（信号与信息处理专业论文）mumimo系统预编码关键技术研究.pdf

_ z 0 北京邮电大学 博士学位论文 m u m i m o 系统预编码关键技术研究 ( 申请北京邮电大学工学博士学位) 培养单位： 专业： 研究生： 指导教师： 北京邮电大学信息与通信工程学院 信号与信息处理 王绪振 吴伟陵教授 二零一零年五月 、rr 譬 、用_1 甜 一 _ | ， 人 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no f b e i ji n gu n i v e r s i t y o fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s r e se a r c ho np r e c o d i n gs c h e me si n m u - m i m o s y s t e m s ( s u b m i t t e dt ob e i ji n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n d ，_ 1e l e c o m m u n l c a t m a s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g ) b y x u z h e nw a n g d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f w e i l i n gw u m a jo r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g m a y ，2 0 1 0 - 鬟 ? 又 独创性( 或创新性) 声明 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：a 差邋日期：堕刍! 二16 = 翌 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一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：塑鲞亟r 期：兰121 二16 二查f 导师签名：；享。了f ：旷日期：歹匆九广舌7 r r i 、， 北京邮电大学博士学位论文 摘要 在多用户m i m o 系统中，系统的容量与用户的数目成线性关系， 这在理论上为m i m o 系统的发展指明了方向，同时引入了一个不可避 免的难题，多用户之间的干扰消除。通常学术界认为，多用户预编 码技术是解决这一问题的最佳途径，但这一技术严重依赖于发射端 信道信息的准确性。由于理想的信道信息在实际系统中很难得到， 因此本文重点关注在m u - m i m o 下行链路中基于部分信道信息的预编 码技术研究，其中又可以进一步分为两部分，一是基于动态c s i t 模 型的鲁棒预编码器研究，另一部分是m i s o 系统有限反馈机制的性能 分析。 由于发射端获得的信道信息对预编码系统的性能有重要影响， 因此，本文首先研究了动态c s i t 模型。研究工作考虑在如下的情形 中进行，发射端通过零误差的反馈链路获得信道信息，反馈链路具 有固定的反馈时延，用户接收端具有一定的移动速度，并且信道的 统计信息可以由训练序列得到。因为信道变化在时间和空间上都有 相关性，所以可以通过m m s e 估计理论，利用过去某个时刻的信道信 息和信道的统计信息来联合估计当前的信道信息，得到部分信道状 态信息，即引入信道的不确定性因素。 传统的预编码都是基于发射端可以获得完整的信道信息的，这 在实际系统中比较难实现。基于动态c s i t 获得的部分信道信息，本 文深入研究了不同的预编码机制，包括线性迫零预编码、线性m m s e 预编码和非线性t h p 预编码。通过拉格朗日乘数法，推导得到了相 应的鲁棒预编码的闭式表达式，仿真结果表明鲁棒预编码的性能与 反馈时延和用户的速度有密切关系，当反馈时延或者用户速度增大 时，鲁棒系统的b e r 性能会下降，这与直观理解是一致的。 另一种比较实用的消除多用户干扰提高系统吞吐量的方法是采 用有限反馈机制。在近十年内，有限反馈取得了许多重大成果，并 在商用通信系统中广泛应用。本文采用矩母函数方法进行了多输入 单输出有限反馈系统误符号率分析研究。有限反馈性能分析对于码 本设计具有指导意义，由于受多方面的因素影响，很难得到误符号 率表达式的闭式解，因此，对于误符号率下边界研究分析是有价值 的。利用接收信噪比矩母函数和误符号率之间的关系，并且对复球 体的球帽表面积做近似处理得到误符号率的下边界。该下边界表明 系统的性能受码本大小、发射天线数及调制方式影响。在实际系统 的设计中，可以根据误符号率要求得到码本大小。仿真结果验证了 理论下边界和实际仿真误符号率的误差小于0 1 d b 。 关键词：多用户m i m o ；发射端信道信息；鲁棒预编码；有限反馈系统；性能 分析 奄 b 北京邮电大学博：t 学位论文 a b s t r a c t i nd o w n l i n ko fm u m i m 0s y s t e m s i ti sr e v e a l e dt h a tt h es u mr a t e s c a l e sw i t ht h ea c t i v eu s e r s ，w h i c hg u i d e st h em i m os y s t e md e s i g ni n t h e o r e t i c a l m e a n w h i l e ，a ni n e v i t a b l ep r o b l e m ，w h i c hi sh o wt oc a n c e l t h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ，i si n t r o d u c e d g e n e r a l l y , p r e c o d i n gi s t h o u g h ta st h eb e s ta n s w e r h o w e v e r , t h i sa p p r o a c hl i e s o nt h ec s i t m u c h ，a n dt h ep e r f e c tc s i ti s h a r dt o a c q u i r ei np r a c t i c a l i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep r e c o d i n gd e s i g nb a s e do nt h ei m p e r f e c tc h a n n e l i n f o r m a t i o ni nm u m i m od o w n l i n kc h a n n e li so u rr e s e a r c hd i r e c t i o n i nd e t a i l s ，t w op o i n t sa r ec o n s i d e r e d t h ef i r s ti st h er o b u s tp r e c o d i n g s c h e m ed e s i g nb a s e do nd y n a m i cc s i tm o d e la n dt h eo t h e ri st h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fl i m i t e df e e d b a c ki nm i s os y s t e m s i n c et h ec s i tp l a y sak e yr o l ei nt h ep r e c o d i n gs c h e m e ，t h ec s i t a c q u i s i t i o nm o d e l i ss t u d i e df i r s t l y s u p p o s et h a tc s i ti sa c q u i r e db yt h e f e e d b a c kl i n k ，w h e r et h ef e e d b a c kd e l a yi sf i x e da n dz e r ob e r ，a n dt h e m o b i l et e r m i n a lm o v e sw i t hac e r t a i ns p e e d t h ec h a n n e ls t a t i s t i c sc a n b eo b t a i n e db yt h et r a i n i n gs e q u e n c e d u et ot h ec h a n n e lt e m p o r a la n d s p a t i a lc o r r e l a t i o n s ，t h ec u r r e n tc s i tc a nb ee s t i m a t e du t i l i z i n gt h e a c c u r a t eo u t d a t e df e e d b a c kc h a n n e li n f o r m a t i o na n dc h a n n e ls t a t i s t i c s i o i n t l yb yt h em m s ee s t i m a t i o nt h e o r y t h ec h a n n e li n f o r m a t i o n o b t a i n e db yd y n a m i cc s i ti si m p e r f e c tc h a n n e li n f o r m a t i o nw h i c h i n t r o d u c e st h ec h a n n e lu n c e r t a i n t y t h et r a d i t i o n a lp r e c o d i n gi sd e s i g n e db a s e do nt h ep e r f e c tc s i t , h o w e v e ri ti sh a r dt oi m p l e m e n t b a s e do nt h ed y n a m i cc s i tm o d e l ， v a r i e so fr o b u s tp r e c o d i n gs c h e m e sa r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ， i n c l u d i n gr o b u s tl i n e a rz fp r e c o d i n g ，r o b u s tl i n e a rm m s ep r e c o d i n g a n dr o b u s t 田h pp r e c o d i n g t h r o u g ht h el a g r a n g i a nm u l t i p l i e rm e t h o d ， t h ec l o s e d f o r me x p r e s s i o n so fr o b u s ts c h e m e sa r ed e r i v e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fr o b u s ts c h e m e si s 北京邮电大学博士学位论文 a f f e c t e dv e r ym u c hb yt h ef e e d b a c kd e l a ya n dm o b i l es p e e d t h er o b u s t s y s t e md e g r a d e sw h e nt h ef e e d b a c kd e l a yo rm o b i l es p e e di n c r e a s e s ， w h i c hc a nb eu n d e r s t o o de a s i l y b yt h em o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ( m g f ) a p p r o a c h ，t h es y m b o l e r r o rr a t e ( s e r ) o fm u l t i i n p u ts i n g l e - o u t p u t ( m i s o ) s y s t e mw i t h l i m i t e df e e d b a c ki ss t u d i e d t h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i s o fl i m i t e d f e e d b a c kh a sag u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h ec o d c b o o kd e s i g n h o w e v e r , i t i sd i f f i c u l tt oc o m p u t et h ed o s e d - f o r me x p r e s s i o no fs e r a sar e s u l t ，i t i s m e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t ei t s l o w e rb o u n d e x p l o i t i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nm g fo ft h er e c e i v e ds i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) a n ds e r ，t h e l o w e rb o u n do fs e ri so b t a i n e db yu t i l i z i n gt h e a p p r o x i m a t i o no f c o m p l e xc a ps u r f a c ei n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e r i v e dl o w e rb o u n d i n d i c a t e st h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e db yt h ec o d c b o o ks i z e ， t r a n s m i ta n t e n n a sa n dm o d u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ec o d e b o o ks i z ec a nb e d e t e r m i n e dt h r o u g ht h eb o u n dw h e nt h es e rr e q u i r e m e n ti sg i v e ni n p r a c t i c a le n v i r o n m e n t t h es e r b o u n di sd e m o n s t r a t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n si nw h i c ht h ee r r o ri sl e s st h a n0 1 d b k e y w o r d s ：m u m i m o ；c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r ；r o b u s t p r e c o d i n gs c h e m e ；l i m i t e df e e d b a c ks y s t e m ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 一 北京邮电大学博士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 m i m o 系统2 1 2 多用户m i m o 系统4 1 3 预编码的研究状况：5 1 3 1 信道状态信息( c s i t ) 7 1 3 2 线性预编码7 1 3 3 非线性预编码9 1 3 4 有限反馈简述1 0 1 4 论文的研究思路、内容以及结构1 1 1 5 参考文献1 2 第二章多用户m i m o 综述1 9 2 1 信号模型1 9 2 2 m i m o 系统容量 1 3 2 0 2 3 i a c - m i m o 系统容量 3 2 1 2 4 _ i l m o 广播信道2 4 2 4 1 脏纸编码2 4 2 4 2 m i m o 广播信道容量2 5 2 5 信道模型2 6 2 5 1 瑞利衰落与赖斯衰落2 6 2 5 2 c l a r k e 模型2 7 2 5 3 j a k e s 模型2 9 2 6 动态c s i t 模型3 0 2 7 参考文献3 2 第三章线性预编码3 5 3 1 引言3 5 3 2 线性迫零预编码3 6 3 3 线性删s e 预编码3 7 3 4 鲁棒z f 预编码设计4 0 3 4 1 鲁棒线性迫零预编码器设计4 0 3 4 2 仿真与性能分析4 1 3 5 鲁棒m m s e 预编码器4 6 北京邮电大学博士学位论文 3 5 1 鲁棒m m s e 预编码器设计4 6 3 5 2 仿真与分析5 0 3 6 总结5 4 3 7 参考文献5 5 四章非线性预编码5 7 4 1 引言5 7 4 2 t h p 预编码原理5 8 4 2 1 t h p 系统模型5 8 4 2 2 迫零t h p 预编码6 1 4 2 3 姗s e t h p 预编码6 3 4 3 鲁棒t h p 预编码6 5 4 3 1 鲁棒z ft h p 原理6 5 4 3 2 鲁棒删s et h p 原理6 7 4 3 3 仿真与分析7 l 4 4 结论7 5 4 5 参考文献7 6 五章有限反馈性能分析7 9 5 1 引言7 9 5 2 m i s o 系统模型8 l 5 3 误符号率分析8 2 5 4 仿真与分析8 5 5 4 1 误符号率仿真8 5 5 4 2 码本大小设计8 7 5 5 结论8 8 5 6 参考文献8 8 六章总结与展望9 3 谢9 5 读博十学位期间已发表的学术论文9 6 ， 北京邮电大学博士学位论文 m i m o m i s o 主要缩略语与符号对照表 多输入多输出系统( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 多输入单输出系统( m u l t i i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) m u m i m o多用户多输入多输出系统 a w g n加性高斯白噪声 z f m m s e t h p t d d f d d c s r r l t e b c m a c d p c r v q s n r s i n r s v d b d 口 a a c ( 口，盯2 ) 迫零( z e r o - f o r c i n g ) 最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g 时分复用( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 发射端信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n a t t r a n s m i t t e r ) 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 广播信道( b r o a d c a s tc h a n n e l ) 多址接入信道( m u l t i p l e - a c c e s sc h a n n e l ) 脏纸编码( d i r t y - p a p e rc o d i n g ) 随机矢量量化( r a n d o mv e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) 信干燥比( s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c e - p l u s - n o i s er a t i o ) 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 块对角化( b l o c kd i a g o n a l i z e ) 变量形式 矢量形式 矩阵形式 均值为a ，方差为仃2 的复高斯分布 北京邮电大学博士学位论文 矩阵a 的数学期望 矩阵a 的转置 矩阵a 的共轭 矩阵a 的共轭转置 矩阵a 的迹 n x n 的单位矩阵 对a 向下取整 对a 取模运算 实数域 复数域 矩阵a 的f r o b e n i u s 范数 向量a 的e u c l i d i a n 范数 - 翩 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统逐 渐发展到目前已经成熟商用的第三代宽带数字移动通信系统，随着人们对高传 输速率、高服务质量以及多业务等方面的要求，第四代移动通信系统l t e 也取 得了较大的进展。第一代模拟移动通信系统容量小，频谱利用率低，保密性能 差，并且不同的系统相互兼容性比较差，其中以北美的a m p s ，欧洲的t a c s 和北欧的t a c s 为代表。第二代数字通信系统以美国的i s 9 5 和日本的p d c 等 系统为代表，改善了第一代系统的不足，能提供数字话音通信，采用电路交换 方式提高了系统容量。随着国际间交流的日益频繁，人们希望移动通信系统能 够和核心网一样提供将话音、视频、数据等综合在一起的交互式多媒体业务， 这是第二代通信系统所不满足的【1 】。第三代宽带通信系统的主要以欧洲的 w c d m a ，北美c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 为代表，主要实现了以下 目标 2 1 1 3 1 ： 全球普及和全球无缝漫游系统。 夺支持多媒体业务。删规定第三代移动通信系统在快速的移动环境下最 高速率支持1 4 4 k b p s 室外到室内或者步行环境下，最高传输速率支持 3 8 4 k b p s ；室内环境，最高支持2 m b p s 。 令高频谱效率。 令更好的传输质量。 令增加分组交换业务。 增加非对称传输模式。 夺低成本，高保密性。 虽然第三代移动通信系统已经取得了一定的成果，但是引入多媒体业务以 后，对系统数据速率，用户面延迟等要求大大提高，因此第四代移动通信系统 得到了迅速发展，其中以3 g p p 的l t e 和i e e e 的w i m a x 系统为代表。l t e 规定峰值数据率要达到在2 0 m 系统带宽下，下行瞬值峰值速率1 0 0 m b p s ，上行 瞬值峰值速率5 0 m b p s 。其中主要考虑以下几个整体目标 4 1 1 5 1 ： 降低每比特成本。 夺扩展业务的提供能力，以更低的成本、更加的用户体验提供更多的业务。 夺灵活使用现有的和新的频段。 实现合理的终端功耗。 在4 g 标准的研究过程中，m i m o 技术始终被认为为关键技术，由于多天 线的引入，可以获得分集增益，大大提高了通信系统的频谱效率，但是随之而 北京邮电大学博士学位论文 来多个天线之间信号干扰的消除成为研究难点之一。 1 1 m l m o 系统 f o s c h i n i 6 ，g a n s 7 和t e l a t a r 8 的研究成果是多天线系统研究的开创 性文献，研究表明，在一定条件下，采用多天线发送多天线接收系统可以成倍 提高系统容量 9 ，信道容量的增长与天线数目成线性关系，并且根据香农信息 论，空间维数的引入为信号设计增加了额外的自由度，原本在低维空间中比较 困难的优化问题，在高维空间中有可能迎刃而解，从而获得更好的系统性能。 一般来说，m i m o 系统可以分为两种情况e 1 0 ，点对点m i m o 系统，也可看 做单用户m i m o ( s u m i m o ) 和多用户m i m o ( m u - m i m o ) 。其中m u - m i m o 又有上行 m u m i m o 和下行m u m i m o 。上行m u - m i m o 即多点接入信道m a c m i m o ，下行信道 即广播信道b c - m i m o 。具体如框图1 - 1 所示： t x 弋 r x 弋 ( a ) s u - m i m o 系统 r x ( b ) m i m o - m a c 系统 2 一 翩 北京邮电大学博士学位论文 t x ( c ) m i m o b c 系统 图1 1 m i m o 系统框图 m i m o 系统是由发射端或接收端有多个天线组成的系统，多个天线在物理意 义上是分离的，因此相对于单天线系统而言，它能够引入额外的空间自由度 1 1 1 2 ，采用适当的发射和接收算法，m i m o 系统能够极大地提高系统的频谱 效率，消除干扰以及对抗信道衰落等。分集增益和复用增益是m i m o 系统的两个 主要优点。 m i m o 空间复用技术 1 3 1 4 1 1 5 即在不同的天线上在相同的频段上同时传 输不同的数据流，其基本思想是利用空间维数。由于每个子信道是高斯的且是互 不相关的，因此通过空间复用可以提高整个系统的容量。初期的空间复用系统 是应用于低延迟的窄带系统，在以后的应用中，结合o f d m 调制技术宽带信道也 可以使用空间复用。 在每一个具体的符号周期内，编码器将m t 个复数符号 瓯 m 。t 。- 1 串并变换， 并使其模值为原来的1 胁，形成s 复数向量。假定原始编码数据流的速率为 r ，则复用后每支路的速率为尺胁。 m i m o 分集技术 1 6 1 7 1 8 是抗衰落最有效的手段之一，由于在不同的天 线上发送同一数据流的不同副本，各天线路径的衰落是互相独立的，因此，只 要有一条路径的信号足够强，就能够大大增强系统的可靠性。 实现分集的方法有很多。通过编码和交织的方法可以实现时间分集，对信 息进行编码并将编码后码元分散到不同的相干周期，从而使得码字的不同部分 经历相互独立的衰落。类似地，如果信道是频率选择性的，还可以使用频率分 集。如果信道中有多个间隔足够远的发射天线或者接收天线，则可以实现空间 3 北京邮电大学博士学位论文 分集。在蜂窝网络中，由于来自移动台的信号能够被两个基站接收，从而可以 采用宏分集。 分集增益和复用增益即分别体现了系统的可靠性和有效性，由于资源的限 制，系统的可靠性和有效性的折中成为系统设计的一个关键问题，l z h e n g 和 n t s e 1 9 2 0 做出了卓有成效的贡献，给出了分集与复用的折中关系：如果 传输速率 r = ，1 0 9 s n r 并且中断概率 p 。m ( r ) - s n r 一( 7 ) 或者更准确地讲 s n l i r 盟坐l o 器gs n r 铲刊( ，)一 () 则可以在多路复用增益为，时实现分集增益d r ) ，曲线d ( 厂) 即为分集复用折 中关系。 1 2 多用户m i m o 系统 点对点的单用户m i m o 结合空间复用技术和空时编码技术获得了复用增益 和分集增益，因此在通信系统的吞吐量和可靠性方面获得了巨大发展。多用户 m i m o 在引入额外空间维数基础上，对多个用户的信号进行区分接收检测和发射 2 1 。在上行链路中，基站端要对接收到的用户信号进行区分辨认，而在下行 链路中，由于多个用户之间互相独立，用户信号之间的互相干扰成为主要问题。 但是，多用户m i m o 系统存在着许多单用户m i m o 所不具备的优点 1 0 ： 夺由于所谓多用户增益的存在，即在某一时刻，系统总能找到传输条件比 较好的用户进行数据传输，因此多用户m i m o 系统的容量得到提高。多 用户增益即当用户数目很多时，多用户m i m o 系统容量和活动用户的数 目成线性关系，具体关系如下 2 2 ： e ( r 脚)， 恕而蒜钉 【，* l o g l o g l 聊l 其中，为可以服务的最大活动用户数目，u 为总的用户数目，且每 个用户上具有m 根天线。以上结论表明在完全信道状态信息下，系统 通过选择个用户，可以达到复用增益。 夺多用户m i m o 系统能够避免单用户m i m o 的一些缺陷，如信道的秩缺失、 4 愆 ， 一j 北京邮电大学博士学位论文 天线之间相关等，由于有多个用户且多个用户之问互不相关，用户之 间的天线肯定不相关，同时可以选择传输条件好的用户避免信道秩的 缺失。 令由于多个用户互不相关，多用户k l i m o 系统不需要多天线的终端来获得 复用增益，从而可以允许用户使用更小更便宜的终端设备。 多用户m i m o 系统虽然具备以上优点，但它是以接收端能够获得信道状态信 息为基础的，从而利用空间上的特性来为空间复用的多个用户服务。一般情况， 通信系统采用反馈方式告知发射端信道状态信息，这对于系统上行链路的容量 是一个沉重负担。 为了获得多用户m i m o 中的多用户增益，消除多用户之间互相干扰，近十年 中人们普遍采用发射端预编码、接收端反馈信道信息和多用户调度策略等方法。 其中，预编码机制主要有线性最小均方误差( 姗s e ) 预编码器、线性迫零预编 码器、矢量扰动预编码器、脏纸编码技术和t h p 预编码器。反馈技术主要有矢 量量化反馈、降维反馈、统计信息反馈等。最后，多用户调度策略有基于最大 化和速率的 2 2 2 3 、贪婪算法 2 4 2 5 2 6 以及随机用户调度算法 2 7 等。 1 3 预编码的研究状况 预编码技术是在信号发射前，对要发射的信号结合发射端已知的信号状态 信息进行的操作处理，以达到消除数据流之间或者用户之间的干扰，提高系统 容量的目的。一个典型的预编码系统如图1 - 2 所示，接收端根据导频信息进行 信道信息估计，可以获得较为精确的信道信息，然后把处理后的信道信息反馈 给发射端。用户的数据经过编码器送入预编码器，预编码器结合反馈得到的信 道状态信息根据一定的准则如吞吐量最大化等对输入信号进行操作，然后进行 天线端口映射、资源映射等操作，然后由射频单元发射出去，接收端接收到信 号经过o f d m 反解调，空时编码检测等把有用数据恢复出来。其中，编码器主要 包括信道编码、块交织和符号映射。一般来讲，编码器主要分为两类：空间复 用编码器和空时编码器。而预编码器主要有两个功能，一是把输入数据流根据 信道状态信息映射到正交的信道特征方向上，这样正交的信号之间互相不会有 干扰；二是功率分配，根据信道状态信息给不同特征方向上的数据流分配不同 的功率 2 8 。 5 北京邮电大学博士学位论文 图1 2典型预编码示意图 发射端信道状态信息对于系统的预编码具有重要影响，根据信道状态信息 是否完整，可以把预编码分为基于完整信道状态信息的预编码和基于部分信道 信息的预编码，如图1 - 3 。在这两大部分中，又可以根据是否存在非线性操作， 分为线性预编码和非线性预编码。根据不同的设计准则，也可以把预编码分为 迫零( z f ) 预编码，最小均方误差( m m s e ) 预编码等。 下行多用户m i m o 预编码技术 发射端已知信道状态 信息 非 线 性 预 编 码 发射端已知部分状态 信息 图1 3预编码分类框图 由于精确的信道状态信息的获取比较困难，因此对反馈的信道信息进行量 6 一 一 北京邮电大学博士学位论文 化或进行一系列的操作，设计性能较好的码本，从而以反馈码本索引的方式告 知发射端信道状态信息的方法受到了人们的广泛关注，其中，基于g r a s s m a n n i a n 子空间封装的码本设计方法、基于矢量量化( v o ) 的码本设计和基于随机矢量 量化( r v o ) 的码本设计取得了较好的性能 2 9 3 0 3 1 。基于离散傅里叶分解 的码本设计方法在 3 2 中第一次提出；基于的最小化b e r 的方法在文献 3 3 做 了深入研究。 1 3 1 信道状态信息( c s i t ) 一般来说，根据获取信道信息的完整性，信道状态信息可以分为完全信道 状态信息和部分信道状态信息。由于无线信道的随机时变特性，完全的信道状 态信息很难得到，仅具有很好的理论研究价值。而在实际系统应用中，发射端 只能获得部分信道状态信息，因而基于部分信道信息的预编码技术受到学者的 广泛关注。 在闭环系统中，发射端主要通过接收端反馈的方式来获得信道信息，存在 反馈时延和调度延迟等，影响即时信道信息的精度。在开环系统中，信道信息 互易得到广泛应用，其中天线的校准误差和c s i t 的处理时延严重影响了c s i t 的精度，可以采用特定的信道参数，如莱斯信道的直射径系数或者信道的条件 数等来获得信道的即时信息。而在快变信道或者具有较长时间的时延的系统中， 可以根据一段时间的实时信道信息来获取信道的统计信息，如信道均值或者信 道的协方差等，来为下一时刻或下一段时间的预编码提供信道信息。在本文中， 大部分的预编码工作是基于不完全信道信息的。 1 3 2 线性预编码 线性预编码可以看作为广义上的空分多址接入，即在发射端每个用户的数 据都被分配不同的预编码器，用以消除干扰，提高系统吞吐量。预编码器的设 计是基于信道信息的，主要有基于迫零和最小均方误差( m m s e ) 准则。 从实际系统角度来看，一般可以根据一些性能标准来设计预编码器，如和 速率、误码率、信干噪比等。其中，容量最优的预编码器设计是比较困难的， 可以分为以下两种情形：一是固定每个用户的信干噪比，最小化发射功率；另 一种为固定发射机发射功率，最大化每个用户的信干噪比，解决这类问题通常 采用迭代算法 3 4 。 假定e 为用户詹的预编码器矩阵，s 。为用户七的有用信号矢量，那么用户七 7 北京邮电大学博上学位论文 的发射信号即为b s 。，并且基站同时可以为k 个用户服务，多用户m i m o 系统中 下行链路接收端接收信号可以表示为： y t = h t e s t + 心罗b s ，+ n i l 二订k 如果每个用户有m 。个天线，那么每个用户最多能解调& sm 。个数据流。 一种简单的用来获得线性预编码器的方法，即根据迫零或者最小均方误差 准则来求解多用户信道矩阵的逆矩阵 3 5 ，尤其是当接收用户的数据流和接收 天线都为1 时，h 。= h 。为行向量，预编码器为多个用户的组合信道 h j ，h ；，h 要1 i 的右伪逆矩阵或者是m m s e 伪逆矩阵。 另外一种应用比较普遍的预编码构造方式是块对角化。假定每个用户的天 线数目和数据流数目相同且都大于1 ，服务用户的天线总数和发射天线相同， 则可以采用如下设计预编码器来消除用户之间的干扰： h ，e o , v i k 所以接收到的信号可以表示为y 。= h 。r s i - i - n 。 如果定义 矗。= h j ，h t - 。，h t m ，h 王1 i ，预编码矩阵b 即在宜。的零空间中，宜。的奇 异值分解有 豆t u k d t 1 h 其中，o 。和或分别为f i 。的左奇异向量和奇异值矩阵，叫1 和o ) 为豆。的右奇 异向量，分别对应着豆。的非零奇异值和零奇异值，则预编码器e 为右奇异向 量o ) 的线性组合。如果自。为满秩的，若能得到上述的预编码器，发射天线的 数目必须要大于或等于所有用户天数数目的综合，以满足维数的限制 3 6 。 在b d 算法的基础上，可以采用注水定理来对发射功率进行优化。如果发射 天线的数目大于接收天线总数，还可以对特征模式或者选择条件较好的天线来 进行数据传输 3 7 。显而易见，b d 算法的一个缺陷即为发射天线的数目要不小 于接收天线的总数，这在有些场景是不合理的，可以采用接收端和发射端联合 优化，但是比较困难获得接收机处理器和预编码器的闭式解 3 8 3 9 。 8 北京邮电大学博士学位论文 1 3 3 非线性预编码 线性预编码结构简单，但是性能要远远差于非线性预编码，尤其是当可供 服务的用户数目比较少时。非线性预编码主要是通过对对发射信号进行了额外 的非线性操作，以此来提高系统的误码率性能，主要有两种非线性预编码在近 期获得广泛关注，一是采用了矢量扰动预编码，另一个是t h p 预编码。 为了避免迫零预编码器中由于矩阵求逆而产生的功率放大情况，矢量扰动 预编码对发射信号进行取模操作运算来扰动发射矢量e 4 0 ，而寻找最优扰动矢 量为一寻找最小距离的问题，可以采用球译码或者贪婪算法。假定k 个用户， 每个用户只有一个天线，发射端有个发射天线，那么多用户信道h 的大小为 kx n 。寻找最优的扰动矢量就是寻找矢量w 使发射功率最小化， w a r g w 瑰。f i g ( s + w ) 1 1 2 g 为发射矩阵可以有z f 或删s e 预编码器构造，且满足t r ( g h glsp ，s 为已 调制好的有用信号矢量，彳代表调制星座的大小，如q p s k 星座调$ oa 一2 ，c z 置 为k 维的复格形图。通过z f 或删s e 预编码器进行预处理以后，星座图不可避 免的会受到扭曲，由于有矩阵求逆的处理，一般情况功率都会被放大，如果通 过取模操作把受到扭曲的星座点恢复到和原星座点具有最小距离的星座点，就 可以消除功率放大作用 4 1 。 另外一种受到广泛关注的非线性预编码为t h p 预编码 4 2 ，t h p 预编码首先 作为一种时域均衡器提出的，由t o m l i n s o n 4 3 和h a r a s h i m a 4 4 分别于1 9 7 1 和1 9 7 2 年提出。在t h p 预编码器结构中，对调制后的信号进行非线性取模操作， 如果发射符号的对应的星座点超出4 ，那么对其进行非线性取模操