摘要：MIMO技術(shù)是LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)的陣列增益、分集增益和復(fù)用增益。與傳統(tǒng)的單發(fā)單收系統(tǒng)相比，MIMO技術(shù)的系統(tǒng)容量更高，傳輸速度更快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：MIMO技術(shù)；電子信息；預(yù)編碼

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2012）30-7373-03

MIMO技術(shù)作為先進(jìn)的通訊技術(shù)，早在上世紀(jì)70年代就被倡導(dǎo)引入通信系統(tǒng)，但受限于當(dāng)時(shí)整個(gè)通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，一致未能充分展示其優(yōu)越性。隨著無線通訊產(chǎn)業(yè)的激增和無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)無線通訊的接入率和通信質(zhì)量的要求越來越高。傳統(tǒng)的無線通訊技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們的通訊需求，并且以頻率帶寬和發(fā)射功率來提高傳輸質(zhì)量的通訊技術(shù)已經(jīng)瀕臨飽和。在此背景下，MIMO作為一種不需要損失頻帶和發(fā)射功率就能提供前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在人們的生活中越來越受到追捧。

1 基于碼本的有限反饋MIMO線性預(yù)編碼

1.1 基本設(shè)計(jì)思想

該思想主要來源于通過減少反饋信息以實(shí)現(xiàn)信息的互易性，提高單向傳輸效率。因?yàn)?，在傳統(tǒng)的通訊傳輸系統(tǒng)中，發(fā)端接受外界的信號(hào)渠道較為單一，即信號(hào)通過收端流向發(fā)端，這一種單一的信道方式顯然不利于通訊信號(hào)的高容量和快速傳遞。相互貫通的上下行信道才是提升信號(hào)傳遞的必要設(shè)計(jì)（圖1）。

目前，世界上普遍認(rèn)同的有限反饋預(yù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)主要從兩方面展開：一是碼本構(gòu)建技術(shù)；二是碼本構(gòu)成預(yù)編碼矩陣的選擇。從目前的研究成果來看，兩方面技術(shù)研究都取得了較大進(jìn)展。如David.J.Love對(duì)碼本構(gòu)建技術(shù)提出了一種稱為格拉斯曼子空間裝箱的算法，該算法的突出特點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)碼本的設(shè)計(jì)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從有線向無線轉(zhuǎn)變，通訊的標(biāo)準(zhǔn)也必然發(fā)生變化，那么的碼本變換方案也就需要重新被設(shè)計(jì)。需要指出的是，由于接收標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)也應(yīng)區(qū)別進(jìn)行，一般依據(jù)不同接收準(zhǔn)則和定義矩陣空間中兩點(diǎn)之間的距離測(cè)度進(jìn)行，但具體應(yīng)用還需對(duì)接收準(zhǔn)則進(jìn)行細(xì)致分析。

從該技術(shù)的實(shí)踐運(yùn)行效果來看，傳統(tǒng)通訊傳輸系統(tǒng)互易性不暢的問題得以解決，并且效果十分理想。預(yù)編碼技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體上遵循兩個(gè)流程：首先，接收端對(duì)傳輸經(jīng)過下行信道的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果通過計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)自動(dòng)傳輸至預(yù)編碼矩陣數(shù)據(jù)庫(kù)，并與之相對(duì)應(yīng)的矩陣進(jìn)行匹配，匹配吻合的的預(yù)編碼矩陣從矩陣庫(kù)中提取出來，并通過上行信道反饋到發(fā)端，形成通訊信號(hào)的傳輸。其次，發(fā)端在接收到上行信道傳輸?shù)姆答佇盘?hào)后搜尋對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，并按預(yù)先編譯好的方案進(jìn)行信號(hào)傳輸。從有限反饋的預(yù)編碼設(shè)計(jì)原理中可以看出，預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)容量直接影響收端信號(hào)的匹配度，進(jìn)而決定了發(fā)端信號(hào)傳輸?shù)男?。因此，可以說預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)容量是基于碼本的有限反饋MIMO線性預(yù)編碼技術(shù)的核心。

1.2 碼本設(shè)計(jì)及選擇準(zhǔn)則

上述分析揭示了碼本矩陣的設(shè)計(jì)在有限反饋MIMO線性預(yù)編碼技術(shù)中的重要作用，甚至可以說是整個(gè)技術(shù)體系的關(guān)鍵。從現(xiàn)行的技術(shù)體系來看，碼本的設(shè)計(jì)方案包括基于對(duì)信道矩陣進(jìn)行量化來設(shè)計(jì)碼本和對(duì)信道矩陣對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣進(jìn)行量化來設(shè)計(jì)碼本兩類。無論是哪一類碼本設(shè)計(jì)，都遵循一個(gè)基本原則，國(guó)際普遍認(rèn)可的碼本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要包括格拉斯曼尼子空間裝箱原理和DFT兩種。只有在該準(zhǔn)則的約束下進(jìn)行碼本設(shè)計(jì)，才能保證通訊傳輸準(zhǔn)則的同一性，也只有這樣才能實(shí)現(xiàn)全分集階數(shù)的條件下的信號(hào)無障礙傳輸。

通常，碼本的選擇方案不會(huì)拘泥于唯一形式，而是保持與設(shè)計(jì)方案的一致性。如基于projection two-norm距離設(shè)計(jì)的碼本，在接收端的碼本方案主要從ML-SC，MSV-SC和MSE-SC等準(zhǔn)則中進(jìn)行匹配；而基于Fubini-Study距離設(shè)計(jì)的碼本，在接收端的碼本方案主要從MSE-SC（基于行列式的代價(jià)函數(shù)）和Capacity-SC等碼本進(jìn)行選擇。

1.3 比較

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基于碼本的有限反饋比特?cái)?shù)目為4時(shí)，相應(yīng)準(zhǔn)則下的碼字的選擇概率呈現(xiàn)一種特殊的統(tǒng)計(jì)形態(tài)。也就是說，MIMO信道的強(qiáng)弱可以被基于Householder變換的碼本所表征。對(duì)于具有相同層數(shù)的發(fā)送數(shù)據(jù)，利用天線進(jìn)行傳輸?shù)男Ч麜?huì)更加理想，因?yàn)樘炀€能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送分集，以獲得更好的誤碼率性能，從而依靠增加發(fā)端的復(fù)雜度換取性能的提升。

2 基于SVD分解的MIMO線性預(yù)編碼

SVD分解的MIMO線性預(yù)編碼技術(shù)主要是一種以對(duì)收的方式改造信道的預(yù)編碼方案，以實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)結(jié)合和分配的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。在應(yīng)用過程中，收發(fā)兩端的濾波器必須同步設(shè)計(jì)，以消除通訊信號(hào)傳輸?shù)念l率障礙。采用的技術(shù)主要是信道的分解和過濾，信道的分解主要針對(duì)匹配的矩陣進(jìn)行，分解后的信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)過濾會(huì)排除奇異值，在此基礎(chǔ)上將信道進(jìn)行重組和再分配，進(jìn)而完成發(fā)端的預(yù)編碼設(shè)計(jì)。下面以對(duì)信道矩陣進(jìn)行基于SVD分解的MIMO線性預(yù)編碼為例進(jìn)行介紹。

首先，利用SVD分解信道[H=UVFH]，分別得到了兩個(gè)矩陣[U（V）]和對(duì)角矩陣∑，其中表示矩陣的共扼轉(zhuǎn)置。其次，需要設(shè)計(jì)發(fā)端的預(yù)編碼濾波器，通常用[F=V（A）]表示，其中A代表依據(jù)不同的準(zhǔn)則設(shè)計(jì)所獲取的不同功率的分配矩陣，在此基礎(chǔ)上利用F對(duì)信道的改造，從而實(shí)現(xiàn)信道擴(kuò)容和增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。與此一樣，在不同狀態(tài)下，根據(jù)ZF準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的收端G矩陣[G=Λ-1UH]能獲得一樣的效果。

如果發(fā)射平均功率受到外部條件的制約，利用MMSE準(zhǔn)則可以找出最優(yōu)解：

由于信道矩陣的傳輸效果只與其奇異值有關(guān)，因此系統(tǒng)運(yùn)行的效果并不會(huì)受矩陣Z的影響。但由于系統(tǒng)的BER性能取決于子信道的最差值，而這樣的設(shè)計(jì)的結(jié)果就是不同子信道上分配不同的MSE值，因此，為提高系統(tǒng)BER的工作性能，所有子信道需要設(shè)計(jì)相同的MSE性能。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果既能提高BER的整體工作性能，也能極大地簡(jiǎn)化了矩陣設(shè)計(jì)的難度，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

基于SVD分解預(yù)編碼算法及改進(jìn)平均優(yōu)化算法在 2×2，3×2，4×2天線配置下的性能仿真，其系統(tǒng)傳輸性能與天線數(shù)目直接相關(guān)。研究表明在信道數(shù)目不變的情況下，適當(dāng)增加發(fā)送天線的數(shù)量，系統(tǒng)的性能會(huì)得到明顯改善和提高，這是因?yàn)橐肓烁嗟姆旨鲆鎇3]。顯然，不同的天線配置以及優(yōu)化的算法，都會(huì)極大地改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)的收發(fā)性能。與理想信道條件預(yù)編碼技術(shù)的性能相比，基于有限反饋預(yù)編碼技術(shù)采用基于碼本的有限反饋預(yù)編碼算法性能要更加優(yōu)越，但改進(jìn)的空間也很大。

給定這樣一個(gè)假設(shè)條件，即假設(shè)其他條件可以直接引用基于K×K的方陣的MIMO信道H的設(shè)計(jì)編碼。同時(shí)在引用時(shí)忽略求模操作，由基于反饋矩陣B的MIMO信道即三角結(jié)構(gòu)信道來發(fā)送由[ak]連續(xù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)[Xk]，其中k=1，2，…。且由上述公式2可知，設(shè)計(jì)模型可能會(huì)使信道發(fā)送符號(hào)的功率的增加。因此基于上述假設(shè)必須要考慮求模操作，對(duì)其信號(hào)功率的范圍進(jìn)行設(shè)定并約束，所基于M維方形星座點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳播。

基于QR分解的MIMO非線性預(yù)編碼TH預(yù)編碼技術(shù)主要有兩類，一種為基于迫零（ZF）準(zhǔn)則的單用戶THP算法，一種為基于最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則。其中后者的誤碼性能更加優(yōu)越，若誤碼率為10，那么與基于最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則的性能可比前者好6db。因此基于MMSE準(zhǔn)則的THP算法以其優(yōu)越的性能更廣泛的應(yīng)用于實(shí)踐中。

3 基于GMD分解的MIMO非線性預(yù)編碼

與基于QR分解的MIMO非線性預(yù)編碼算法相比，基于GMD分解的編碼算法是采用幾何均值的算法對(duì)不同子信道的SNR進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)均衡獲取。采用這種算法對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行分解，可以獲得具有相同SNR的多個(gè)獨(dú)立并行的5150信道，那么此種情況下，TH預(yù)編碼既能避免了誤碼傳播，又通過求模操作的引入實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的發(fā)送功率的約束。

圖2 基于GMD分解的MIMO非線性預(yù)編碼

對(duì)于非線性碼和線性碼進(jìn)行比較有以下結(jié)論：

1）如果僅從誤碼性能來說，QR-ZF-THP算法的性能增益要比GMD-THP算法的效果差。舉個(gè)例子，如果設(shè)定基于QR-ZF-THP算法的系統(tǒng)誤碼率為10時(shí)，那么MMSE-THP性能要比ZF-THP性能好6dB左右。造成這種局面的主要原因在于THP算法誤碼性能的好壞由性能最差的獨(dú)立并行子信道所決定，而GMD-THP算法的工作原理在于以損失信道的平均信噪比獲取較優(yōu)的誤碼性能。

2）如果撇開信道設(shè)計(jì)本身而僅從系統(tǒng)容量方面來說，GMD THP算法的效果還是存在缺陷的，因?yàn)樵诘托旁氡拳h(huán)境中可能會(huì)造成系統(tǒng)容量的部分損失，而SVD預(yù)編碼技術(shù)的效果則相對(duì)優(yōu)越，其次是QR- ZF-THP，而最差的則是GMD-THP；如果在高信噪比的環(huán)境中，三者的通訊效果會(huì)比較均衡。

4 結(jié)束語

追蹤LTE-Advanced系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提案中的MIMO預(yù)編碼技術(shù)，是掌控電子通訊行業(yè)技術(shù)的主要趨勢(shì)。對(duì)不同類型和階段的MIMO技術(shù)及其預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，有利用實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的理解和掌握。同時(shí)，通過對(duì)LTE中MIMO技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)和測(cè)試方法進(jìn)行分析，可以有效地促使LTE更好的利用這些資源，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化利用。

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