（通信与信息系统专业论文）双向中继信道预编码技术研究.pdf

摘要 随着现代科技的快速发展，人们对无线通讯业务的要求不断提高，有限的频 带资源逐渐难以满足各种日益增长的无线通信业务需求，未来无线通信系统将在 高传输速率、高可靠性以及多元化服务等方面面临诸多挑战。因此，如何提高无 线资源的使用效率变得至关重要。预编码技术作为抵抗信道衰落、抑制多用户干 扰、提高频带利用率的有效手段而逐渐被人们所重视。本文主要研究了双向中继 信道上用户节点的预编码设计方案。 本文首先对预编码国内外研究现状进行了分析，重点阐述了点对点信道模型 下在已知完全信道状态信息和在有限信道反馈情况下的预编码算法，并简要探讨 了m i m o m a c 和m i m o b c 信道下的预编码方案。 其次，本文着重研究了基于网络编码的双向中继信道模型，详细推导了a f 和 d f 中继转发模式下三阶段中继和两阶段中继方案下的可达速率区域，并通过性能 仿真比较了各方案的优势和不足。 最后，针对三阶段中继转发模型，本文对基于容量最大的预编码方案进行研 究，通过仿真结果分析不同情况下的预编码设计方案的优劣，并对a f 转发方式给 出了一种新的基于信道矩阵选择的预编码算法。 关键词：m i m o 中继双向信道预编码a fd f a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sg r o wr a p i d l ya n dt h el i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ec a n n o tm e e t t h e m 1 h ec h a l l e n g e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r eh i g ht h r o u g h p u t ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y o fw i r e l e s sw i l lb ee s s e n t i a l a sa l le f f e c t i v ea p p r o a c ht oc o m b a tc h a n n e l f a d i n g ， m i t i g a t em u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c ea n de n h a n c et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , p r e c o d i n gi s r e g a r d e dg r a d u a l l yv a l u e db yp e o p l e t h i sm a j o rr e s e a r c h e st h ep r e c o d i n go f u s e rn o d e s o nt h eb i d i r e c t i o n a lr e l a yc h a n n e l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ep r e c o d i n g t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ea l g o r i t h mo fp 2 pm o d e l0 1 1t h ec o n d i t i o no fk n o w nc h a n n e l s t a t ea n dl i m i t e dc h a n n e lf e e d b a c k w ea l s oc o n s i d e rt h ep r e c o d i n gs t r a t e g i e so n m i m o m a ca n dm i m o b cc h a n n e l s s e c o n d l y , t h et w o w a yr e l a yc h a n n e lb a s e do nn e t w o r kc o d i n gh a sb e e ns t u d i e d w eg i v ead e t a i ls t r a t e g yo ft h ea c h i e v a b l er a t ea r e a so ft h et h r e e s t a g ea n dt w o s t a g e r e l a ym o d e su n d e ra fa n dd fm o d e l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s e s t r a t e g i e s a l ec o m p a r e db ys i m u l a t e dr e s u l t s f i n a l l y , w es t u d yt h el a r g e s t - c a p a c i t y b a s e dp r e c o d i n gt e c h n o l o g yo ft h r e e - s t a g e r e l a ym o d e l ，a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i ss t r a t e g yu n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o n s ，a n df o ra ff o r w a r dm o d e l ，p r o p o s ean e wc h a n n e lc h o o s e b a s e dp r e - c o d i n g a l g o r i t h m k e y w o r d ：m i m or e l a yt w o w a yc h a n n e lp r e c o d i n g a fd f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 作为当今世界最活跃的科研领域之一，无线通信在过去的几十年里获得了飞 速的发展。特别是近年来，随着无线移动用户数的急剧增加、用户对业务要求的 不断增长以及现代技术的飞速发展，无线通信技术的速度以及应用领域更是超过 了固定通信技术。商用无线网络发展到今天已经经历了三代，并且还在不断向前 演进。第一代( 1 g ) 移动通信系统是模拟通信系统，它的接入方式是频分复用 ( f d m a ) ，但由于其容量小、可靠性低等局限性，很快便被第二代窄带数字移动 通信所取代。第二代( 2 g ) 移动通信以至今仍广泛使用的全球移动通信系统( g s 为代表，它大大提升了通话质量和系统容量，而且除语音外还能提供一些数据业“ 务。第三代( 3 g ) 移动通信系统则以支持多媒体业务为主要特征，它部分实现了用户 对无线通信移动性和业务多样性的要求，提供了包括语音、数据、传真、多媒体 娱乐和全球无缝漫游等在内的各种业务，在高速移动时还可以达到1 4 4 k b i t s 的峰 值速率。如今，第四代宽带高速移动通信系统标准i m t - a d v a n c e d 正在制定当中， 它吸收了多种先进无线通信技术( 如多天线和中继技术等) ，可以提供1 g b i t s 的峰 值速率，支持交互多媒体业务、高质量影像、3 d 动画和宽带互联网接入，是无线 通信发展中的一次重大飞跃。 随着无线通信技术的不断发展以及移动互联网的兴起，无线通信系统对传输 速率和容量等方面都有了更高的要求，传统的无线通信技术已不能满足未来移动 互联网增长的需求，如何利用有限的无线频谱资源来满足不断增长的通信技术要 求也就成为一个重要的研究课题。近年来，多输入多输出( m i m o ) 技术的提出使 在无需损失额外频带和发射功率的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率 成为可能，它正以其容量大且可靠性高的优势谱写着高速无线传输的新篇章。 1 2m i m o 技术简介 本节简要介绍m i m o 技术产生及发展概况，并对m i m o 系统的传输方案予以 描述。 m i m o 系统的基本思想是：在通信系统的发送端和接收端配置多根天线，利 用信号传播空间里丰富的散射等空域资源，将多径传播转变为有利条件，形成多 2双向无线中继信道预编码技术研究 个物理射频链路，从获得空间自由度等方面来提高系统容量或者增强系统的鲁棒 性【l j 。 m i m o 技术最早于1 9 0 8 年由m a r c o n i 提出用来抵抗无线衰落。2 0 世纪7 0 年 代有人提出将m i m o 技术用于通信系统。进入9 0 年代，b e l l 实验室的学者t e l a t a r 对m i m o 技术的研究为该技术应用于无线通信奠定了基础并产生了巨大的推动作 用，并于1 9 9 5 年论述了衰落信道中的m i m o 系统容量。到了1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了一种m i m o 信号处理算法一一对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法 【2 】，在理论上此方法可以逼近信道容量的下界。而在1 9 9 8 年t a r o k h 等又给出了用 于m i m o 系统的s t t c ( 空时格码) 技术1 3 1 ，它将a l a m o u t i 双路发射分集方案推 广到多个发射天线的情形。同年w o l n i a n s k y 等人建立了基于垂直贝尔实验室分层 空时( v - b l a s t ) 算法的m i m o 实验系统 4 1 ，在室内试验中该系统的频谱利用率 达到2 0b i t s h z 以上，而这一频谱利用率在传统系统中是难以实现的。这些具有历 史意义的工作为m i m o 无线通信的发展奠定了理论基础，使得之后的m i m o 相关 技术研究工作得到迅速发展。 贝尔实验室t e l a t a re 和f o s c h i n igj 分别独立地研究了高斯噪声下m i m o 信 道理论上的s h a n n o n 信道容量f 5 】【6 l 。他们的研究表明：在各天线相互独立的情况下， 对于发送端和接收端配置天线数分别为m 和r 的无线通信系统，在接收端己知信 道传输特性的情况下，系统容量将会随着收发天线数中较小的一方( 即m i n ( n , ，) ) 的增加而线性增加。而增加的这些信道容量可用于提高信息传输速率，也可以通 过增加信息冗余来提高系统传输可靠性。有研究表明，在相同的发射功率和传输 带宽条件下，m i m o 系统的信道容量比s i s o 系统的信道容量高4 0 多倍1 2 j 。 信息理论的研究结果为m i m o 技术的应用提供了理论支持。在移动通信系统 中，基站和移动台放置多个天线，这就构成了一个m i m o 通信链路，从而提高了 基站移动台之间链路的系统容量，使通信效率得到极大的提升。而与传统的分布 式天线系统相结合构成的分布式m i m o 系统结构不仅具备了传统的分布式天线系 统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还能够显著提高信道容量。 与集中式m i m o 相比，分布式m i m o 系统中基站天线之间距离较远，不同天线与 移动台之间形成的信道衰落可以看作是不相关的，信道容量也更大，同时分布式 m i m o 系统也具有良好的扩展性和灵活性。 m i m o 系统成功突破了s i s o 信道容量的瓶颈，推广了传统s h a n n o n 信道容量， 从而提供了解决未来无限互联网和移动通信系统中的业务容量需求等问题的方 法。 第一章绪论 3 1 2 1 常用m i m o 技术 受到系统配置天线数的限制，m i m o 系统的各项性能不可能同时达到最优， 因此我们需要对它们做一个折中，根据不同的侧重点，就构成了不同的m i m o 技 术的种类。本节我们对常用的m i m o 技术做一个简单的介绍。 空间分集技术 为克服信道衰落，我们可以传输多个独立信号样本，由于所有信号同时受到 相同信道衰落的影响的概率很小，所以这样在很大的概率上就可以保证收到的信 号质量较好。由电磁场的理论可知，在空间上的细小变动将可能引起场强的较大 变化，因此如果使用多个相距一定距离的接收信道，即接收端采用多根天线独立 的接收同一信号，则其衰落程度将被大大减小，这就是空间分集。经测试发现， 为获得空间分集增益，两根接收天线的间距应大于0 6 个波长，且最好选在l 4 波 长的奇数倍附近。 在分集接收的过程中，接收端从n 个统计不相关的支路上获得同一信号，再 通过合并技术来获得分集增益来对抗信道衰落。从准则和方式来考虑，分集合并 方式可以分为最大比合并、等增益合并和选择合并。值得指出的是，当分集重数 较大时，采用等增益合并的增益与最大比合并的增益大致相同，但显然等增益合二：；， 并实现起来要比最大比合并简单的多。 空间复用技术 相对于单天线系统，m i m o 系统利用v - b l a s t 等空间复用技术来提高传输速“ 率。空间复用技术中的一个难点是如何将多个混叠的数据流分离，这主要使用串 行抵消等检测技术实现，但当数据流数量增多时，这类方法的实现复杂度也将大 幅增加。另外，为减少接收端处理信号的复杂度，干扰抵消也可以在发射端实现， 这也就是预编码技术。 波束成型技术 所谓波速成型就是指根据当前的信道信息来对同一符号不同的复数因子加权 之后通过每个发送天线发送或对不同路径的到达信号进行相干合并的技术。通过 波速成型可以获得分集和阵列增益 r l ，所以我们可以用它来增强小区覆盖。此外， 还可以用随机波速成型技术来随机化信道增益，从而使多用户系统中的用户调度 更加公平。 多用户技术 多用户传输是指多个用户在同一频段上同时与基站进行通信，这样可以极大 地提高频谱利用率。相对单用户来说，多用户传输要复杂得多，这主要体现在用 户调度和用户间的干扰抵消两方面【8 j 。当用户数大于基站天线数时就需要有用户调 4 双向无线中继信道预编码技术研究 度，其准则主要有最大化系统和速率、最小化用户间干扰和公平准则等。在选定 用户之后，由于用户间的干扰，接收信号质量会受到很大的影响。这时候就需要 进行用户间的干扰抵消，由于一般情况下用户不知道其他用户的信息，则就需要 在基站上对各用户的信号进行如脏纸编码、迫零预编码以及正交空分复用等的预 处理。 1 2 2m i m o 系统的传输方案 m i m o 技术实际上就是空时信号处理技术，它将时间域和空间域结合起来， 通过信道环境中的随机衰落和多径传播来提高性能，其传输方案也在发送端和接 收端是否知道信道状态信息的条件下有不同的划分。 发送端和接收端均未知信道状态信息 这种情况下的有关编码方法主要有差分空时编码【9 】和酉空时编码【1 0 l 等，这些编 码方法可以避免m i m o 系统复杂的信道估计过程，从而大幅度降低收发间的信令 开销。但是这类技术在性能方面受到诸多因素的影响，还有待深入研究。 只有接收端已知信道状态信息 对于点对点的单用户系统，传统的m i m o 技术主要有三类：贝尔实验室分层 空时码( b l a s t ) ，它要求天线间信道互相独立，包括d b l a s t 、v - b l a s t 和 h b l a s t 等，主要用来实现空间复用增益；空时编码，它主要实现空间分集，是 利用空间多路传输来获得空间分集增益，它由a l a m o u t i 首先提出的i l ，主要包括 基于正交化设计的空时分组码( s t b c ) 【3 1 、基于网格编码思想的空时格码( s t t c ) t 1 2 】 和适合任何天线数配置的空时分组码，空时编码对系统天线间的相关性要求不高， 具有很强的实用性：混合两种增益性能的编码技术，即考虑传输速率和系统误比 特率的折中【1 3 l 。此外还有采用线性疏散码的构造方法【1 4 】。 对于多用户m i m o 系统来说，由于用户间具有较大的干扰，在利用单用户 m i m o 的技术时还需要借助一定的干扰消除技术。 发送端已知信道状态信息 发送端在已知信道状态信息的情况下，多天线将带来更高的系统性能增益。 例如对一个接收端和发送端分别配置天线数为4 和2 的m i m o 系统，在独立同分 布的平坦衰落信道下，当信噪比为5 d b 时，发端已知信道状态信息会使系统容量 翻倍，而在信噪比为5 d b 时，系统容量可以额外增加1 5 b p s h z ”】，这样的信噪比 范围在实际系统，如w i f i 和w i m a x 中是比较常见的。在非独立同分布的信道条 件下，发送端已知信道状态信息将会带来更大的性能增益。 m i m o 预编码是一种利用信道状态信息对发送信号进行预处理，以提高系统 第一章绪论 5 性能的技术。利用这项技术，我们可以减少用户间的干扰、抵抗信道衰落造成的 影响，从而使信号能够更好地适应信道传输，并能够提高频带利用率等。关于预 编码的相关理论我们将在下一节进行讨论。 1 3m i m o 预编码技术 作为提高无线通信系统的频谱效率的链路自适应技术之一，m i m o 预编码技 术获得了广泛关注。其实“预编码”这一名词的起源甚至要早于m i m o 技术的出 现，起初对于这项技术的界定并不统一，它既可以指级联码中的外编码器，也可 以指应用于存在码问干扰的信道中的匹配发送技术。而在2 0 世纪9 0 年代末m i m o 技术出现之后，“预编码 这一名词开始广泛的用来表示当发送端已知信道状态信 息时，对发送信号所进行的预处理过程。起初它仅限于线性操作，但是随着它不 断被研究、发展到现在，广义预编码可以泛指在接收端进行的任何预处理操作。 1 3 1 信道状态信息的获取 预编码技术的关键是发送端如何获取信道状态信息，以及如何利用这些信息 对发送信号进行优化处理。在一个通信系统中，发送端可以通过互易调用或使用 反馈来获得信道状态信息。 对于时分双工( t d d ) 系统，通常利用上下行链路的对偶性。时分双工系统的 上行链路和下行链路通常具有相同的天线和频率带宽，当两条链路之间的间隔与 信道相干时间相比可忽略时，两条链路所经历的信道是完全或者是近似相同的。 但是，由于上下行链路不可能同时使用同一频率，则这种方法只能获得近似相同 的信道状态信息。 对于频分双工( f d d ) 系统，一般采用反馈技术【1 6 1 获取信道信息，即发送端在 发送信号的同时发送导频信号，接收端根据接收到的导频信号估计信道状态信息， 然后通过特定的反馈链路将信道状态信息反馈回发送端。这种方式不受关于频率 和天线空间分布等的限制，且得到的信道状态信息更加精确，但是会占用一定的 反向链路资源，同时还会带来反馈延迟。 1 3 2 预编码的分类 预编码大致上可以分为线性预编码和非线性预编码。与非线性预编码相比， 线性预编码有较低的复杂度且在实际系统中更易实现，其中具有代表性的有基于 6 双向无线中继信道预编码技术研究 迫零( z f ) 的线性预编码【l 刀和在此基础上提出的两种改进的线性预编码方法：块对 角化( b d ) 和连续优化( s o ) 预编码，它们的主要目的都是要最大化用户的信干噪声 比( s i n r ) ，但这类方法对接收端发送端天线有一定要求。另一种线性预编码方法【l 硼 是将用户信漏噪声比( s l n r ) 作为设计标准，这种方案可以防止噪声的进一步扩大， 且对收发天线数没有限制。此外还有最小均方误差( m m s e ) 预编码方法、奇异值分 解、特征矢量以及最大比传输( m r t ) 预编码方法等，具体内容我们将在后文详细讨 论。 非线性预编码主要有脏纸编码( d p c ) 1 9 3 0 3 1 】，t o m l i n s o n h a r a s h i m a 预编码 ( t h p ) t 2 2 ，2 3 】等。脏纸编码在理论上最接近m i m o 信道的容量上限，但是由于其算法 的复杂度高且实现困难，从而又提出了一种在复杂度和性能之间折中的编码方案， 即为t h p 方法。在不考虑功率增益的情况下，t h p 在容量上接近m i m o 信道容量， 并且在发送端已知信道完全状态信息的情况下，可以获得满足要求的误差性能， t h p 是一种能够兼顾性能和复杂度的预编码算法。 1 3 3 预编码技术研究现状 预编码技术已经在无线网络宽带技术w i m a x 标准i e e e 8 0 2 16 e 和3 g p pl t e 等无线通信系统中得到了应用。随着无线通信技术的发展及硬件设备性能的提高， 预编码技术在未来通信系统中的应用将会具有非常广阔的前景。 目前对m i m o 系统预编码技术的研究大多都是在假设发送端和接收端已知完 全或部分信道状态信息的条件下进行的。由于实际系统中存在一定的处理时延且 无线信道本身具有的时变特性，信道状态信息是很难得到的，因此，在探讨如何 得到更加完善的信道状态信息的时候，我们还需要对在系统只有不准确的信道状 态信息的情况进行研究口4 1 1 2 5 1 。 1 4 中继技术简介 对协同中继系统的研究最早可以追溯到四十多年前，v a l ld e rm e u l e n 在1 9 6 8 年提出了三终端中继信道，并初步推导了这种系统的信道容量上下界1 2 6 1 1 2 7 。之后， c o v e r 又对这些研究进行了拓展，做出了不少标志性的贡献。但是到了上世纪八十 年代，有关协同中继系统的研究逐渐减少，直到本世纪初才再次引起了研究者的 广泛关注。中继协作通信的基本思想是使用中继节点将接收到的信号处理之后再 进行转发，它是利用一个或多个中继节点帮助一对或多对节点通信的技术。采用 中继可以为通信的节点提供额外的分集增益、提升系统的可达速率并改善接收节 第一章绪论 7 点的误码率性能。同时，中继技术还是提高移动用户在小区边缘通话质量的有效 手段之一。另外，引入中继节点还可以节省终端发射功率，延长终端电池寿命。 1 4 1 中继传输策略 在中继协作通信系统中，中继上的传输策略对系统的性能具有极其关键的影 响，近几年来对中继传输策略的研究已成为热门的领域之一。目前，中继传输策 略主要有放大转发) 、编码转发、译码转发( d f ) 、压缩转发( c o m p r e s sa n df o r w a r d ， c f ) 、计算转发( c o m p u t ea n df o r w a r d ，c f ) 等。 l a n e m a n 等人早在2 0 0 1 年就提出了协作通信系统中的中继a f 方案【2 8 】，中继 节点通过对接收到的发送端信号进行放大转发来实现系统的分集增益，基站将中 继转发信号和发送端直接发送信号进行合并判决。尽管中继处理时放大了噪声， 但由于接收端收到的是两路独立信号，所以最后还是能够做出较好判决。a f 方案 因其低复杂度和算法简单的特性已成为应用非常广泛的转发方案之一。2 0 0 7 年， t c u i 、t h o 和j k l i e w e r 将a f 应用到多中继网络中并与网络编码技术相结合，通 过分析其中断概率和遍历容量证明了其良好的性能【2 9 】。到了2 0 1 0 年，f r o e m e r 和m h a a r d t 等人又将a f 引入到m i m o 系统中并对其进行研究，提出了改进后的 具有更低复杂度的方案【3 们。 2 0 0 2 年，t e h u n t e r 等人又提出了一种通过两条不同的且相互独立的衰落信道 来发送每个用户码字的不同部分的编码协作方案，它实现了较a f 方案更好的性能 3 q 。随后，t e h u n t e r 和n o s r a t i n i a a 等人对这种编码协作方案分别在在慢衰落和 快衰落信道下进行了深入的探讨【3 2 l 。2 0 0 8 年，a l a z e m f 等人提出了无线网络中的 自适应编码协作方案，进一步提高了该方案的性能，并拓展了它的应用领域【3 3 1 。 译码转发方案是由s e n d o n a r i 等人在2 0 0 4 年提出来的1 3 4 1 1 3 5 】。在这种方案下， 中继节点对接收到的信号先进行译码，然后对译码信息重新进行编码调制，再发 送到目的节点，这样就有效地消除了高斯白噪声的影响。d f 在高信噪比条件下优 异的性能使得它的应用领域异常广泛。2 0 0 8 年，l uz h a n g 和c i m i n i l j 等人将d f 方案扩展到自适应译码转发中，并应用到多源多宿网络1 3 6 。次年，u y s a l m 等人又 根据d f 的原理提出了一种新的中继选择策略 3 7 1 ，引起了广泛的关注。 2 0 0 5 年，y m a n q i 等人在压缩转发的基础上，设计了一种新的量化方案【3 8 1 ， 这种方案在不降低失真度的情况下，提高了压缩效率并降低了系统的复杂度。而 在2 0 1 0 年，j o s e pv i d a l 等人又将压缩转发推广到m i m o 系统中，并且证明了在已 知信道状态信息的情况下，压缩转发方案可以实现相较于d f 更优异的性能。 b n a z e r 等人在2 0 0 8 年针对多源多中继的网络提出了计算转发方案【3 9 】，从而 8 双向无线中继信道预编码技术研究 大幅提高了系统的性能，随后又将n e s t e dl a t t i c e 码引入计算转发方案中，进一步拓 宽了这种方案的应用环境。2 0 0 9 年，j i e n i n gz h a n 等人将计算转发应用于m i m o 系统，然后又推广到双向中继网络中，与传统的中继传输策略进行了比较分析【删。 由于固定中继主要采用放大转发方案和译码转发方案作为传输策略，所以本 文主要基于这两种转发方案进行讨论。 1 4 2 中继网络结构分类 协作中继可以有多种分类方式，如按中继数量可以分为单中继模型和多中继 模型，还可以按照网络结构分为双跳和多跳模型。本文主要研究单中继双跳模型， 这种模型中比较典型有t 型中继网络和双向中继网络。 t 型中继网络模型 图1 1m i m o 单中继t 型网络模型 图1 1 是典型的包含一个源节点和一个目的节点的单中继通信系统模型。对于 具有一个中继的系统提出了两种基本的转发策略译码转发和压缩转发。采用 这些技术可以得到一些经典中继信道的信道容量。当发送节点和目的节点之间直 接链路信道损耗较大时，可以假设发送节点和目的节点间无直接链路，即发送节 点将信息编码发送给中继，目的节点只接收来自中继转发的信息。此时图1 1 的三 节点中继系统模型便成了具有一对收发节点的单跳中继网络模型。针对该种网络 模型，可以证明将中继转发矩阵设计成使发送节点和目的节点间形成相互独立的 并行信道的结构是一种最优解决方案。引入单向中继后，实际系统中原来的盲点 区域可以通过部署中继站来解决覆盖，从而保证这些区域可以通过中继的转发来 得到基站的数据，另外，还可以部署在一些热点区域中，利用提高系统容量来保 证区域中的高速率要求。 从单向中继模型可以看出，在提高边缘用户性能的同时，它也浪费了时隙等 一些资源。因此，单向中继主要用于扩大覆盖，而无法有效提高系统的频率效率。 双向中继信道 为克服单向中继信道在无线传输频谱上的不足，学者们提出了双向中继信道， 但受到早期传统路由器只能是存储转发模式观念的限制，提高频谱效率的问题在 很长一段时间内都没有找到有效的解决办法。直到2 0 0 0 年，r a h l s w e d e 等人创造 第一章绪论9 性的提出了网络编码这个全新的概念【4 1 1 1 4 2 1 ，它巧妙地将编码与中继有机地结合起 来，构建了一个全新的网络结构体系。在中继节点上应用网络编码技术，可以获 得更高的吞吐量和更广的覆盖范围。 无线双向中继网络的基本思想是两个源节点通过中继节点进行信息交互。根 据交换信息所占用的时隙多少，可以分为四阶段中继、三阶段中继和两阶段中继。 四阶段中继即为传统的无线中继网络，它可以简单的看作两个单向中继的组合。 三阶段中继和两阶段中继在广播阶段都是基于网络编码技术，并在中继节点将信 号进行处理后再发送出去。与传统的无线中继网络相比，三阶段和两阶段中继方 案大大节省了时间资源，提高了整个系统的容量1 4 3 】【4 7 1 。双向中继信道在蜂窝系统 和端对端网络中体现出了很高的应用潜力，因此近年来又重新得到了学术界和工 业界的重视。 1 4 3 中继技术发展概况 由于基于中继的无线通信网络系统可以有效降低由路径损耗所造成的功率资 源的浪费、提高频谱利用率，而且它还可利用自组织a dh o c 网的多跳连通思想提 高网络的抗毁性，所以近年来中继技术得到了国内外学者的广泛重视。在通信标 准制订中，如未来移动通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、l t e 、b 3 g 、4 g 等) 、无线局域网( w l a n ) 和宽带无线网络( 8 0 2 1 6 j ) 等都引入了中继的概念，还考虑了中继辅助通信中可能存 在的问题。欧盟无线世界开创新无线电( w i n n e r ) 计划也对宽带移动无线中继网络 做了详细的规划。3 g p p 在其长期演进( l t e ) 阶段的研究中指出：“在未来演进的通 信系统中，为了提高覆盖范围和系统容量，引入多跳的概念是一种行之有效的手 段 ，在l t e a d v a n c e d 中把中继定位为关键技术之一【镐】。 1 5 本文研究内容及安排 本文对m i m o 双向中继信道及其预编码技术进行了研究，主要针对基于三阶 段中继传输策略下的预编码方案，分别探讨了在a f 中继转发方式以及d f 中继转 发方式下的基于容量最大的不同预编码方案的性能优劣，提出在双向中继信道模 型下的预编码最优方案。 本文的具体内容安排如下： 第一章阐述了无线通信的发展现状并对无线通信中的一些关键技术进行了简 要介绍； 第二章介绍了预编码技术基础，包括一些主要的点对点m i m o 预编码算法， 以及一些m i m o m a c 和m i m o b o 预编码方案。 第三章主要对基于网络编码的双向无线信道的模型及其可达速率进行研究； 第四章对三阶段中继上基于信道容量最大的预编码算法进行研究，对不同预 编码构造方案进行比较，并提出一种基于信道矩阵选择的预编码算法。 第五章总结全文，并对下一步还需要做的工作提出意见和建议。 第二章m i m o 预编码技术 第二章m i m o 预编码技术 在无线通信系统中，使用多天线技术能够带来明显的系统增益，而且当发送 端能够获得信道状态信息时，若对发送信号进行预处理，系统性能将得到更大幅 度的提高。m i m o 预编码技术可以提高系统容量，实现更高的空间复用并增强系 统可靠性目前主要的预编码方法都是基于线性的，且线性预编码技术具有很强 的实用性，是下一代无线通信标准中必定采用的关键技术之一。 2 1m i m o 信道模型 发 送 端 图2 1m i m o 系统模型 如图2 1 所示为一个m i m o 通信系统，在发送端和接收端配置的天线数分别 为，和，则该信道包含| ，个s i s o 子信道，假设信道为平坦衰落的接收 信号可表示为： y = 厶& + 刀( 2 1 ) 其中，y = 队，耽，y ，】7 为接收端的接收信号向量；x = k ，屯，x m 】r 为发送端 的发送信号向量；信道矩阵为： 日= 啊2 啊r kr h n 。2 h n r n t 且表示第0 f ) 根发送天线到第i ( 1 f ，) 根接收天线之间的信道； 刀= h ，他，k r 为噪声向量，珥表示第f 根接收天线上接收到的加性噪声，且有 f , n n 片】- 仃2 k ，仃2 为噪声功率。 假设信道是时不变的，这种情形下此m i m o 系统的信道容量c 可以用互信息 1 2双向无线中继信道预编码技术研究 来衡量，即有： c = m a x i ( x ；y ) ( 2 2 ) ，o j 其中，厂( x ) 表示x 的概率分布，( x ；y ) 表示x 和y 之间的平均互信息量。 另外，t e l a t a r 推导出的m i m o 系统的高斯信道容量公式为： c = a e t ( 如，+ 吉r ) q 渤 其中，k = e x x r 】表示输入信号自相关函数。当发送端各天线相互独立时有k 为 对角阵。 当接收端已知信道状态信息时，我们可以通过注水理论来得到系统容量，即： c：善fl092(1+-孑-log) ( 2 4 ) c = iu l ) i ( 2 4 f 毒l 其中k 为注水均值， ( 1 f m ) 为信号特征向量，m = m i n ( n , ，r ) 。 若没有信道状态信息，发送端可以通过采用等功率发送来得到信道容量的最 大值，设p 为发送端总功率，则有： =善m(以+寿2c l o ) 亿5 ， = i9 2 ( 1 + 熹) i ( 2 5 ) j l l o r o 由于m = m i n ( n , ，) ，则可看出m i m o 系统满足子信道独立性假设时，其信 道容量随m 的增大而线性增加。 2 2 点对点m i m o 预编码 点对点m i m o 信道具有一个发送节点和一个目的节点，结合了预编码的点对 点m i m o 信道模型如图2 2 所示。 x 。 预 ，v 办 接 收 r 编 x 、 h 端 r 码 处 理 图2 2 点对点m i m o 预编码系统模型 设发送节点装备m 根天线，目的节点装备，根天线。 离散平坦衰落的m i m o 系统线性预编码模型为： y = h f x + n ( 2 6 ) 其中，y 为接收端收到的符号向量，x 为发送端发送的符号向量，h 为信道矩阵， ，为发送端预编码矩阵。 第二章m i m o 预编码技术 点对点预编码方案可以分为有完全信道状态信息的预编码和有限反馈预编 码。当发送端有完全信道状态信息时，还可以利用波束成型技术来提高系统的分 集和阵列增益。当发送端只能获得有限信道状态信息时，预编码方案可以通过采 用码本选择的形式来实现。可以说，点对点m i m o 系统的预编码方案已经得到了 深入的研究。下面我们对这两种方法进行简要介绍。 2 2 1 有完全信道状态信息的预编码 ，v 裂如s x 、x h rfr 图2 3 线性预编码框图 图2 3 为线性预编码结构框图，它是发射端完全已知完全信道状态信息下的理 想预编码方法。其中，f = 胪，p 为缩放因子，作用是为保证发送端的预编码矢 量满足功率约束条件，且pt r a c e ( f f f h ) = l 。 类似于式2 1 ，对离散平坦衰落的m i m o 系统，有线性预编码模型： y = 古嘛+ 疗) ( 2 - 7 ) 其中，y 为接收端收到的符号向量，x 为发送端的符号向量，日为信道矩阵， f 2 吉户为发送端预编码矩阵。 下面介绍几种常见的线性预编码方法： 迫零( z f ) 线性预编码方法 在z f 预编码算法中，发端预编码信号矢量为： 舅= f x ( 2 8 ) 且有 f = 胪= 胆以( 2 9 ) 则接收端收到的接收信号矢量为： y = z + 吉刀 c 2 加， 其中p 为缩放因子，作用是为保证发射的预编码矢量的功率约束条件，即 卢= 1 - h - n ) 2 1 1 ) 1 4双向无线中继信道预编码技术研究 该卢值在接收端通过自动增益控制机制来实现，接收端的接收信号通过其倒 数来补偿。当信道很差时，卢值会变的非常小，这相当于一般系统中有较低的s n r 的情况。 容易看出，迫零线性预编码虽然能够消除信号之间的干扰，但是往往会造成 噪声的放大，整个系统的性能并不是很好。为此，人们提出了m m s e 预均衡。 最小均方误差( m m s e ) 线性预编码 若在构建预编码矩阵时采用m m s e 法则，可在接收端得到满足均方误差最小 的接收信号，即 户= a r g 睁e 妙( h f x + 刀) 一制 ( 2 1 2 ) 豇e l l 刊1 2 ：只 ( 2 1 3 ) 其中，卢为缩放因子，保证预编码矢量满足发送端功率约束条件，为发送端总 功率。 若发送端采用平均功率分配，有最优解为： f = p f q 1 4 ) 其中 瑚h p 年矧 亿，5 ， 目 p = 后而 ( 2 1 6 ) 由于m m s e 线性预编码算法是通过利用m m s e 准则来选取预编码矩阵f ，与 z f 线性预编码算法相比，虽然算法复杂度有所增加，但预编码的性能也有一定的 提高。 基于奇异值分解的预编码方案 ，v 心u h 玉 x v x h y rr 图2 4 基于奇异值分解的m i m o 传输系统 基于奇异值分解的预编码方案是一种比较直接的且在信息论意义上最优的方 案，如图2 4 所示，这种方案需要发射端和接收端进行联合处理。 此方案下最优预编码矩阵为信道的右奇异矩阵，即首先对信道矩阵进行奇异 值分解，有 第二章m i m o 预编码技术 h = u z v 爿 ( 2 1 7 ) 其中u 、v 为酉矩阵，为对角矩阵，其对角线上的元素为信道矩阵的特征值。 则在理想的预编码情况下，预编码矩阵f = v 。 接收端接收到的经过预编码后的信号为： ，= h f x + 刀= h v x + 刀 ( 2 1 8 ) 在接收端检测时乘以矩阵u h 得： u h r = u h h v x + u h v = u o z v 胃v x + u 拧 ( 2 1 9 ) ：殛+ ( 厂胃刀 从上面的公式可看出在理想预编码情况下，预编码矩阵与信道特性完全匹配， 可以消除空间复用中数据流之间的干扰。与不采用预编码技术相比，可以有效地 提高系统吞吐量，但误码率也会相应的增加。 。 由上面的讨论我们可以看出，当已知完全信道状态信息时，发送端的预编码 方法比较简单，算法复杂度也不高，但是在大多数的实际系统中，发送端一般无 法完全已知信道状态信息，而只能获得部分信道信息，这时就需要利用基于部分 信道信息的有限反馈预编码的预编码矩阵索引号( p m i ) 选择算法。 2 2 2 有限反馈预编码 图2 5 有限反馈m i m o 系统模型 如图2 5 所示模型，基于码本的有限比特反馈预编码技术的基本思想是：在收 发两端都存储一个相同的预编码码本集合，接收端根据信道衰落信息和当前接收 的信号，按照一定准则选择最合适的预编码矩阵，并将该预编码矩阵在码本中的 索引号通过反馈链路反馈到发送端，发送端根据收到的p m i 从共同存储的预编码 的码本中找到相应的预编码矩阵，然后对发送信号进行预编码操作。基于码本的 有限比特反馈预编码技术的主要特点是：无需要反馈信道信息、在接收端选择预 编码矩阵、只利用有限数目的比特反馈到发送端，从而降低了系统对反馈链路的 要求。 1 6 双向无线中继信道预编码技术研究 目前基于码本的有限比特反馈可分为以下两大类：一类是针对最大似然译码 的预编码矩阵选择，另一类是针对线性检测( 包括z f 和m m s e ) 的预编码矩阵选 择，本章主要针对线性检测，研究有限反馈预编码矩阵的选择算法。 对于线性译码，我们介绍下面几种选择算法。 最小奇异值( m s v ) 准则 ，g ) = a r g e 。把罂镫，m k g 谚) ( 2 2 0 ) m s v 的实现过程是：首先接收端遍历码本中所有的预编码矩阵，对矩阵日似扩 求特征值，找出能使矩阵日“扩最小特征值最大的预编码矩阵，然后将该预编 码矩阵作为最终选定的预编码矩阵再反馈到发送端。 最小均方误差( m m s e ) 准则 一一 、一1 f o ) = a r g 怖m 吐i n ：。川鲁卜+ 袁e o 归g 把j ( 2 2 1 ) 最小均方误差准则就是对矩阵日g 扩求均方误差，遍历码本中所有的预编码 矩阵，找出能使其均方误差最小的预编码矩阵作为最终选定的预编码矩阵。 最大信道容量准则 ，g ) = a r g 删跗r a ；1 i n ：，, j r , l 0 9 2 d e t i n , + 彘e o 归。旭j ( 2 2 2 ) 最大信道容量准则就是遍历码本中所有的预编码矩阵，寻找能使等效信道容 量最大的预编码矩阵作为最终选定的预编码矩阵。 最小误比特率准则 f g ) = a r g ee 僻罂坦。， 芴豪g ) ，e ) ( 2 2 3 ) 最小误比特率准则同样是遍历码本中所有的预编码矩阵，寻找能使系统的平 均误比特率最小的预编码矩阵作为最终选定的预编码矩阵。 2 3m i m o m a c 预编码 m i m o m a c 信道具有多个发送节点和一个目的节点，每个节点装备多根天 线。加入预编码之后，信道模型如图2 6 所示。 图2 6m i m o - m a c 信道模型 第二章m i m o 预编码技术 1 7 其中，而、x 2 为用户l 和用户2 的发送信息符号；e 、e 分别为用户1 和用户2 的预编码矩阵；马、h 2 为用户l 、用户2 与目的节点之间的信道矩阵，y 为目的 节点的接收信号。厂) 为目的节点采用的接收准则，得