（通信与信息系统专业论文）中继协作系统预编码技术研究.pdf

摘要 舢| l f f l 1 i i i l i l l | i i | l l i l | i i l f i i f | m i 一! y 2 0 6 8 2 7 8 手两要 在无线协作中继系统中，多个终端用户相互使用对方的天线发送各自的信号 来形成“虚拟天线阵列”，这样构成的等效多入多出( m i m o ) 系统也具有较高的系 统容量和频谱效率。在传统的m i m o 系统中，预编码技术是一种被广泛采用的闭 环自适应技术，对其研究已较为成熟。基于协作通信系统与m i m o 系统的相似性， 因此可以很方便的将预编码技术引入到协作中继系统中。 本文基于以上背景，首先研究了单中继预编码技术。由于预编码技术要求源 节点和中继节点实时获得信道信息，这样会给反馈链路带来沉重的通信负担。鉴 于此，本文在o r a s s m a n n i a n 码本研究基础上，研究了一种有限反馈中继预编码技 术码本设计方案。此码本设计的有限反馈中继预编码方案的系统性能随着反馈比 特数的增加接近完全反馈下的系统性能，在相同反馈比特数下的系统容量和误码 率优于直接将传统m i m o 系统中的g r a s s m a n l l i 锄码本直接应用于中继预编码的 有限反馈方案。 此外，本文还研究了多中继预编码技术。在多中继协作系统中，信号通过中 继节点转发，由于接收端接收的多个信号存在相位差问题，使得系统容量损失很 大。针对此问题，本文给出了联合相位控制的q r 分解中继转发策略，并且进一 步研究了基于这种联合相位控制q r 分解的混合中继转发策略。系统可以选择不 同的混合转发策略进行中继转发，从而使得系统总容量达到最优。 关键字：中继协作预编码技术有限反馈技术o r 分解转发 中继协作系统预编码技术研究 a b s t i a c t a b s t r ac t i nt h ew i r e l e s sr e l a yc o o p e r a t i v es y s t e m ，t h em u l t i p l ea n t e n n at e r m i n a l su s ee a c h o t h e r sa n t e n n at os e n dt h e i rs i g n a l s ，w h i c hc o u l df o r ma ”v i r t u a la n t e n n aa r r a y ”t o c o n s t i t u t et h e e q u i v a l e n tm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s y s t e m t h i s e q u i v a l e n ts y s t e m a l s oh a sah i g h e rs y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y i n t r a d i t i o n a lm i m os y s t e m s ，p i e - c o d i n gt e c h n o l o g yi saw i d e l yu s e dc l o s e d - l o o p a d a p t i v et e c h n o l o g y , w h i c hh a s b e e nm o l em a t u r e a st h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dt h em i m os y s t e m s ，t h ei n t r o d u c t i o no ft h e p r e - c o d i n gt e c h n o l o g y t ot h e c o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si st h em o s t p o t e n t i a la n dm o s ti m p o r t a n tt o o lf o ri m p r o v et h es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c y b a s e do nt h ea b o v eb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h e s i n g l er e l a y p r e - c o d i n gt e c h n i q u e s d u et ot e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ep r e e n c o d i n g ，t h es o u r c e a n dr e l a yn o d e sn e e dt h er e a l - t i m ec h a n n e li n f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lb r i n gh e a v yt r a f f i c b u r d e ni nt h ef e e d b a c kl i n k f o rt h i sr e a s o n ，b a s e do ng r a s s m a n n i a nc o d e b o o k ，t h i s p a p e rs t u d i e st h er e l a yp r e - c o d i n gw i t hl i m i t e df e e d b a c kc o d e b o o kd e s i g nt e c h n o l o g y w i t hi n c r e a s i n gt h en u m b e ro ff e e d b a c kb i t s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g no ft h i s c o d ep r e c o d i n gs c h e m ew i t l ll i m i t e df e e d b a c kr e l a ys y s t e mi sa l m o s te q u i v a l e n tw i t h t h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rt h ef u l lf e e d b a c k a l s ow i t ht h es a m en u m b e ro f f e e d b a c kb i t s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sd e s i g ni sm u c hb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lm i m o s y s t e m ，w h i c hd i r e c t l yu s e st h eg r a s s m a n n i a nc o d e b o o ka s t h el i m i t e df e e d b a c k p r e - c o d i n gs c h e m e i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e sm u l t i r e l a yp r e c o d i n gt e c h n i q u e s ；t h e s i g n a li st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h em u l t i r e l a yn o d e s ，t h er e c e i v e rh a st h em u l t i p l es i g n a l p h a s ei s s u e s ，m a k i n gt h es y s t e mc a p a c i t yl o s ea l o t i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i s p a p e rd i s c u s s e st h eq rd e c o m p o s i t i o nc o m b i n e dw i t l lp h a s ec o n t r o lr e l a ys t r a t e g y , a n d b a s e do nt h ea b o v es t r a t e g y , f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h ef i x e ds t r a t e g i e sa r em a d e ，t h e s y s t e mc a nc h o o s ed i f f e r e n tm i x e df o r w a r dr e l a ys t r a t e g y , m a k i n gt o t a ls y s t e m c a p a c i t yo p t i m a l k e y w o r d s ：r e l a yc o l l a b o r a t i o n p r e - c o d i n gt e c h n o l o g y q rd e c o m p o s i t i o n l i m i t e df e e d b a c kt e c h n o l o g y 中继协作系统预编码技术研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 伴随着移动通信网络在过去2 0 年中的广泛发展，全球无线通信业务获得了商 业上的巨大成功，无线技术的发展使得有限网络拓展到无线网络，并且移动用户 希望无线通信系统能够提供更加丰富的业务，例如因特网接入，视频点播、数据 互传、实时电视节目等数据或者多媒体业务。对于运营商而言，则希望下一代的 通信系统不仅能够更易于加载各类新业务及融合新技术，而且无需频繁的进行系 统结构和设备的变更，这些市场驱动开始使得无线模式发生前所未有的变化。从 基于模拟信号处理技术的第一代无线通信系统，发展到如今已取得巨大商业成功 的数字信号处理技术的第二代移动通信系统仅仅经历了不到半个世纪，与此同时 第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在欧盟和日，韩通信市场取得了很大成功。但是， 尽管3 g 移动通信系统在下行和上行链路分别可以提供1 4 4 m b i t s 和5 7 m b i t s 的 高速数据业务服务，但事实上这些峰值指标只有在理想信道环境下才能实现。因 此3 g 系统没有能力满足更多交互式视频新业务的需求，因为这些业务数据速率 通常要求高达几十甚至上百m b i t s ，例如多方视频会议，视频点播。 在2 0 0 5 年1 0 月1 8 日结束的l t u rw p 8 f 的第1 7 次会议上，国际电信联盟 ( i t u ) 给了后第三代移动通信技术( b 3 g ) 一个正式的名称i m t - a d v a n c e d 。 i t m 2 0 0 0 技术和i m t - a d v a n c e d 技术都拥有一个共同的前缀一i m t ，表示国际移 动通信；当前的宽带码分多址( w c d m a ) 、高速下行分组接入( h s d p a ) 技术 等统称为i m t - 2 0 0 0 技术，未来空中接口技术叫做i m t - a d v a n c e d 技术，此系统可 用的最大带宽将为1 0 0 m h z ；在固定和低速移动的热点覆盖场景中能够提供 1g b i t s 的传输速率，在高速移动的广域覆盖场景中可以提供不低于10 0 m b p s s 的 传输速率；此系统预计在2 0 1 5 年进入大规模商用阶段。 为了顺利实现预期目标，近年来出现了一些新技术，例如先进的信道编码技 术和调制解调技术、基于多输入多输出m i m o 技术等。先进的编码调制技术是逼 近信道容量的有效手段之一，而m i m o 技术可以进一步显著提高单个系统具有的 系统容量，然而由于受移动终端体积和成本约束，使得在终端实现多天线操作变 得困难。 另一方面，采用协同通信机制的无线通信技术一协作通信，提供了更好地利 用空间资源的一种新手段。在协作通信系统中，中继引入可以保证在较小的布网 开销条件下，极大地提升系统系能，其具有以下特点： 。 1 ) 扩大小区覆盖范围，通过中继节点转发接收信号，使得基站数据传输 的有效半径大大增加。 2 ) 消除覆盖盲点。通过中继协作方式传输，使得处于通信盲点的两个节 中继协作系统中预编码技术研究 点之间形成通信传输，改善通信链路质量。 3 ) 提高系统性能。通过中继协作方式传输，通过合并接收或空时联合处 理，可以获得复用增益和分集增益。 1 2 协同中继系统的研究概要 本节首先介绍了协同通信系统的基本概要，随后简要给出了协作通信系统中 继转发处理模式。 1 2 1 协同通信概要 协同( c o o p e r a t e ) 来源于拉丁文c o - c o o p e r a t e ，直译为一起工作( w o r k i n g t o g e t h e r ) 。协同的概念最早来自于对生物界现象的观察，例如关于吸血蝙蝠行为的 研究。用来描述通过给予或共享以获得好处的行为，此后又被引入社会学、经济 学和其他自然科学领域中。近年来在无线通信领域，随着网络拓扑结构的快速发 展，由完全集中式拓扑逐渐转变为分布式与集中式拓扑相结合形式，各种协同技 术在无线通信系统中研究变得日益广泛。 最早对协同中继系统进行的研究可以追溯到4 0 年前。首先，v a nd e rm e u l e n 在1 9 6 8 年提出了三终端中继信道并初步推导给出了该信道容量的上下极限( 即 容量的上下界) 。随后，c o v e r 在v a nd e rm e u l e n 的研究基础上，做出了不少标志性 的贡献，很多成果现在仍在广泛使用。但是，到了2 0 世纪8 0 年代，对于协同中继系 统的研究逐渐减少。2 l 世纪初期协同中继再次研究引起研究者的广泛关注。根据 协同中继节点对接收信号转发方式的不同，l a n e m a n 提出并分析了协同中继系统 的4 种常用协议：放大转发( a f ) 、解码转发( d f ) 、选择性中继和增量中继( i r ) 。 h u n t e r 在此基础上进一步提出了编码协同( c c ) 协议，其原理是解码转发的一种特 例，并且可以和分布式空时编码( d s t c ) 结合起来使用。同时，s e n d o n a r i s 系统地 提出并且定义了“用户协同分集”的概念，给出了协同中继节点的系统模型及其 性能分析。基于上述研究，近年来出现了大量的针对协同中继系统空中接口的研 究，实际情况考虑到射频器件实现难度和成本等因素，目前大多数研究集中于实 用性较好的半双工协同中继系统。半双工协同中继系统是指该系统的协同中继节 点在相互正交的资源( 时间或频率等) 上接收和新技术，例如分布式空时编码设计 【1 1 ，协作中继选择【2 】协同中继系统功率分配1 3 】协同中继系统跨层优化【钔、基于 多天线的多入多出( m i m o ) 技术【5 】。先进的多天线技术的引入能够进一步显著提高 单个系统具有的信道容量，因而其具有广阔的发展潜力。然而，由于受到移动便 携式终端体积和其他实现因素的制约，使得在终端上难以配置较多的天线单元， 这样在相当大程度上制约了m i m o 技术的广泛应用。 基于已有的研究成果中可以看到，相对于无中继的通信方式，引入协同中继 节点的半双工协同中继系统其在改善传输可靠性的同时，也付出了相应的代价。 第一章绪论 例如中继节点进行转发时所需要占用部分时间或频率资源，从而导致了系统整体 传输效率有所降低。 因此，如何设计有效可行的算法，更好地开发利用半双工协同中继系统所具 有的系统容量潜力，是一个极富挑战性的问题。 1 2 2 协同通信中协作处理模式 在无线通信系统中引入中继，并在链路传输及调度中加入协作通信的思想和 基于中继的分布式处理的技术，可以被认为在不明显改变骨干网络结构的同时显 著提高网络传输性能的。中继协作模式按信号处理模式可分为四种，放大中继模 式( a f ) 、解码中继模式( d f ) 、选择中继模式( s r ) 和编码协作中继模式( c c ) 。 1 放大中继模式 放大中继模式是预测中继模式的一个特例，可以把对信源的预测按比例放大 或缩小后转发接收端。每个用户第一步都接收到其伙伴所发射的被噪声污染的信 号，并在第二步放大转发这些被噪声污染的信号。基站则以一定的准则合并用户 和其伙伴所发送的信息，形成最终的判决。在文献 6 l a n e m a n 采用中断概率作为 指标，分析t d m a 系统用户之间以放大中继模式协作的系统性能，分析结果指出 当信噪比较高时，系统可以获得二阶的分集增益，这里的分集阶数可以被看作空 间不相关信道的个数。但是需要注意的是，分集阶数不等于天线个数或参与协作 的用户数。在这种模式下，中继节点只是简单地放大并且转发收到的信号，尽管 在放大转发的过程中，中继几点接收到的信号的噪声部分也被放大并转发出去， 但是相对于基站而言，它收到的还是两个经过相互独立衰落的信号，它仍然可以 用一定的准则合并接收信号，从而做出较好的判决。 放大中继模式实际上也可以被认为是压缩中继( c o m p r e s sa n df o r w a r d ) 的一 个特例。压缩中继模式对接收信号采用分布式编码( w y n e r z i v 技术) 量化、压缩后 发送到目标段。压缩中继模式一般用于信源、中继信道和信源、目的端信道条件 相似以及中继、目的端信道条件较好的情况下，此时虽然中继难以准确地译码， 但是可以对信源进行独立的观测，并把对信源的预测转发给目的端。 2 解码中继模式 在解码中继模式下，中继节点用户总是试图对接收到的其他合作伙伴的信号 先进行解码，然后再进行编码并转发给基站。此过程的性能改善是以在不同空间 重传冗余信息为代价的。解码中继模式的优点是比较简单，并且对于各种信道条 件都有较好的适应性。但当用户间信道质量较差时，用户有可能对接收的信息做 出错误判决，因此作为中继的移动终端有可能无法正确解码，从而危害到基站的 最终正确解码，此时协作分集传输不能达到完全分集。所以这种模式通常工作在 信源用户与中继节点用户距离较近情况下。在这种模式下，基站为了能实现最优 化解码需要完全已知两用户间信道的差错特性。 3 一 4 中继协作系统中预编码技术研究 文献【7 】对中继网络的协作模式的研究表明，当信源距离中继较近时，解码中 继模式接近最优；当中继距离目的端较近时，预测中继模式更好。 3 选择中继模式 为了解决解码中继模式中错误传播的问题，l a n e m a n 等人提出了种选择解 码中继方案，即当用户间信道的瞬时信噪比较高时，各用户检测并转发其伙伴的 数据，而当用户间信道的瞬时信噪比较低时，用户则转化为非协作中继模式。研 究表明，当信噪比较高时，选择解码中继模式不仅可以和放大中继模式一样，具 有二阶的分集增益，而且还可以获得较低的误比特率和误块率。 选择中继可以看作是解码中继的拓展，这种方式是根据用户问信道的状态来 决定是否进行协作，也可以在放大中继中应用。在以上两种协作模式的基础上， 还有另外一类延伸，即增强中继模式( i n c r e m e n t a lr e l a y ) 。增强中继是根据用户、 基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是基站以广播的形式发 送一个反馈信息，用户和其合作伙伴根据反馈信息决定是否协作。若基站认为信 道质量较好，不需要进行协作，则用户发送下一部分信息，从而提高了频谱效率。 顺便指出，如何根据用户所处的位置来选择用户协作的模式，也是一个值得 研究的问题。例如，如果用户处于离基站较近的地方，用户问协作可以采用a f 模式，并利用基站处理能力强的特点来进行j 下确检测和解码；如果用户处于离基 站比较远的地方，为了对抗衰落，可以在协作的用户之间采用下面将要介绍的编 码协作模式，来提高分集度。因此，用户协作的选择以及协作用户之间协作模式 的选择，都是需要认真考虑的问题。 4 编码协作模式 编码协作是将协作技术与信道编码技术相结合而产生的，其基本思想是对正 确解出信号重新进行编码。在解码协作模式下，用户对接收到的协作伙伴的信息 进行正确解码后，再按照原编码方式在下一时段向目的端进行转发，此时系统性 能的改善是通过在不同空间重复发送冗余信息而获得的。而在c c 模式下，各用 户通过重新编码发送不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，从而达到提高系 统性能的目的。 协作编码的具体方法为：首先把用户要发送的信息比特分成多个块进行编码， 然后加上循环冗余校验( c r c ) 码，在协作通信时将要发送的信息编码成码本后分 成两段，分别含有i 和比特，那么码本长为m + 比特，其中1 比特是想要 的信息比特，2 比特是校验信息比特。需要两个时隙来分别发送m + 2 两部分 比特信息，发送这些比特信息的时隙称为帧( f r a m e ) 。在第一帧内，每个用户发送 各自码本的第一段，即m 比特信息，同时每个用户都试图解码对方的这部分信息。 如果正确解码( 通过c r c 来检验) ，就在第二帧中发送其协作伙伴码本的第二段， 即2 比特信息。这样每个用户在两个时隙总是传送了长为m + 2 比特的信息块， 第一章绪论 最后基站对收到的信息块进行解码。 目前关于编码协作的研究，文献【8 】中证明了编码协作在慢衰落的信道条件 下，在保证用户的传输速率和发射功率不变时，即使用户间的信道条件非常差， 编码协作依然能够显著提高这两个用户的误码性能，并且如果协作双方能正确解 码，协作系统可以获得完全分集增益。但是如果在快衰落的条件下，编码协作将 会牺牲上行信道质量相对较好的用户的性能。为了解决这个问题，文献【9 】中提出 了空时编码协作的思想，将空时编码技术应用到编码协作中，从而提出了空时编 码协作方案。它与一般的编码协作最大的不同点，是在一般的编码协作中，用户 只在自己的多址信道发送协作信息，然而空时编码协作中每个移动终端会同时在 自己以及其协作伙伴的多址信道上发送信息。研究表明，空时编码协作在快衰落 信道的环境下也可以获得完全分集增益，并且不会牺牲上行信道质量较好的用户 的性能。 由于编码协作分集具有性能出色、适应信道的能力较强和接收端不需要协作 用户间信道信息等优点，而且可以利用现有的信道编码和空时编码研究的大量成 果，因此它已经成为当前研究的热点。 1 3 传统预编码技术研究概要 作为提高无线通信系统频谱效率的链路自适应技术之一，m i m o 系统中的预 编码处理技术近年来获得了研究者和工业界广泛的关注。追根溯源，“预编码” ( p r e c o d e p r e c o d i n g ) 这个名词的起源早于m i m o 技术的出现，且说法不一，既可 指应用于存在符号间干扰的信道中的匹配发送技术，也可以指级联码中的外编码 器等。但是，当上世纪9 0 年代末m i m o 技术出现后，“预编码”被更广泛的用来 描述在发送端已知c s i 时对发送信号的预处理过程。这个概念逐渐获得了大家的 认同。预编码的概念最初被引入m i m o 系统中时仅局限于线性预处理操作，而现 在广义的预编码可以泛指为任何在发送端进行的预处理操作。 若收发两端都可获得完整的c s i ，采用信道矩阵的右奇异矩阵作为发送端的 预编码矩阵，同时将左奇异矩阵作为接收端的检测矩阵，从而有效地将m i m o 信 道进行对角化，获得多个并行且相互问无干扰的空间信道。同时，根据注水定理 分配各个并行信道上的发送功率，并结合自适应编码调制技术，从而能有效地逼 近m i m o 系统的信道容量在早期研究中，通常先假设信道编码和调制方式不变， 然后将预编码技术与功率或比特分配算法相结合，并对收发两端进行联合优化。 此时的优化可基于各种不同的最优化目标，包括最小化各子信道均方误差( m s e ) 之和、最大化各子信道信干噪l t ( s i n r ) 、最小化均方误差行列式等。 6 中继协作系统中预编码技术研究 1 4 中继系统中的预编码研究 协作中继系统对于无线通信发展的重要性现在已被广为认可，并且预编码技 术相对于多输入多输出系统( m i m o ) ，其通过利用信道状态矩阵来提高频谱利用率 作用显著。并且由于协作通信系统与多输入多输出系统有明显的相似性，这样我 们自然而然的想到将预编码技术引入协作中继系统中，提高协作通信系统性能， 需要指出协作通信系统中的预编码是在完全已知或者部分已知信道信息的基础上 进行中继协作处理。 文献讨 1 0 1 4 论了协作中继系统通过使用信道状态来改善其系统容量的可行 性。其中文献【1 1 】讨论了如果中继节点完全已知发射端到中继节点的信道信息时 的最优中继预编码方案，并且给出了部分已知信道信息时的次优中继预编码方案， 但是文献并没有考虑相应接收端预编码处理方案。无线协作中继系统中，发射端 预编码和中继预编码的联合预编码能够很好的提高系统性能。根据信道信息的反 馈方式，中继端反馈反向信道信息，中继可以通过信道状态互异性或者反馈机制 来反馈信道信息，发射端己知信道状态信息，接收端反馈前向信道信息，中继节 点已知其前向信道信息。通过信道信息来进行优化处理，两种优化方式分别为基 站优化方式和中继优化方式；基站优化方式，基站知道当前信道信息，集中决定 基站预编码矩阵和中继预编码矩阵，中继优化参数一旦确定，基站发送信息给中 继节点进行中继预编码，通过这种基站管理体制可以有效的降低中继节点复杂度， 但是可以看出这种复杂度的降低是以增加反馈为代价。中继端优化方式是通过终 端反馈信道信息，来确定中继节点到接收端的信道信息，进而确定优化方案来进 行预编码操作。文献【1 5 】采用基站端优化方案进行预编码操作，基站完全己知信 道状态信息，并且基站到接收端没有直传路径情况下，发送端( 基站) 采用t h 多 用户预编码策略，并且在中继节点使用自适应操作和q a m 调制方式，并且没有 对接收信号进行解码和重新编码处理，通过线性操作增加下行多用户数据传送， 联合发射端预编码和中继线性自适应操作来提高中继系统容量。 1 5 论文安排 论文第一章和第二章总结了无线协作中继系统中预编码技术的研究现状，根 据天线阵或虚拟天线阵的构造方法，可以将中继预编码技术分为三类，单中继预 编码技术，多中继预编码技术以及时域预编码技术，论文对前两种协作中继预编 码技术进行了详细研究。并且在各种优化准则下，研究了目前各种预编码技术发 展现状。 论文第三章研究单中继预编码技术。本章首先对比了各种中继转发协议的性 能，并且研究了在中继功率和接收端q o s 受限情况下的晟优预编码矩阵的设计准 第一章绪论 则，由于预编码技术要求源节点和中继节点实时获得信道信息，从而使得系统容 量最大化，这就需要的信令开销来进行反馈传输。这样会给反馈链路带来沉重的 通信负担，在g r a s s m a n n i a n 码本基础上，研究了有限反馈中继预编码技术码本设 计方案，通过仿真比较了此码本设计的有限反馈中继预编码方案性能情况。 论文第四部分研究多中继系统的预编码技术，首先研究了三种策略，分别为 迫零中继转发策略、放大转发策略以及对于信道状态矩阵进行对角化处理的预编 码转发策略，由于信号通过多个中继节点转发，接收端接收到多个信号的叠加形 式，如果各个信号的相位差别很大，那么接收端无法从接收到的叠加信号中提取 有用信号，也就无法获得多天线系统分集增益的优势，所以针对q r 分解转发协 议，我们研究了控制相位情况下的q r 分解协议，并且仿真对比了三种转发协议 的实际性能情况，进而研究了q r 分解协议的混合中继预编码协议，指出针对不 同信道场景，采用不同的混合中继预编码策略可以使得系统性能更加优化。 论文第五章对本文进行了概要性的总结与展望。 7 一 第二章协作中继预编码技术 第二章协作中继预编码技术 预编码技术都是基于m i m o 系统来研究，目前基于此系统的预编码研究已经 较为成熟。随着协作中继系统的研究日益深入，预编码技术作为一种有效的提高 系统性能的技术被引入到协作中继系统中。预编码技术是一种特有的自适应技术， 能够根据信道状态信息( 瞬时或者长期的统计特性) ，发送端自适应地改变预编码 矩阵，可以起到等效改变信号经历的信道作用，协作中继系统的协作调度往往可 以获得多用户分集增益，协作中继技术增加了系统的空间维度，因此在调度时增 加了时频域之外的空间维度自由度。本章讨论了协作中继预编码技术分类以及各 种中继协作系统中用到的预编码技术。 2 1 协作中继预编码技术分类 协作中继预编码技术与发射端，中继节点和接收端所采用的天线阵列有关， 可以根据天线阵列组成的方式不同，将协作中继预编码技术分为三类1 6 儿1 7 l ： 第一类：单中继预编码技术，只有一个中继节点，并且发射端，中继端和接 收端都安装多根天线，预编码技术应用于这种场景。 第二类：多中继预编码技术，多个中继节点参加多址接入阶段传输，并且每 个中继节点装备有多个天线，形成分布式虚拟天线阵列，预编码技术应用于分布 式场景。 第三类：时域预编码技术，通过利用多个事件连续符号来形成虚拟天线阵， 预编码技术应用于此虚拟天线阵列场景，预编码技术的引入依赖于空间一时间的 联合处理技术。 以上三种预编码技术中，第一种和第二种预编码技术主要区别是中继节点个 数的不同，及拓扑结构不同，第二种协作预编码技术主要应用于多个中继节点形 成的虚拟天线阵列，第一种协作预编码技术主要应用于发射端和接收端所形成的 虚拟天线阵，这点类似于m i m o 预编码技术。然而第三种协作预编码技术主要是 设计时域和空间域的预编码技术。本文主要讨论第一种和第二种协作中继预编码 技术，时域预编码技术本文尚未涉及。 2 1 1 第一类中继协作预编码技术 这一类预编码技术主要涉及单个中继节点，并且一般情况假设发射端和接收 端之间没有直射路径，并且根据发射端和接收端数目不同可分为以下四种类型： 单发射节点，单中继节点，单接收节点； 单发射节点，单中继节点，多接收节点； 多发射节点，单中继节点，单接收节点； 9 一 1 0 中继协作系统中预编码技术研究 多发射节点，单中继节点，多接收节点。 1 单发射节点，单中继节点，单接收节点拓扑 如图2 1 中，发射节点s ，中继节点r ，目标节点d ，并且各节点配备多根 天线，文献【1 8 】研究了当发射端和接收端直传路径不存在时，最优中继预编码矩 阵的求解算法，发射节点预编码技术将前向信道和反向信道的信道状态矩阵进行 对角化处理来得到最优预编码矩阵。文献【1 9 】利用空间复用技术来设计各种中继 转发矩阵，并且将发射节点空间复用技术和波束成型技术进行了对比介绍。通过 对信道长期统计特性的研究，文献1 2 0 给出了空间相关信道的中继预编码矩阵。 文献【2 1 】研究了多个信道，并且假设信道都为相关m i m o 信道，信号在中继节点 进行线性处理后被转发给下一个中继节点，通过对信道长期统计特性了研究，文 献指出最优预编码矩阵由信道相关矩阵的特征向量决定。文献 2 2 】研究了放大转 发中继预编码协议，并且研究码书大小对系统性能影响。 第一阶 图2 1 单发射节点，单中继节点， ， 单接收节点拓扑 总的来说对于这类拓扑结构的研究主要针对部分有限反馈和部分信道状态 信息下的预编码技术研究。 2 单发射节点，单中继节点，多接收节点拓扑 单发射节点，单中继节点，多接收节点拓扑可以简单看成传统移动通信中在 基站和用户端中间加入中继节点的推广，如图2 2 所示。文献【2 3 】研究了单个基站 通过单个中继节点服务多个用户的中继系统容量界问题，并讨论了在中继节点尽 享简单的放大转发操作性能。 第一阶段 图2 2 单发射节点，单中继节点，多接收节点拓扑 3 多发射节点，单中继节点，单接收节点拓扑 此类拓扑结构类似于第二小节拓扑结构的对偶形式，传统移动通信中在基站 朗韶 第二章协作中继预编码技术 和用户端中间在多址接入阶段加入中继节点的推广。如图2 3 ，对于此类拓扑结构， 目前尚未进行研究，这类似于m i m o 预编码技术研究，几乎大部分研究都是针对 下行多用户预编码，针对上行多用户预编码的研究很少。 r ，：；r 7 qr 。 j 之：、弓l ：m 痧| 眵 图2 3 多发射节点，单中继节点，单接收节点拓扑 4 多发射节点，单中继节点，多接收节点拓扑 如图2 4 所示，此类拓扑结构中单个中继同时服务多个发射节点接收节点 对，目前尚未看到此类拓扑的相关研究。 闩 图2 4 多发射节点，单中继节点，多接收节点拓扑 2 1 2 第二类中继预编码技术 此类中继预编码技术利用多个中继节点协作形成的虚拟天线列来进行预编 操作。中继节点接收信号后，经过中继预编码处理，最后由多个中继同时发送信 号出去，信号在接收端被接收，接收端通过接收到的多个数据进行联合处理。与 第一种中继预编码技术拓扑结构类似，第二种中继预编码技术同样可以分为以下 四种类型： 单发射节点，多中继节点，单接收节点； 单发射节点，多中继节点，多接收节点； 多发射节点，多中继节点，单接收节点； 多发射节点，多中继节点，多接收节点。 1 单发射节点，多中继节点，单接收节点 中继协作系统中预编码技术研究 如图2 5 ，这类拓扑结构中，多个中继节点形成虚拟天线阵列，从而引进预编 码技术。 s 图2 5 单发射节点，多中继节点，单接收节点拓扑 类似于第一种中继预编码技术，主要研究工作都放在单发射和单接收拓扑结 构，第二种中继预编码技术也主要研究单发射多中继单接收拓扑结构。如果发射 节点配备单根天线向所有中继节点发送信号，接着多个中继节点同时向接收端发 送信号，这种称作单流广播模式，目前大部分针对此类型的中继预编码技术主要 研究已知或者部分已知信道状态信息，中继节点通过前向信道和反向信道反馈信 息来进行最优预编码矩阵选择，如文献【2 4 】当中继节点和接收节点天线数不少于 发射节点天线数，此时发射端向多个中继通过广播形式发送信息，每个中继节点 转发接收信号，这种称作多流广播模式。文献 2 5 】研究迫零( z f ) 中继协议，中继 节点采用迫零中继预编码，并且保证所有中继节点相位相同，接收端接收信息相 位为零，防止信号相互抵消。文献【2 6 】研究了最小均方误差( m m s e ) 中继协议， 中继节点采用彪懈e 中继预编码技术，表明 办锻e 中继预编码技术性能优于z f 中继协议，不过以复杂度为代价。如果发射节点装备多跟天线，并且接收节点装 备天线多于发射端，则发射端向多个中继节点发送不同的数据流，每个中继节点 接收各自不同的数据流，并且在发送的第二个阶段以多址接入模式向接收端转发 信息，这种称为多流广播模式。文献1 2 7 研究了多流单播模式中继预编码策略， 结果证明其系统容量优于采用多流广播模式的系统容量。 2 单发射节点，多中继节点，多接收节点拓扑 如图2 6 所示，文献 2 8 】研究了在多天线协作通信中引入最大比发送和技术， 多个中继节点同时服务多个接收节点的问题，发射节点使用广播形式向多个中继 节点发送数据，中继节点根据“对称”信道和“非对称”信道类型，进行最优策略选 择，进而向接收端转发接收信号。 3 多发射节点，多中继节点，单接收节点拓扑 此类协作中继系统是上一节拓扑结构的对偶形式，目前尚没有针对此类型拓 扑结构的研究。 4 多发射节点，多中继节点，多接收节点拓扑 相 心汐 母；母 第二章协作中继预编码技术 文献【2 9 】研究了多个配备单个天线中继节点服务多个发射一接收节点对，分析 了室内环境，信道状态部分己知情况下，迫零中继协议的性能情况。文献 3 0 1 分 析了如果将多个中继节点分为两组，第一组中继节点主要是增加接收节点接收功 率，第二组中继节点主要是在接收端消除各个信道之间的干扰。文献1 3 1 1 研究了 各种中继协议的系统容量问题，并且研究了有限反馈情况下的中继转发协议问题。 图2 6 多发射节点，多中 押汐划 图2 7 单发射节点，多中 图2 8 多发射节点，多中继节点，多接收节点拓扑 2 2 预编码主要技术分类 1 4 中继协作系统中预编码技术研究 2 2 1 基于非酉矩阵完全反馈的预编码技术 基于非酉矩阵的预编码技术的研究，一般认为在各个天线上都使用相同的编 码解调方式，并且接收端能够理想已知完整的信道矩阵信息，然后考虑发射端预 编码矩阵和接收端检测矩阵联合设计问题。依据不同的设计准则和不同的目标函 数，例如，接收端均方误差最小最为目标函数，并且将这一准则推广到各个信道 的均方误差加权和；最大化信噪比准则，将均方误差矩阵的行列式作为最优化目 标；如图2 9 所示，矩阵召为发射端预编码矩阵，矩阵彳为接收端检测矩阵，矩 阵为信道状态矩阵，预编码的目的是根据某种最优化目标联合设计收发两端矩 阵b 和a ，这里我们采用最小均方误差设计线性检测矩阵a 。 一口一_ 母毒一口“磊 l - 一ln aq l 韵r 图2 9 中继预编码技术框图 4 掣= ( 吼b 色风- i - 凡) 。1 饥最 ( 2 - 1 ) 其中兄是噪声相关矩阵。在使用4 叫作为检测矩阵时，对应的第f 个空间信 道的均方误差可以表示为： m s e k ，= 【乓】。= 【( j + 乓h 仃。h - 1 巩最) ， ：l ( 2 - 2 ) 1 + 鹾，& 钆， 而相应的接收端信干噪比为： s 1 n r , ，。瓦1 1 2 3 同时，误符号率和误比特率可以表示为信干燥比函数： e ( s i n r ) = 口q ( 4 f 1 s i n r ) ( 2 - 4 ) b e r l 0 9 2m ( 2 5 ) 口和是与调制方式有关的常数，m 是星座点集合大小。 有上述可以看出，各种最优化目标函数都可以表示为预编码矩阵的函数，根 据目标函数的特征，可以使用不同的预编码矩阵形式，此时的预编码可以表示为 一个条件最优化问题： r a 。i ，nf o ( b ) 第二章协作中继预编码技术 l s s z t r ( b b 日) 弓( 2 - 6 ) 其中五表示目标函数，弓是最大发送功率。 当函数石为s c h u r - 凹函数，则最优预编码矩阵为： b = u n 人口 ( 2 - 7 ) 其中u c 肌( 三垒m i n ( l ，r a n k ( r n ) ) ) ，是矩阵r n 的最大l 个特征矢量构成的 矩阵。人占= o d i a g ( a s ，】) 】c 厶l ，是主对角上有非零元素组成，o b ，2 是根据多阶 注水算法求得的分配在每个等效子信道上的功率。由于式半正定共轭对称阵， 有= 钟k 1 h 。，当r ，= 盯2 ，时，u m 等于信道转移矩阵h 。的最大l 个奇异值 对应的右奇异矢量构成的矩阵。在预编码矩阵b 的两部分中，可以认为u 胃起到 了将信道矩阵对角化的作用。 当函数厶为s c h u r 凸函数时，最优预编码矩阵为： b = u h 人占喈 ( 2 8 ) 其中矩阵u 片和人丹的定义上面一样，矩阵是一个起到旋转作用的酉矩阵， 矩阵保证矩阵( 1 + 召r h b ) 一1 对角元素相等，此时预编码矩阵b 相对于上一种情 况增加了一个旋转矩阵，定义气，垒盯却2 ，五，垒如 1 基于m s e 准则 ( 1 ) 最小化算术平均m s e 准则 目标函数为： f o ( m s e k ，) = ( m j m s e k ，) ( 2 9 ) 则最优化问题可以表述为： 呼丢瓦1 石 q 1 0 豇气，j 弓，乙，f 0 , 1 七n 此最优化问题的解为注水算法的形式： 乙广彤碜移一硝 其中嘭为保证功率和等于常数的系数。 ( 2 ) 最小化几何平均m s e 准则 目标函数为： ( 2 1 1 ) 1 6 中继协作系统中预编码技术研究 f o ( m s e k 。，) 。e ( 懈) 则最优化问题可以表述为： 哮文i t 去厂 乇j，ii + z ，li 豇乙，f b 删z k o ，ls 七n k , t 此最优化问题的解为注水算法的形式： z k , t = ( w k 厂硝) 其中。1 为保证功率和等于常数的系数。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) 2 基于s i n r 准则 ( 1 ) 最大化( 加权) 算术平均信干燥比 以输出s i n r 为目标代价函数： f o ( s i n r k ，) = 一( 雌。，s i n r k ，) ( 2 1 5 ) 七j 则最优化问题可以表述为： m a x zw i z ki 五，i ( 2 1 6 ) 。h , i 5 ，乙，弓，缸，o ，1 七 七。 上述问题的最优解是将所有功率分给没有最大加权增益的信道中，但这个最 优解浪费严重。 ( 2 ) 最大化集合平均信干燥比 目标函数为： f o ( s i n r k ，) = 一( s i n r k ，) 。 ( 2 - 1 7 ) 其最优解为： z k 。f = 饥，j b ( 2 1 8 ) 其中吼广瓦w k , i 。 3 基于b e r 准则 最小化算术平均b e r 准则目标函数为： 五( 麟) ) = 眦， ( 2 1 9 ) 第二章协作中继预编码技术 1 7 b e r 同样可以写成m s e 的函数，将目标函数自变量换成m s e ： f o ( m s e k