无线通信预编码科技分析

第一章 绪 论1.1 研究背景自上世纪七十年代开始的移动通信革命与互联网革命，使得信息的交流彻底打破了地域与时间的限制，传播速度呈几何爆炸式的增长，不仅改变了人们的生活方式，而且深入的影响到社会经济的各个层面，已经成为现代科技的代表和人类世界不可或缺的一部分。移动通信系统从早期的模拟语音通信网络到目前移动数字互联网络的跨越，总共历经了 4 代的技术革命。每一代移动通信系统都带来了频谱利用率以及信息传输速率的显著提升，并且能够不断兼容新的业务。半导体、集成电路和计算机技术的发展推动了移动通信的理论研究成果向成熟技术的转化，为每次的技术革命起到了重要的推动作用。第一代的移动通信系统的信号调制与处理是模拟的，因此系统带宽与处理能力都较低，仅能提供 9.6k bit/s 的通信速率。该阶段的代表性技术是提出了蜂窝网的组网概念，为将来移动通信系统的发展奠定了重要基础。随着以数字调制与数字信号处理为基础的数字无线电技术的发展，第二代移动通信系统应运而生。数据率相对第一代有了显著提升，并能够支持多种低速数据业务。该阶段的代表性技术是多址方式的改变，以时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）取代了第一代的频分多址（FDMA）。第三代移动通信系统的提出主要是由于互联网技术的发展给传统的语音和低速数据业务带来了较大冲击，人们迫切希望移动通信系统能够支持高速的数据通信和丰富的多媒体应用。系统要求室内 2Mbps、室外 384kbps 以及行车 144kbps 的传输速率。该阶段 CDMA 以其超过 TDMA 约 4 倍的网络容量成为了最具代表性的技术。第四代的移动通信系统在移动互联网的发展和三网融合大背景的影响下，对数据传输速率和系统容量提出了新的更高的要求。CDMA 由于其自扰性的限制，难以达到较高的通信速率。因此，在长期演进（LTE）标准以及长期演进的进一步演进（LTE-Advanced）标准中，将正交频分复用（OFDM）技术以及多天线（MIMO）技术作为第四代系统的主流技术，提出了峰值速率在低速移动、热点覆盖场景下 1G bit/s，高速移动、广域覆盖场景下 100M bit/s 的演进目标。1.2 MIMO 技术简介MIMO 技术[1][2]作为第四代移动通信系统的代表性技术之一，近几年来人们对其进行了广泛且深入的研究。MIMO 技术通过在通信系统的收发两端采用多根天线，将以往接收机与发射机之间的一条物理信道转化为多条独立衰落的物理信道，增加了信息传输的空间自由度，使得信道的容量能够突破香农容量的限制。因此 MIMO 技术也是除了增加基站、扩宽带宽和增加信号发射功率之外增加数据传输速率的重要手段。根据对空间自由度的利用方式的不同，可以将 MIMO 技术的应用分为空间复用和传输分集两大类。前者通过在多根天线上发送不同的信号，利用各个物理信道的独立衰落特性对这些信号进行区分，从而达到增加系统容量、提高频谱利用率的目的，此时MIMO 系统的空间自由度转化为复用增益。后者通过在多根天线上发送相同信号或者同一信号经过编码后的不同副本，在接收端对各个物理信道接收到的信号进行合并处理，来达到提高信号可靠性，降低系统误码率的目的，此时 MIMO 系统的空间自由度转化为分集增益。复用增益与分集增益之间存在着权衡的关系，二者不可兼得，这也是 MIMO系统设计当中所要考虑的重要因素。目前第四代移动通信系统标准 LTE-Advanced 中，基站将配置 8 根天线，终端配置8 根接收天线和 4 根发射天线，这样就可以做到下行 8 发 8 收、上行 4 发 8 收。考虑到基站和终端的空间有限、施工难度和终端成本因素，再增加天线已不现实，因此下行 8×8、上行 4×8 的设计已经是一个极端配置了。1.3 预编码技术简介预编码技术的最初提出是为了解决单用户 MIMO 系统的各个信道间的相关性问题。在理想情况下，MIMO 系统中各个信道的衰落是相互独立的，此时系统能够获得最大的空间自由度，即发射天线数与接收天线数的乘积。然而由于实际系统中设备尺寸与天线距离的影响，各个天线之间不可避免的存在相关性，实际的空间自由度远低于能够达到的最大自由度，严重影响了 MIMO 系统的性能。预编码技术能够根据当前的信道状况对各个天线发送信号进行预处理，使之有效匹配当前信道，消除或减小信道相关性的影响，从而达到提高系统性能的目的。预编码技术同时也被扩展应用到了多用户的 MIMO 系统当中，此时预编码除了用来解决信道间的相关性，还被用来解决用户间的干扰问题。预编码技术利用 MIMO 提供的方向性增益使得不同用户间的信号相互正交，从而达到区分用户和消除或者减小用户间干扰的效果。预编码的处理策略主要受信道信息的种类、发送接收端设计、性能准则和功率限制这四方面因素的影响[5]，介绍如下。第二章 MIMO 系统模型与基础理论2.1 引言本章的主要工作是对 MIMO 系统进行建模，并给出一些与本文相关的理论推导及公式。一个完整的移动通信系统的结构是非常复杂的。我们从上一章所讨论的对 MIMO预编码处理策略有影响的因素出发，对移动通信系统进行了简化抽象，系统框图如图 1在发送端，我们省略了信息比特进行扰码、交织与信道编码以及接收端相对应的处理过程。进入数字调制前的 路比特流均默认为随机高斯分布。层映射采用的是空间复用的策略，因此最后层映射后的 L 路符号流是复高斯随机分布的。在接收端，我们省略了定时同步与信道估计的模块，而假设接收机能够获取当前完整的信道信息。系统包含 根发送天线与 根接收天线，由此形成的个子信道假设均为平坦慢衰落瑞利信道，因此我们也省略了 OFDM 相关的多载波处理模块。在 FDD 的情况下，接收机与预编码模块间需要反馈信道获取信道信息，而在 TDD 的情况下无需此反馈信道。本章接下来将对框图中的重要模块进行详细说明，主要阐明该模块对预编码算法的影响，并给出相关的变量以及公式。第三章 MIMO 预编码技术...........293.1 引言...........293.2 知道完整信道信息下的 MIMO 预编码技术...........293.3 有限反馈预编码...........393.4 LTE-Advanced 标准中的 MIMO 预编码技术 ...........453.4.1 LTE-Advanced 中的空分复用层映射模块...........453.4.2 LTE-Advanced 中的预编码模块...........463.5 本章小结...........47第四章 流最大化传输下的预编码技术...........494.1 引言...........494.2 传统有限反馈预编码的优化效果研究...........494.3 完整信道信息下的传统预编码准则的优化...........524.4 提出适用于流最大化传输的有限反馈预编码...........554.5 流最大化传输下的预编码准则选择策略汇总...........574.6 流最大化传输下的预编码设计仿真验证...........574.6.1 完整信道信息下的传统准则仿真验证 ...........584.6.2 有限反馈预编码新选取准则的仿真验证...........614.7 本章小结...........63第五章 总结和展望...........65结论移动通信系统的设计由于 MIMO 技术的引入而在传输速率和频谱效率方面有了重大的突破。预编码技术作为 MIMO 系统中的一项通过改变信道特性来改善系统性能的重要技术，而被广泛研究并采纳进入新的移动通信标准当中。本文旨在对 MIMO 系统空分复用下的预编码应用进行总结和完善。在总结前人的工作方面，本文首先以影响预编码设计的四种主要因素出发，对整个MIMO 系统与预编码相关的重要模块和预编码的处理流程进行了数学建模和量化，从而可以从矩阵最优化的角度来研究预编码技术。然后本文深入到各种优化的准则之中，描述了各种不同的最优化目标，并利用 Majorization 理论这一数学工具从理论的角度得出了这些准则在酉预编码与非酉预编码下的最优解。接下来本文又从实际系统设计角度出发介绍了有限反馈预编码方式，主要介绍了码本构造与码本选取准则两方面的问题。最后本文描述了实际系统的设计标准 LTE-Advanced 中的预编码技术。在对前人工作进行完善和创新方面，本文研究了在流最大化传输这一特殊情况下的预编码方案，对预编码技术进行了进一步的完善，主要有以下四点贡献：1、证明了传统的有限反馈预编码选取准则在流最大化传输下是无效的。2、证明了满足某种特性的预编码优化准则在流最大化传输下是无法到达最终优化效果的。3、证明了在收发天线数相等的系统中若采用 ZF 接收机，无法在流最大化传输情况下使用酉预编码。4、基于最大化最小 SINR 准则提出了一种低复杂度的适用于流最大化传输与线性接收机的有限反馈预编码选取准则。该准则能够优化 ZF 接收机与 MMSE 接收机下的误码性能，并且有较低的复杂度。