LTE系统中MIMO预编码技术研究

1、LTE系统中MIMO预编码技术研究姓名：周明 指导老师：胡浪涛 摘要：LTE是3G的演进，是3G到4G技术的一个过渡，在LTE协议中，改进并增强了3G的空中接口技术，并采用OFDM和MIMO作为其无线演进的唯一标准。本论文首先简要介绍了OFDM技术和MIMO技术，然后对MIMO系统的预编码进行了重点介绍，同时仿真了不同反馈比特数下的迫零预编码算法，探讨了单用户的预编码技术与多用户的预编码技术。关键词： LTE，MIMO，OFDM，预编码 引言长期演进LTE项目是第三代移动通信技术（3G）的长期演进，要求提供比3G系统更高的频谱效率、传输效率和更低的传输延时，多输入多输出(MIMO)预编码技术通

2、过在发送端对数据进行集中处理达到抑制或消除干扰、提高信道容量、降低接收端复杂度的目的，因此MIMO预编码技术已经成为LTE系统的关键技术之一。预编码技术是有效抑制MIMO信道中的多用户干扰方法之一。预编码通过利用信道的状态信息，在发射端调整发射策略，接收端进行均衡，从而提高MIMO系统的性能。在多用户MIMO下行链路中，各个用户之间无法相互协作，不能利用上行链路的联合检测来恢复发射信号，因此预编码是多用户MIMO下行链路获得复用增益和分集增益的关键。预编码技术可以分为基于码本的预编码方式和基于非码本的预编码方式，LTE系统同时支持这两种方式。由于大多数预编码方案都需要在发送端已知当前的信道状态

3、信息，但是因为反馈信道的开销十分昂贵，人们才提出基于码本的预编码方法。基于码本的预编码方法要求发送端和接收端共享同一套码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中的选取一个使系统性能最优的矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。这样的预编码方案使得反馈信道所需传输的数据量较小，大大的节约了成本。而基于非码本的预编码方式的基本思想是在发送端已知信道信息或通过信道估计得到信道状态的情况下，对信道信息矩阵H进行适当的分解，进而得到相应的发射端预编码矩阵、接收端均衡矩阵和将MIMO信道变换成若干个独立子信道的等效信道矩阵。这样的处理方法能够达到简化接收端算法，提高系统性能的目的。1

4、LTE系统1.1 LTE系统发展 目前主流的3G技术主要有TD-SCDMA、WCDMA和CCDMA2000，而前两种采用了3GPP技术演进路线，即由HSDPA演进至HSPA+，进而发展为LTE。虽然CDMA2000采用的是3GPP2路线，但由于高通对其最终演进技术UMB研发的放弃，其最终演进方向也定格在了LTE上【1】。在我国，由于WIMAX技术边缘化，而LTE自身完善的产业链、规模效应和更高的成熟度，故而受到了大多运营商的青睐。相对于第三代移动通信系统，LTE最重要的改进在于采用全新空中接口技术，并使用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。其主要优势是在20MHZ频谱带宽下能够提供

5、下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。1.2 LTE系统的架构 LTE系统要求核心网是基于分组交换的，能够提高数据速率、降低时延和复杂度、提高用户容量和系统容量等，这些需求使得原理的陆地无线接入网和陆地无线计入的架构无法满足要求，需要进行调整和演进，我们称之为演进的陆地无线接入网和演进的陆地无线接入。 1.2.1 OFDM技术 OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multiple Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收

6、端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 1.2.2 MIMO多天线技术 LTE系统将采用可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术，而MIMO技术实质上是为通信系统提供空分复用增益和空间分集增益。作为捁系统速率的最主要手段，MIMO技术受到广泛关注，基本的MIMO模型是下行、上行天线阵列。目前，正在考虑的方法包括空间复用、空间多址、预编码、自适应波速形成、智能天线和开环分集【2】。

7、LTE下行共享信道采用MIMO的多天线技术，MIMO系统的基本结构框图如图1-1所示。图1-1 MIMO系统的基本结构框图 MIMO技术的主要优点是阵列增益、系统的分集特性和系统的空间复用增益，能够大幅度的提高系统容量、获得相当高的频率利用率，从而获得更高的数据速率、更好的传输品质和更大的系统覆盖范围，存在的不足时空分天线和用户算法问题 1.2.3 MIMO与OFDM的结合MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大

8、多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。2 LTE系统中的预编码技术2.1 基于码本的预编码技术预编码技术一般是要通过反馈在接收端获得完整或部分信道状态信息，但是实际

9、中由于反馈的开销很大以及带宽的限制，反馈信道每次只能反馈有限个比特的数据。常见的码本有：RVQ,高斯曼流行等。图2-1 LTE基于码本选择的预编码系统框图 因此如何利用有限的反馈信道资源传递更多有效的信息数据是研究的难点。一般而言，解决这个问题的方法有两种，一种方法将是反馈量化之后的信道状态信息矩阵给发送端；另外一种是在接收端和发送端都共享一个已知的码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取使系统性能最优的一个矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。LTE中采取的方法是第二种，也就是基于码本的预编码技术。这样反馈信道所需传输的数据量较小；通常只有几个比特大小，大大节约了

10、资源。但是对于一个具有有限反馈的预编码系统而言，仍然有两大问题需要解决：第一，如何构造一个有效的码本集合； 第二，接收端如何在码本集合中选择出一个合适的预编码矩阵。 图2-2 LTE基于码本选择预编码系统流程框图 人们对于码本设计进行了深入的研究，并提出了很多有效的码本设计方案。其中这些设计方案集中归结于一个数学问题：设计一组个矩阵元素，并能最大化其子空间之间的距离,这即是著名的格莱斯曼子空间封装问题。2.2 LTE基于非码本的预编码技术 在非码本的预编码方式中，预编码矩阵是在发射端获得。发射端利用预测的信道态信息，进行预编码矩阵的运算。常见的预编码计算方法有奇异值分解(SVD)、几何均值分解

11、(GMD)、统一信道分解(UCD)等。其操作流程图如图2-3所示图2-3 非码本的预编码操作流程图 非码本预编码方式要求使用专用导频，即数据符号和导频符号一起进行预编码操作，这样接收端只需要通过信道估计就可以获得预编码之后的等效信道，从而方便地进行数据解调。3 单用户MIMO预编码技术严格意义上来说，只要在发送端采用的信号处理技术能够简化接收机检测的复杂度， 就可以将其称为预编码技术。本章主要介绍单用户MIMO的预编码技术，可以划分为线性预编码技术和非线性预编码技术。其中线性预编码技术主要有迫零预编码技术和最小均方误差预编码技术，而非线性预编码技术则以Costa预编码，THP预编码为代表。同时

12、还针对基站端得到的信道信息可能不准确的情况，进行了相应的分析与讨论。3.1 线性预编码技术线性预编码由于其低复杂度的优点，具有很高的实用性。常见的线性预编码算法主要有迫零预编码算法（ZF）和最小均方误差准则的预编码算法。 3.1.1迫零预编码算法 当接收端为单天线时，ZF是最为常用的预编码方案，该方案能满足各个用户之间的互相干扰为0。ZFBF预编码矢量的求得只需通过整个用户信道求伪逆即可。假设整个用户信道为，为相应的预编码矩阵，由于此时每个接收端仅有单根天线，则有，则可以表示为： (3-1)其中，是等效增益的矩阵，表示第个等效信道的等效增益： (3-2)是功率分配矩阵，表示第个等效信道上所分配

13、的功率，且，为总功率，为噪声功率。相应的，第个用户的SNR可以表示为： (3-3)迫零预编码的示意图如下图所示。首先将要发送的信息序列进行预编码，然后通过信道到达接收端，然后进行相应的处理。发射信号矢量，矢量信号代表了发射信号M条平行数据流。接收端的信号可以表示为，其中，P为系统的预编码矩阵，n为高斯白噪声【3】。图3-1 迫零预编码框图3.2 非线性预编码技术 尽管线性预编码有着低复杂度的优势，但是由于其不能充分挖掘信道的潜力，无法达到理论上的信道容量，人们一直在寻找一些替代的预编码方案以期望其能够克服线性预编码的弱点，因此诞生了以脏纸编码技术为主要代表的非线性预编码技术。 脏纸编码技术的概

14、念最早由MaxMCosta在1983年提出，也就是著名的Costa 预编码【4】。在干扰对于发送干扰对于发送端完全已知的情况下，脏纸编码技术是一种有效的数据传输技术，它能够在没有功率损失和不需要接收端已知干扰信息的情况下达到理想的信道容量。除了Costa预编码方案之外，1968由美国的MTomlinson和日本的Hiroshi Harashima几乎同时提出的THP预编码也是另一种经典的非线性预编码方案。 3.2.1 Costa预编码算法 Costa预编码算法所讨论的情形是在一个噪声与干扰并存的通信系统中，干扰对于发送端完全已知，但是接收端不知道干扰信息。图3-3 Costa预编码原理框图 U

15、代表要传输的信息，I代表其他自信道的干扰，这里假设I满足高斯分布并且被发送端已知，S是满足功率约束的信道输入信息，W代表了高斯白噪声，V代表了信道的输出，代表了最后的译码结果。如果通过恰当的预编码，任何接收端已知的干扰都不会干扰系统的信道容量。也就是说，现实中完全可以以等同于信道容量的速率传输数据，干扰的影响可以完全被抵消。 下面用一个简单的取模运算来说明脏纸编码的原理 定义取模运算为 (3-4)示小于x的最小整数，发射信号s由输入信息u以及干扰信号i产生 (3-5)K为正数。对接收信号进行取模运算，则： (3-6) 由此可见，干扰被消除了。 当然我们可以自然的将脏纸编码的原理应用到MIMO系

16、统中。设想在MIMO系统共有个子信道，那么第一个用来解码的子信道要接收来自于其他所有自信道的干扰，因为此时干扰信息还是完全未知的。在进行第二个子信道的解码时，根据Costa预编码的原理，这是第一个子信道的干扰已经完全知道了，因此第二个子信道的解码要考虑到已经解出的第一个子信道的信息。以此类推，在第K个子信道，就要考虑到从第1个到第K-1个子信道的信息【5】。3.2.2 THP预编码 THP预编码技术最早是作为SISO系统中消除符号间干扰的一种均衡技术，但事实上它也可以被应用于消除单用户MIMO下行信道中子信道间的相互干扰。与线性预编码相比，THP预编码技术在系统容量上得到相当大的提高。THP是

17、一种连续且非线性的预编码技术。用户所要传递的信息被放置在不同的层上然后依次经过一个非线性的模运算来消除它们之间的干扰。根据结构上的差异，可以由对角权重滤波矩阵的位置将THP化分为中心化THP与非中心化THP两种【6】。最初THP预编码算法的研究主要在是信道状态信息已知的前提下进行，但是由于信道估计和信道状态信息反馈的不准确性，完美的信道状态信息在现实中很难实现。图3-4 接收端为单天线的THP系统框图其中，假设发射端有根天线，有个用户，每个用户仅有一根天线，是欲发送的数据矢量，在图中，是一个维数为的矩阵，其目的是使得发射信号因果化，即仅受到的干扰，这种因果干扰通过反馈处理矩阵来消除，其中是一个

18、维数为的三角矩阵且对角元素全为1，发射端的求模操作主要是限制预编码模块的输出数据，使得其在一定的范围之内。这种求模操作等效为产生数据，矢量表示预编码矢量，通过选择恰当的，最终使得限制在恰当的星座范围之内。 4 多用户MIMO预编码技术 虽然目前单用户MIMO系统技术相对成熟,但是需要更多的系统资源配置,适用范围有限。在多用户移动通信系统中,如果基站端采用多根天线,用户端采用一根或者多根天线,那么就可以组成一个大的MIMO系统。这个系统成本投入不多,实现方便,有很广的适用范围和很强的应用价值。 然而, 在这种系统的多用户下行信道中, 由于用户接收机是分散的, 接收天线之间不可能协同工作,多用户之

19、间的干扰抑制无法通过接收端的均衡来完成,因此必须在发送端采用预编码技术,以消除多用户之间的干扰。 预编码技术主要分为线性预编码和非线性预编码两类。 线性预编码的代表有线性迫零(ZF)预编码技术,它是在发送端进行预编码,使得每个用户的波束方向都在其他用户的信道矩阵的零空间中, 从而消除了用户间干扰。源于Costa环的THP预编码是非线性预编码的典型技术预编码技术的良好性能是建立在理想信道状态信息条件下的。CSI的估计误差会降低预编码技术的性能。现阶段预编码技术的研究工作主要集中在理想CSI条件下,而非理想CSI条件下的研究较少。本文研究了信道估计误差对预编码技术带来的性能影响。4.1 多用户MI

20、MO系统模型假定多用户MIMO模型中包含一个基站，该基站同时与k个多天线的用户进行信息交互。基站拥有M个发射天线，而为了方便讨论假设接收端的每个用户所配备的天线数均为。基站端可以调度的用户数同样为k，每个可调度的用户假设有m路数据【7】。 4.2 线性ZF结构图4-1 线性预编码结构框图 典型的线性预编码结构如图4-1所示。其中, x为发射信号, y为接收信号, F为预编码矩阵, H0为信道矩阵, n为噪声,为缩放因子,其作用是保证发射的预编码信号矢量x的功率恒定。ZF预编码中,预编码矩阵F为: (4-1)由此可以看出,发送端根据信道状态信息矩阵H可以构造一个预编码矩阵F,发送信号通过和矩阵F

21、相乘实现在发送端的线性预编码。针对当前信道特性构成的预编码矢量通过信道后,不需要检测就可以直接通过解调得到发送信号。ZF预编码使各个用户间干扰得到抑制,但可能放大了噪声。如果采用MMSE准则获取预编码矩阵,则性能会得到改善。本文为了分析方便,仅以ZF预编码作为线性预编码的代表来研究。图4-2给出了当采用RVQ码本对信道进行量化时，ZFBF在不同反馈比特数时的性能，此时发射天线数为5，用户数为5，其中Scaled bits表示反馈比特数整个系统的性能。从图中可以看到，如果固定每个用户的反馈比特数，则随着SNR的增加，整个反馈系统的性能会逐渐趋于一个常数，只有当反馈比特数随着SNR的增加而增加时，

22、才能保证整个反馈系统同理想CSI的系统容量一样。图4-2 ，不同反馈比特数时ZFBF的性能比较4.3 非线性THP结构 THP预编码与线性ZF预编码不同,是一种基于Costa环的典型非线性预编码方法。根据THP结构中加权对角矩阵滤波器位置的不同,可以分为两种变体:加权对角矩阵G在基站端为集中式THP,记为cTHP结构;加权对角矩阵G在用户端为分布式THP,记为dTHP结构。THP预编码结构如图所示。其中x为发射信号, y为接收信号, a为信号x经过取模之后的信号。其中F为预编码矩阵, H0为信道矩阵, n为噪声, G为加权对角矩阵。图4-3 非线性THP预编码结构图 为了方便分析,集中研究NK

23、=M的情况,此时信道矩阵为方阵。首先对信道矩阵的转置做QR矩阵分解,可以得到: (4-2)其中S为一个下三角阵, F是一个矩阵。加权矩阵,这里为矩阵S的对角元素, ,取模是为了调整发射功率【8】。对于cTHP结构,设定: (4-3)对于dTHP结构,设定: (4-4) 由于dTHP预编码和ZF预编码对噪声都有一定的放大作用,所以它们的性能略差于cTHP预编码。不过dTHP预编码对各个用户的SINR不同,如果结合一定的资源调度算法,那么应该也会有较好的表现和合适的应用场合。 在多用户MIMO系统中，一个用户组内的数据能够在相同的子载波上传输，即它们占有相同的时频资源。除此之外，多用户MIMO系统

24、能够获得更大的多址接入增益并且能够克服很多在单用户MIMO情况下所受的信号传输限制。正是由于多用户MIMO自身具有的这些优势，近些年已经成无线领域研究的热点之一。但是随之而来的问题是，在多用户MIMO环境中如何有效地消除用户之间的共信道干扰。由于预编码技术在单用户MIMO场景中体现出的能够降低子信道间干扰的特性，人们很自然地希望能够将其应用在多用户MIMO场景中。目前为止，人们在多用户MIMO预编码领域已经取得了不少成果。总结LTE是3G的演进，是3G到4G技术的一个过渡，始于2004年3GPP的多伦多会议。在协议中，LTE改进并增强了3G的空中接口技术，并采用OFDM和MIMO作为其无线演进

25、的唯一标准。MIMO作为LTE中最关键的技术之一，其编码可以基于码本和非码本，分别列举了单用户与多用户情况下的实例编码。本论文主要是对MIMO的预编码进行研究。致谢时光荏苒，白驹过隙。在我的毕业论文完成之际，谨向曾经教育过我的安庆师范学院的老师们致以真诚的谢意，你们悉心地教导、深厚的学术功底，使我在四年间受益匪浅，并帮助我顺利完成了学业。尤其值得感谢是我的导师胡浪涛老师，感谢胡老师为我指点迷津，精心点拨、热忱鼓励，与胡老师的探讨和交流让我开阔了视野。最后，感谢参加论文评审和答辩的各位老师和教授。参考文献1 林雪红， 牛 凯， 贺志强， 林家儒 .(北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876) 2 韩小琴，LTE下行MIMO技术的接受算法研究J，西安电子科技大学，20093 王新秋，关键.北京交通大学电子信息工程学院，北京(100044) 2005.24 康丽，MIMO线性预编码和脏纸编码性能研究J，昆明理工大学，20075 王连英，多用户MIMO信道预编码技术研究J，西安电子科技大学，20086 吕磊，MIMO通信中的预编码技术与检测技术研究