【《MIMO系统预编码技术综述》4600字】

第I第页MIMO系统预编码技术综述目录TOC\o"1-3"\h\u23932MIMO系统预编码技术综述 1300951.1预编码技术简介 1225481.2单用户MIMO系统线性预编码结构 229411.3非线性预编码结构 337831.3多用户MIMO预编码结构 4248391.4迫零预编码算法 5306811.5最小均方误差预编码算法 6258251.6块对角化线性预编码 6150391.7信漏比SLR线性预编码方案 81.1预编码技术简介预编码技术是MIMO系统的关键技术之一。它的定义为：MIMO系统通过已知的信道状态信息CSI，在发送端对要发送的数据进行预处理。根据发送端将占用相同时域和频域资源的多条并行数据流发送给一个终端或者多个终端，可将预编码技术分为单用户MIMO预编码多用户MIMO预编码；同时还可以预编码运算时是否加入了非线性变换，可将其分为线性预编码和非线性预编码。在单用户预编码算法中，接收端的多个天线都属于同一个用户，所以可以对接收到的各路信号进行联合处理。所以单用户MIMO系统不仅可以只在发送端对发送信号进行预编码处理，也可以采用在接收端进行联合处理的预编码算法。而对于多用户MIMO系统来说，预编码首先存在两种不同的方向。一种是向用户发送信息的下行链路预编码技术。另一种是用户反馈信息的上行链路预编码技术，上行和下行在速率上和可靠性上的要求各有不同。在本文中，多用户预编码仅考虑下行链路多用户预编码。和单用户MIMO系统不同的是，多用户MIMO系统的每个用户在物理环境上是独立的，所以无法通过联合处理消除用户间干扰。多用户MIMO系统要想消除干扰的话，仅能通过在发射端进行预编码处理。在移动通信系统中，多用户预编码技术可以很好地提高蜂窝移动通信系统的性能，各个基站在信号发送之前先根据信道的状态信息对信号进行预处理，这样可以降低在同一信道上的用户间的干扰，获得较高的系统性能增益。在实际的通信系统中，线性预编码技术有着广泛的应用。线性预编码的结构简单、设备复杂度低，可以根据信道状态信息选择不同的预编码算法。常见的算法有迫零算法和最小均方误差算法。线性预编码也可以对用户间干扰进行抑制，但是这需要提高发射功率。当发送端接收到的信道矩阵为病态矩阵，即对数值扰动十分敏感的矩阵时，这时线性预编码非但不能降低干扰，还会使系统性能严重恶化。为了进一步改善预编码性能，一些基于其他指标的预编码技术相继被提出，这些算法基于均方误差、信噪比、信漏比、误码率和信息速率等准则，可以根据具体情况选择基于不同准则的算法来设计与编码器。针对上述线性预编码的问题，可以在预编码运算中加入非线性运算。这样可以有效地解决问题，称这样的预编码技术为非线性预编码技术。对于多用户MIMO系统来说，非线性预编码技术是非常重要的技术。其中较为常见的是脏纸编码技术，脏纸预编码技术能够消除多用户干扰，达到多用户MIMO系统的信道容量上限。[9]但是脏纸编码的复杂度太高，需要进行多次连续的编码解码操作，在实际应用中难以实现。在综合考虑下，一般在实际应用中选择复杂度不是那么高且性能满足实际需求的THP预编码技术。1.2单用户MIMO系统线性预编码结构单用户预编码的系统框图如图1.1所示，在发送端将要信息序列进行预编码处理，通过信道H后，再在接收端对预编码序列进行处理。图1.1单用户MIMO线性预编码结构示意图由上图得，发射信号经过预编码后，接收向量为： y=HWs+n (1.1)在线性预编码系统中，预编码即是对发射向量左乘一个预编码矩阵。为了充分地利用单用户MIMO信道，原始发送数据s为r×1维，r=rank（H）（注：rank()表示求矩阵的秩），预编码矩阵W为M×r维，信道矩阵H为N×M维，接收向量y和叠加的高斯白噪声均为N×1维。因为预编码是发送数据时发送端要经历的最后一个环节，所以从发送端的角度出发，预编码可以看作是信道影响的一部分。[4]所以，等效信道矩阵HE=HW1.3非线性预编码结构图1.2非线性预编码结构上图所示的是简单的非线性预编码结构，其中s为输入信号，s为用户端接收到的信号，x为满足功率条件经过编码的信息，i为来自其他用户或者其他信道的干扰，n代表信道的高斯噪声，y为信道的输出。同时，此图也是脏纸编码的结构图。脏纸编码基本原理如下：首先说明一下取模运算，取模运算求的是两个数相除的余数，取模运算和取余运算十分相似，但是取模运算在对负整数进行除法运算时和取余运算不同[9]。定义f为取模运算函数。 fτ(其中τ为模，[]表示取整。发送端要发送的信号x是由s和i经过预编码处理后经过取模运算产生的。 x=fτ(x经过信道叠加后，加上干扰i和噪声后就得到接收信号y，在接收端经过译码和取模后的结果为s。f = =fτ由上式可见，来自其他用户或者其他信道的干扰信号i被约掉了，这也就消除了用户间的干扰。非线性预编码算法主要包括脏纸编码和THP预编码，主要用于消除MIMO系统用户之间的干扰。脏纸编码是非线性预编码技术的理论基础。如上述推导公式所示，脏纸编码的基本原理就是当干扰信号已知时，对发送信号进行预处理来消除干扰。1.3多用户MIMO预编码结构图1.3多用户MIMO线性预编码结构示意图多用户预编码系统和单用户预编码系统不同，在多用户MIMO系统中，接收端将是多个分散的用户，每个用户除了能接受到自己的信息之外，还会接收到发送给其他用户信息。由于接收端不能进行联合处理，所以发送其他用户的信息也是一种干扰[10]。由上图得，经过线性预编码后的第k个接收端的接收向量为： yk=在多用户MIMO线性预编码系统中，发送给第k个接收端的信号向量Sk是Nk×1维的向量，预编码矩阵Wk是M×Nk维的，所以第k个接收端对应的信道矩阵Hk1.4迫零预编码算法迫零预编码的框图如图所示。首先要将信源端的信息序列进行预编码，然后经过信道到达接收端，在信道里会受到噪声的影响，所以在接收端要进行相应的处理。图1.4迫零预编码原理图发射信号矢量S=S1⋯⋯SMT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y=Hx+n，其中x=Ps，P为系统的预编码矩阵，n为高斯白噪声在设计预编码矩阵P的时候，要考虑到实际功率的约束条件，所以信号的发射总功率为： E[x2]=E[Ps2]=tr(PPHσ2)=E[其中Nt为发射天线个数，σ对于Nr s=β−1（HPs+n） 这里的β为功率控制系数，用于满足总体的功率限制。其与原始信号的均方误差可表示为： ε=E[s−s2]=E[β迫零算法的:βzf所以在迫零预编码下的检测信号为： s=β然后再接收端对s进行量化处理，还原初试信号。迫零预编码算法的优点是可以让每个天线之间没有相互干扰，但缺点是信道噪声的影响变大了[9]。1.5最小均方误差预编码算法最小均方误差预编码算法的流程图与迫零算法的流程图相同，但是在迫零算法中并没有直接考虑到噪声的影响，而在最小均方误差预编码算法中考虑了噪声的影响，并在设计预编码矩阵的时候进行了处理。所以最小均方误差预编码算法可以看作是迫零预编码算法的一种改进版本。基于满足接收信号与发送信号的均方误差最小的准则，最小均方误差预编码矩阵要满足以下两个条件： Pm=argminE{β−1HPs E[PmS2]=所以：Pm=βm其中，N0=σ2/P，P为发射功率， βm=1trH所以在最小均方误差预编码下的检测信号为： s=βm =HHHHHH然后再接收端对s进行量化处理之后，就可还原发射信号[10]。最小均方误差预编码算法的运算比迫零预编码算法复杂一点，而且最小均方误差算法在一定程度上引入了用户间干扰。但是在小信噪比条件下性能明显优于迫零预编码算法，在大信噪比条件下，其性能也与迫零算法相近。1.6块对角化线性预编码块对角化线性预编码方案由Q.H.Spencer和M.Haardt二人于2002年提出的。块对角化预编码方案能将多用户MIMO信道分解为多个不相关或正交的单用户MIMO信道。发送端利用反馈回来的信道状态信息，对需要发送给指定用户的信号向量乘以一个处于其他用户信道矩阵零空间的预编码矩阵，使得多用户干扰得到有效的抑制，与迫零和最小均方误差方案相比，块对角化预编码方案更适合于接收端配置有多根天线的情况。但块对角化线性预编码方案的性能对信道状态信息的完整性和正确性的依赖更高。图1.6块对角化预编码系统框图如上图所示，块对角化预编码方案并没有把每根天线当成单独的用户来进行预编码处理，而是通过预编码矩阵让要发送给接收端的信号向量处于其他接收端信道矩阵的零空间里。当发射端对一个特定的用户发送信息时，通过其他的用户的信道状态信息求出其他用户的零空间，只要将发送的信号放在其他用户的零空间里，就可以将一个多用户MIMO系统信道分成多个相互正交的子信道，这样就可以认为用户之间是零干扰的[4]。块对角化预编码算法要用到奇异值分解的算法来确认其他用户的零空间。首先要通过导频信号来确认信道矩阵Hk，Hk为Nk×M维矩阵，Nk是第k个用户的天线数，发射天线数为M，块对角化预编码方案中每个用户都有一个预编码矩阵Wk，当 Hk=所以多用户干扰为零就等价于Hk对Hk Hk=Dk是Hk的奇异值组成的对角矩阵，Uk是矩阵Hk的左奇异向量矩阵，[Vk(1)Vk(0)]H为Hk1.7信漏比SLR线性预编码方案SLR方案全称为信漏比线性预编码方案。最大信漏比预编码方案与前面的迫零算法和块对角化预编码方案不同。它并没有将用户间干扰迫零或者是将多用户MIMO信道转化为正交的单用户MIMO信道，而是通过预编码，将信漏比最大化，使得每个用户接收到的所需信号最大化，同时降低泄露给其他用户的总的干扰功率。该方案的预编码矩阵计算过程较为复杂，并且尽管该方案对MIMO系统的天线配置无限制，但是用户的增多就意味着有着更多的别的用户的信号功率泄露过来，增加了多用户干扰功率，使得每个用户的误码率提高。图1.7最大信漏比预编码方案系统框图如上图所示，最大信漏比预编码方案并没有对收发双方天线数做出明确要求。最大信漏比预编码方案的基本思想就是将信漏比最大化，使有用信号的功率占比最大，将泄露给其他用户的干扰信号的功率降到最小。与其他