信息，则可利用预编码技术，根据信道情况对发射 信号做预处理，使得发射信号与当前的信道条件相匹配，进一步优化m i m o 系 统传输性能。这将提高相同信噪比条件下系统的传输可靠性和传输速率1 5 j 。对于 多用户m i m o 系统，由于接收端无法获取关于信道的全局信息，故空间维的干 扰消除操作必须在发射端进行【倒。在这种场景下，预编码技术的作用更为重要。 按处理方式分，预编码技术可分为线性预编码和非线性预编码，其中线性预 编码技术的实现最为简单。由于现有系统大多重点关注单用户m i m o 场景，试 图提高点到点传输的频谱利用率。而在单用户m i m o 场景下，仅依靠线性预编 码技术就可取得较好的性能增益。同时，线性预编码技术还可与有限反馈技术相 结合，在保证系统性能的同时减小预编码操作所需的反馈开销。因此，出于实用 化和性能两方面的考虑，在实际系统中，大多采用的是基于有限反馈的线性预编 码技术。 基于有限反馈的线性预编码技术是通过码本来实现操作的。该码本由发射端 和接收端共有。接收端获取信道信息后，根据信道信息从码本中选取最优的预编 码码字，并通过反馈信道将该码字的序号反馈给发射端。发射端在收到反馈的码 字序号后，从码本从选取相对应的码字进行预编码操作。目前l t e 系统和l t e a 系统均使用该机制进行预编码操作。 由于l t e 及l t e - a 系统中，预编码都是实现系统峰值速率指标的关键技术， 因此本文的研究具有十分重要的意义。对于l t e 系统而言，本文的研究将有助 于评估l t e 标准的系统性能，加速l t e 系统的产业实现。对于l t e a 系统而言， 由于其目前仍在标准化之中，而预编码技术又是标准化工作的重点，因此本文的 研究成果可推动l t e a 的标准化进程，同时增强我国在l t e a 标准化领域的话 3 北京邮i u 人学顾l ：学位论文l t e 及l t e a 系统中颅编码技术研究 语权，提升我国在通信行业的地位。 1 5 本论文内容安排 本文研究了l t e 及l t e a 系统中预编码技术的应用，主要工作包括以下两 大部分： 1 、l t e 系统中的预编码技术研究 针对发射端的处理方式，设计并实现了l t e 系统接收端的码字选择算法。 根据协议搭建l t e 仿真平台，并评估l t e 系统中预编码技术的性能。 2 、l t e a 系统中的预编码技术研究 研究l t e o a 系统中高阶m i m o 场景下预编码码本的设计方法，提出了一项 新型的码本设计方案。使用链路级仿真平台比较了不同码本设计方案的性能。 本论文的后续安排如下： 第二章将对预编码技术进行详细的介绍，包括预编码技术基本原理分析、预 编码技术分类、已有研究结果回顾，并将重点分析预编码技术在实际通信系统 l t e 、l t e a 中的使用情况和存在的问题。 第三章研究l t e 系统中预编码技术。首先根据l t e 协议，确定了接收端码 字选择准则，即基于吞吐量的码字选择算法。然后搭建了l t e 仿真平台，针对 预编码技术进行了仿真，并对l t e 系统中预编码技术带来的性能增益进行分析。 第四章介绍l t e a 系统的预编码码本设计研究工作。在对已有码本设计方 案的研究基础上，提出了一种新型的高阶m i m o 场景下的码本设计方案，并据 此得出了一个新的码本。接下来从理论对比和链路仿真两方面比较了新的码本与 现有码本之间的性能差异。 第五章对全文进行了总结，并提出本课题中还有待于深入研究的问题。 4 北京邮i 乜人学顾i j 学位论文 l t e 及l t e a 系统中顶编码技术研究 2 1m i m o 概述 第二章预编码技术 m i m o 技术是一种在空间维对信号进行处理的技术。若通信系统的发送端和 接收端同时使用由多根天线组成的天线阵列进行通信，就可以称这样的系统为 m i m o 系统。图2 - 1 给出了发射天线数为f ，接收天线数为，的m i m o 系统 框图。 编码 调制 加权 映射 h l ： s 1 ￥：一刁n 鞍f 一海r 2 s 2 f 妥一岛 、，a 、，i h ：誓、，、 s 融l 瓦 加权 反映射 解调 解码 图2 - 1 m i m o 系统模型 图2 - 1 所示m i m o 系统的输入输出关系可用下式表示： ，ah s + 厅式( 2 - 1 ) 其中，f 维向量s 表示输入信号，维向量f 表示接收信号，n ，。的复矩 阵h 用来描述信道特性。j i l 。表示矩阵h 的第i 行第j 列的元素，代表从第j 根发 射天线到第i 根接收天线之间的信道衰落系数。在散射体丰富的传输环境下， 甜 可认为是服从均值为o ，方差为1 的复高斯变量。，维向量n 表示加性白高斯 噪声，其元素均服从均值为0 ，方差为口2 的复高斯分布。 式( 2 1 ) 表示了单用户场景下的空间复用传输( v b l a s t 技术) 原理。由 于m i m o 技术最大的作用是极大地提高系统的传输速率，因此v - b l a s t 技术是 m i m o 研究的重点，下面的讨论也将围绕该技术展开。 2 1 1m i m o 信道容量 m i m o 技术最大的吸引力在于该技术能够在不增加系统占用时频资源的情 况下，成倍地提升系统的传输速率和频谱利用率。m i m o 技术的这个特点是由其 信道容量决定的。下面将对m i m o 信道容量作简单的分析： 当m i m o 系统的发射天线数目为f ，接收天线数目为，时，可以得到 5 北京邮i 【1 人学倾i ：学位论义 l t e 及l t e a 系统中颅编码技术l i j f 究 m i m 0 系统的信道容量公式j ： c 删a e t 卜剁 其中w 为信道带宽，p 为信噪比，m = m i n ( n , ，) ， q | 。h h h hu h n n r r ) 式( 2 8 ) 式中e 表示取期望值。将式( 2 1 ) 带入式( 2 8 ) ，可劁8 】： g = 【h 圩h + ( m n o e ) l u 】- 1 日耳 式( 2 9 ) 其中m 为发送数据流数目，p 为信号发射功率，k 为m 维单位矩阵，0 为噪 声功率。 由于噪声项的引入，所以在低信噪比条件下，噪声放大问题对m m s e 接收 7 北京邮i 【1 人学顾i j 学位论文l t e 及l t e a 系统中颅编码技术研究 机影响不大。此时m m s e 接收机性能优于z f 接收机。在高信噪比条件下，噪 声渐趋于o ，此时两种接收方式性能相当。文献【4 】中已经证明，使用m m s e 算 法即可使m i m o 系统达到信道容量。m m s e 检测算法是m i m o 的最优检测算法。 2 1 2 4 串行干扰抵消算法 串行干扰抵消算法也被称为v - b l a s t 算法。该算法的基本思想是对接收信 号进行分层检测，并进行逐层干扰消除操作，从而获得比z f 算法与m m s e 算 法更优的检测性能1 9 j 。 在空间复用系统中，接收到的信号里各子数据流相互干扰，影响译码准确性。 z f 算法和m m s e 算法都是一次性地检测所有的数据流。因此，数据流间的干扰 需要同时消除。这也就限制了检测矩阵的结构，进而引起噪声放大等问题。 与z f 算法和m m s e 算法不同的是，串行干扰抵消算法对接收信号进行逐 层检测。首先按照数据流的信噪比大小，选择最强的子数据流进行z f 检测或者 m m s e 检测，再将该数据流对其余数据流的干扰从接收信号中消除。在这一过 程中，检测向量的生成与传统的z f 或m m s e 检测无异。然后从剩余的信号中 找出最强的子数据流，重复前述操作，直至所有的数据流检测完成。由于待检测 数据流数目不断减少，检测向量的生成约束也将越来越小。与z f 和m m s e 算 法相比，该算法将更有可能找到提高数据流信噪比的检测向量，从而提高m i m o 检测的性能。 2 2 预编码技术 对于如图2 1 所示的m i m o 系统，文献【4 1 已经得到理论结果：在接收端获 取信道信息的情况下，只需在接收端进行m i m o 检测即可达到m i m o 信道容量。 在该场景下，m i m o 信道容量的达到不需要发射端做任何处理。 若发射端拥有c s l t ( 发射端信道信息) ，则可根据信道信息对发射信号进行 预处理。在m i m o 系统中，这种预处理操作被称为预编码操作。由于预编码技 术可以根据信道条件调整信号，使之与当前信道匹配，这将使得m i m o 系统在 相同信道状况条件下获得系统性能的提升。 在单用户场景下，使用线性m m s e 接收机的m i m o 系统便可达到m i m o 信道容量，此时预编码技术的作用为进一步提升系统性能，使得系统能在更低的 信噪比条件下达到信道容量。而在多用户场景下，由于各用户无法获知其它用户 的信道信息，m i m o 检测无法进行。所以消除天线问干扰的任务必须在发射端由 预编码操作完成。在现有通信标准中，m i m o 技术主要应用于单用户m i m o 场 8 北京邮电人学硕i ：学位论文 l t e 及l t e a 系统中顶编码技术研究 景，因此下面将讨论单用户场景下的预编码技术。 按预编码操作对信号的处理方式，可将预编码技术分为线性预编码和非线性 预编码。在单用户场景下，预编码技术主要用于增强系统性能，因此多采用实现 简单的线性预编码。 使用线性预编码的m i m o 系统可用下式表示： ，：- - f 晰$ + 刀式( 2 1 0 ) 其中，为接收向量，s 为发射向量，日为m i m o 空间信道矩阵，厅为高斯噪声向 量，形是线性预编码矩阵，根据信道信息h 确定。 2 2 1 有限反馈预编码 在实际系统中，发射端要想获取c s i t 是相当困难的。由于上下行占用频带 不同，f d d 系统只能依靠反馈信道来获取c s i t 。t d d 系统虽然能借用信道互易 性来获取c s i t ，但也存在着天线校准等问题。因此，有限反馈条件下的预编码 研究是目前广泛关注的重点。 在有限反馈条件下，预编码矩阵w 主要有如下两种生成方式： 1 、接收端通过反馈信道将信道信息h 进行矢量量化并反馈，发射端根据h 按一定方式生成预编码矩阵w 。使用该方案时，若信道信息h 在反馈过程中产 生差错，则会大大影响预编码矩阵w 的准确程度。 2 、接收端根据信道信息h 按照一定方式生成预编码矩阵w ，并通过矢量量 化方式将w 反馈给发射端。由于接收端获取的信道信息是较为准确的，因此发 射端获得的预编码矩阵w 较上方案更为准确。 在单用户m i m o 系统中，一般采用第二种方式来生成预编码矩阵。该方式 的实现流程如下：发射端和接收端使用相同的一个预编码码本。接收端根据信道 信息生成预编码矩阵后从码本中选取合适的码字，并将该码字的序号反馈给发射 端。发射端根据序号从码本中选取相应的码字进行预编码操作。 从上述实现流程可以看出，在有限反馈预编码系统中，最重要的两个问题是 最优码本的设计及最优码字的选择。 2 2 2 最优码本设计 由于反馈信道大小有限，这就要求对最优预编码矩阵进行量化，减小预编码 技术所需的反馈量。对预编码矩阵的量化需要构造预编码码本，用码本中的码字 来代替最优预编码矩阵。因此，有限反馈预编码技术的性能增益在很大程度上受 限于预编码码本的设计。 9 北京邮i u 人学坝l j 学位论文l t e 及l t e a 系统中顶编扛屿技术研究 码本设计方案一直是线性预编码技术的研究重点，同时也积累了许多的理论 成果。文献【1 0 】对码本设计方案进行了总结，并重点介绍了矢量量化和格拉斯曼 子空问填充两种码本设计方式。 2 2 2 1 矢量量化 矢量量化方式是最为直接的一种码本设计方式，一般可使用经典的l l o y d 算 法来构造矢量量化码本。l l o y d 算法的实施关键在于寻找一个合适的失真函数来 度量码字与待量化矢量之间的误差，最终得到的码本应使得该失真函数值最小。 失真函数的一种表示情况如下【1 1 】： 几e t m t i n d 2 ( 侧式( 2 - 1 1 ) = p 2 缈，e ) ) p ( y r ) 其中y 代表待量化的矩阵，鼻代表码本中的码字，r 为码字对应的量化空间 区域，n 为码本大小。d 表示待量化矩阵和码字之间的距离，一种可取的距离为 弦距离： d ；( y ，鼻) - - t r ( b , 一只日w 日e ) 式( 2 - 1 2 ) 在确定了失真函数之后，可按以下步骤实施l l o y d 量化算法【1 1 l ： 1 、产生训练矩阵集，用蒙特卡洛仿真代替统计平均。训练集中的每个矩阵 即为待量化的对象矩阵。同时产生一个初始码本。 2 、对于矩阵集中的每个待量化矩阵，按照最邻近准则划分空间 r 一 v l d f v ，e ) d ( y ，) ，一f 式( 2 1 3 ) 3 、对于每个划分的区域，在其中选取最优矩阵使平均失真最小： 霉啊- a r g t a r g d ；( k ，t ) 式( 2 1 4 ) 护( k t h 阿日z ) 其中z 为区域r 中的矩阵，五则是通过在这次训练过程中得到的最优码字。根据 式( 2 1 4 ) 对每个区域进行计算，可以得到一个新的码本及相应的总平均失真。 4 、返回步骤1 ，重复，直到训练出合适的码本使得总平均失真小于某门限 2 2 2 2 格拉斯曼子空间填充 矢量量化的方法是一般化的码本构造方法，而若能利用待量化的最优预编码 矩阵的固有特性进行码本设计，码本的性能将得到进一步的提升。有关有限反馈 预编码技术的经典论文【1 2 】中讨论了不同情况下最优酉预编码矩阵的生成方式。 1 0 v 焦v 焦上以上虬 n n n n r r i r 北京邮电人学硕1 j 学位论文 l t e 及l y e a 系统中预编码技术研究 对信道矩阵做s v d 分解， h ：u d v h 式( 2 1 5 ) 则最优预编码矩阵为： w o p t v m 式( 2 - 1 6 ) 其中下标m 为数据流数目。由式( 2 1 6 ) 可知，最优预编码矩阵由最大的m 个 奇异值对应的矩阵v 中的m 列构成。 酉预编码矩阵f 的维数为。x m 。由酉特性可知，矩阵f 每列均为f 维向 量，且m 个列向量相互正交。那么可把矩阵f 看成m 维向量空间的m 维子空 问。所有的这些子空间构成了复格拉斯曼流形。假设码本中共有n 个码字。那 么码本设计的问题也就相当于按照某种准则来设计n 个子空间来表示整个格拉 斯曼流形。这是在应用数学上十分著名的一个问题，即格拉斯曼子空间填充【1 3 l 。 综合考虑式( 2 1 6 ) 得到的最优预编码矩阵的特点，最优的码本设计实际上 就是设计n 个码字使得任意两码字之间的距离最大【1 刀。码字的距离即两个子空 间之间的距离。文献对三种距离表示进行了讨论，即子空间之间的弦距离、 p r o j e c t i o nt w o n o r m 距离和f u b i n i s t u d y 距离。这三种距离可由下面的式子分别 定义： d c h o r dc 形l ，w 2 ) = 击0 嘶哗一皑i l ， v 二 。 2 p 一善砰眠日w 2 d o j ( w x ，) 一0 彤日一畔l i ： 扛瓦而 眠，) ；a r c c o s l d e t ( w l h ) l 式( 2 - 1 7 ) 式( 2 - 1 8 ) 式( 2 - 1 9 ) 每一种距离都是对子空间距离的不同理解。弦距离是指将格拉斯曼流形等效 地变为单位圆后圆上两点之间的距离。将这一距离最大化意味着最小化矩阵 形，彬彤h 职的特征值之和。p r o j e c t i o nt w o n o r m 距离通过使彤h 的最小奇异值 最小化来达到最大值。f u b i n i s t u d y 距离通过使彤职的奇异值乘积最小化来达 到最大值。可以根据不同的码字选择方案选取相应的码字距离。最优码本应使得 码本中任意两个码字间的最小码字距离最大。 2 2 2 3 实际系统中的码本构造 前述的码本设计方法主要从码本性能角度出发，试图设计出具有理想性能的 码本，从而最大化预编码技术带来的性能增益。但在实际系统中，码本的设计考 北京邮i u 人学坝i j 学位论文l t e 及l t e a 系统中颅编码技术研究 虑因素有所不同。实际系统更关注系统的复杂度，注重系统复杂度和性能的折中。 在单用户m i m o 系统中，即使不采用任何发射端处理，接收端采用m m s e 接收机即可实现m i m o 信道容量。预编码技术的主要作用是在相同的信道条件 下，提升系统的性能，使得系统更快地达到信道容量。因此，应用单用户m i m o 技术的实际系统对于预编码技术的性能要求并不是特别严格，更多的是考虑预编 码操作的计算复杂度和反馈开销等。 这也就决定了实际系统中码本设计思路的不同，即通过合理地设计预编码码 本，在可接收的复杂度范围内，最大限度地提升预编码的性能增益。以l t e 系 统为例，码本主要通过其特殊的结构来达到减小预编码计算复杂度的目的。例如 限制预编码码字矩阵的元素，使之均取自一简单的符号集( 8 p s k 符号集) ，从而 减小与预编码矩阵相关的计算复杂度。 2 2 3 码字选择 码本确定后，接收端应按照一定规则从码本中选取最优码字，并将其序号进 行反馈。从已有的预编码码本中选择预编码码字矩阵可以依据如下两种方式1 1 4 j ： 1 、基于理论最优预编码矩阵的量化进行选择。由式( 2 1 6 ) 可知，理