多輸入多輸出系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)研究

1、tnii學(xué)朮友叢網(wǎng)論文發(fā)表專(zhuān)家一l多輸入多輸出系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)研究摘要：mimo系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)，利用信道信息，使發(fā)射信號(hào)和空間信道相匹配，有效的對(duì)抗信道衰落，提高系統(tǒng)誤碼率和頻譜利用效率，已成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文首先對(duì)mimo系統(tǒng)模型和容量進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，然后分析了基于不同角度的預(yù)編碼技術(shù)，其中主要針對(duì)基于信道預(yù)測(cè)的預(yù)編碼技術(shù)的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：mimo預(yù)編碼信道預(yù)測(cè)中圖分類(lèi)號(hào)：tn929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1007-9416(2012)02-0115-02researchonprecodingtechniqueinmimosystemchenzhilius

2、han-shancaoxing-bingabstract:mimosystemprecodingtechnique,whichhasbecomeoneoftheresearchfocuses,usessomekindsofchannelstateinformationtomatchthetransmitsignalwiththewirelesschannel,hispaper,webrieflyintroducethemimosystemmodelandcapacity,andt

3、henanalyzedifferentprecodingtechnique,mainlyresearchthepredictionalgorithmaboutprecodingtechniquebasedonchannelprediction.keywords:mimoprecodingchannelprediction隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，多輸入多輸出系統(tǒng)依靠著多根收發(fā)天線(xiàn)，大大地提高了系統(tǒng)性能，特別是系統(tǒng)容量。而在該系統(tǒng)中，預(yù)編碼技術(shù)的采用使得系統(tǒng)的可靠性和容量有了進(jìn)一步的提高。預(yù)編碼技術(shù)是通過(guò)利用反饋的信道信息在發(fā)射端進(jìn)行預(yù)處理，改善發(fā)射信號(hào)，完成對(duì)系統(tǒng)性能的提高。本文將先簡(jiǎn)單的介

4、紹mimo系統(tǒng)基本知識(shí)，再通過(guò)對(duì)基于不同角度的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行分析，著重闡述基于信道預(yù)測(cè)的預(yù)編碼技術(shù)的預(yù)測(cè)算法。1、mimo系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1 mimo移動(dòng)通信技術(shù)多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput)技術(shù)在通信發(fā)射端安裝多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線(xiàn)接收并恢復(fù)原信息。由于mimo技術(shù)可以在不需要增加頻寬或總發(fā)送功率耗損的情況下大幅地增加系統(tǒng)吞吐量(throughput)及傳送距離，使得此技術(shù)于近幾年受到許多矚目。研究表明利用m1mo技術(shù)不僅可以提高信道的容量，也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。mimo技術(shù)是lte系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要是在

5、時(shí)間域的基礎(chǔ)上利用發(fā)射端和接收端多根天線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合空間域?qū)諘r(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，以此獲得更多的增益，改善系統(tǒng)性能。在lte的下行鏈路中，mimo系統(tǒng)擁有兩種傳輸方案即空間分集和空間復(fù)用匸交發(fā)表專(zhuān)家一LB國(guó)學(xué)朮發(fā)叢網(wǎng)空間分集又可以分為發(fā)射分集和接收分集兩類(lèi)，它的目的是為了提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕簿褪翘岣咝诺赖目煽啃?。發(fā)射分集是指在發(fā)射端由多根天線(xiàn)發(fā)送，將分集放在基站端，由于發(fā)端不知道衰落信道的狀態(tài)信息即csi,所以需要通過(guò)聯(lián)合編碼來(lái)確保信道性能，增加冗余度，得到更大的分集增益。由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)在復(fù)雜的信道中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰落，而衰落根據(jù)不同的空間位置有著不同的特性，當(dāng)位置間隔較大時(shí)可認(rèn)為信號(hào)不相關(guān)。此時(shí)

6、就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空間分集接收。兩種分集方式都能夠較好的改善信噪比，提高系統(tǒng)性能。空間復(fù)用不同于空間分集，其利用空間的多徑矢量，在相同的頻帶上利用多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射獨(dú)立信號(hào)，通過(guò)空間復(fù)用使容量隨收發(fā)端天線(xiàn)數(shù)的增加而增加，并成線(xiàn)性狀態(tài)，同時(shí)不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率。被認(rèn)為是提高系統(tǒng)頻譜效率和容量的有效方法，能夠充分詮釋該優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用即為貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的采用垂直分層空時(shí)碼技術(shù)的v-blast系統(tǒng)。1.2 mimo系統(tǒng)的信道模型通常情況下，多徑要引起衰落，致使數(shù)據(jù)包丟失。但是對(duì)于mimo系統(tǒng)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用，mimo技術(shù)通過(guò)利用空間分集對(duì)抗衰落。因?yàn)閙imo的多入多出是針對(duì)多徑

7、無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的，傳輸信息流經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成m個(gè)信息子流，這m個(gè)子流由m個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道傳播后由n個(gè)接收天線(xiàn)接收。在接收端通過(guò)檢測(cè)譯碼，多天線(xiàn)接收機(jī)將接收到的符號(hào)矢量利用先進(jìn)的空匸交發(fā)表專(zhuān)家一LB國(guó)學(xué)朮發(fā)叢網(wǎng)時(shí)編碼處理，并解碼這些數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)框圖如下圖所示。當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)間的單元距離足夠大時(shí)，無(wú)線(xiàn)信道傳播的多徑信息就充足，相對(duì)應(yīng)的收發(fā)天線(xiàn)間的多徑衰落就趨近于獨(dú)立，也就是期間的傳輸信道趨于獨(dú)立，子信道相互趨于正交化。1.3 mimo系統(tǒng)的信道容量雖然無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在不斷的更新，但是無(wú)線(xiàn)資源是有限的，如何充分利用這些有限資源傳輸更多的信息，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求，創(chuàng)造更大的價(jià)值是一個(gè)值得我們研究的課

8、題，也是現(xiàn)代通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng)的單輸入單輸出(siso，singleinputsingleoutput)系統(tǒng)，早在1948年香農(nóng)就給出了其信道容量的上限：w表示信道帶寬，s表示接收功率，n表示噪聲功率，由上式可以得出，提高信噪比，可以增加信道容量，也就是理論上只要增加發(fā)射功率就可以提高信噪比。然而由于發(fā)射端的功率放大技術(shù)，使得發(fā)射功率受限，并不能一味的提咼系統(tǒng)容量。2、預(yù)編碼技術(shù)預(yù)編碼技術(shù)主要是通過(guò)反饋接收端所獲得的信道信息來(lái)完成的。在實(shí)際場(chǎng)景中由于反饋的消耗大，所以反饋回的信息數(shù)據(jù)就比較少，如何能夠使用有限的反饋資源反饋更多的有效的信道信息是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2.1單用戶(hù)和多用戶(hù)m

9、imo預(yù)編碼技術(shù)匸交發(fā)表專(zhuān)家一LB國(guó)學(xué)朮發(fā)叢網(wǎng)在單用戶(hù)的場(chǎng)景下，接收端使用線(xiàn)性mmse其系統(tǒng)就可以達(dá)到相應(yīng)的信道容量，因此不需要復(fù)雜的預(yù)編碼技術(shù)，此種情況下的預(yù)編碼技術(shù)起到進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能的作用。大多采用線(xiàn)性預(yù)編碼技術(shù)，常用的有迫零預(yù)編碼算法和最小均方誤差預(yù)編碼算法。在多用戶(hù)的場(chǎng)景下，多用戶(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)吞吐量，并能避免在單用戶(hù)場(chǎng)景下受到的信號(hào)傳輸限制，同時(shí)由于無(wú)法獲得除自身以外的其他用戶(hù)的信道信息，所以需要在發(fā)射端利用預(yù)編碼操作來(lái)消除用戶(hù)間的干擾，目前，在多用戶(hù)mimo預(yù)編碼技術(shù)方面已經(jīng)有了不少成果，常用的有塊對(duì)角化預(yù)編碼和最大化信號(hào)泄露噪聲比預(yù)編碼。2.2基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)在I

10、te系統(tǒng)中，已經(jīng)規(guī)定了發(fā)射端在不同場(chǎng)景下應(yīng)使用的預(yù)編碼的碼本和操作流程，例如，在空間復(fù)用的傳輸場(chǎng)景下，Ite系統(tǒng)的發(fā)生端要采用基于碼本的有限反饋線(xiàn)性預(yù)編碼方式，即其中r表示接收向量，x表示發(fā)射向量，h表示空間信道矩陣，n表示噪聲向量，因?yàn)橄到y(tǒng)采用有限反饋技術(shù)，所以預(yù)編碼矩陣wi從接收端和發(fā)射端均已知的特定矩陣集合中選取。也就是在發(fā)射端和接收端有著對(duì)應(yīng)的碼本。具體的預(yù)編碼過(guò)程主要為：(1) 當(dāng)接收端從收到的信號(hào)中提取出公共參考符號(hào)后，會(huì)獲得一個(gè)包含各時(shí)頻資源的資源塊。論文發(fā)表專(zhuān)家一Lm國(guó)學(xué)朮發(fā)舌網(wǎng)(2) 根據(jù)得到的信道信息，接收端會(huì)通過(guò)一定的碼字算法在已經(jīng)規(guī)定好的碼本中選擇合適的預(yù)編碼碼字。但是

11、由于無(wú)法對(duì)每個(gè)時(shí)頻資源都進(jìn)行預(yù)編碼，所以就要考慮相應(yīng)的碼字選擇時(shí)間間隔和頻率間隔來(lái)操作。(3) 當(dāng)碼字選擇結(jié)束后，接收端將把最優(yōu)矩陣序號(hào)、信道質(zhì)量指示等參數(shù)反饋給發(fā)射端。(4) 反射端提取出參數(shù)后，利用它們從碼本中選取合適的碼字進(jìn)行相關(guān)的預(yù)編碼操作。2.3基于信道分解的預(yù)編碼技術(shù)基于信道分解的預(yù)編碼主要是利用在發(fā)射端已得到信道信息的情況下，對(duì)信道的信息矩陣h進(jìn)行分解，進(jìn)一步得到發(fā)射端預(yù)編碼矩陣wi和相應(yīng)的接收端的均衡矩陣，以及mimo的獨(dú)立子信道的等效矩陣。該方法可以降低接收端的算法復(fù)雜度，提高系統(tǒng)性能。常用的基于信道分解的方法有奇異值分解(svd)預(yù)編碼算法、統(tǒng)一信道分解(svd)預(yù)編碼算法

12、、幾何均值分解(gmd預(yù)編碼算法等。2.4基于信道預(yù)測(cè)的預(yù)編碼技術(shù)首先對(duì)瑞利衰落信道進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)算法如下：對(duì)于2X2的mimo通道，在時(shí)刻已經(jīng)存儲(chǔ)了信道樣本矩陣，即其中，表示載波數(shù)，表示記憶長(zhǎng)度，表示第個(gè)頻點(diǎn)在第個(gè)時(shí)刻的mimo信道樣本，此時(shí)如果通道的第個(gè)頻點(diǎn)在第個(gè)時(shí)刻的樣本表示tnii學(xué)朮友叢網(wǎng)論文發(fā)表專(zhuān)家一l為，則通道在第個(gè)時(shí)刻的時(shí)間樣本可以表示。如果單獨(dú)研究一個(gè)通道的頻率響應(yīng)函數(shù)。在此基礎(chǔ)上利用線(xiàn)性mmse預(yù)測(cè)將來(lái)的信道頻響，即其中，表示延遲間隔，反映了預(yù)測(cè)模型的性能。定義且由參考文獻(xiàn)2可得的最優(yōu)值為由于在低信噪比時(shí)每個(gè)子信道的信噪比都很低，所以通常情況下即使平均了各個(gè)子信道的信噪比，

13、系統(tǒng)性能依然會(huì)很差，但是該算法可以在低信噪比時(shí)保證系統(tǒng)性能。3、結(jié)語(yǔ)在無(wú)線(xiàn)資源有限的情況下，預(yù)編碼技術(shù)作為mimo系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)利用反饋接收端獲得的信道信息來(lái)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行改善，爭(zhēng)取以有限資源反饋更多的信息，進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。本文通過(guò)基于不同的角度來(lái)闡述mimo系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)，分析常用的預(yù)編碼算法，特別是對(duì)基于信道預(yù)測(cè)的預(yù)編碼技術(shù)的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行推導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 masoudebrahimi,m.hadibaligh,mingjia,jiangleima,peiyingzhu,amirk.khamdani,pecoderpredictionformobileclosed-loopmimoinwimaxsystems.2 d.schafhuber,g.matz,mmseandadaptivepredictionoftime-varyingchannelsforofdmsystems,ieeetrans.wireless匸交發(fā)表專(zhuān)家一LB國(guó)學(xué)朮發(fā)叢網(wǎng)www,qikanwang.nEtcommun.,vol.4,no.2,pp.593-602,march2005.3 多曼,格拉耶布.mimo通信系統(tǒng)編碼m.2008.4 johnproakis,digitalcommunicat