（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）雙向中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

摘要 隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們對無線通訊業(yè)務(wù)的要求不斷提高，有限的頻 帶資源逐漸難以滿足各種日益增長的無線通信業(yè)務(wù)需求，未來無線通信系統(tǒng)將在 高傳輸速率、高可靠性以及多元化服務(wù)等方面面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，如何提高無 線資源的使用效率變得至關(guān)重要。預(yù)編碼技術(shù)作為抵抗信道衰落、抑制多用戶干 擾、提高頻帶利用率的有效手段而逐漸被人們所重視。本文主要研究了雙向中繼 信道上用戶節(jié)點(diǎn)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方案。 本文首先對預(yù)編碼國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，重點(diǎn)闡述了點(diǎn)對點(diǎn)信道模型 下在已知完全信道狀態(tài)信息和在有限信道反饋情況下的預(yù)編碼算法，并簡要探討 了m i m o m a c 和m i m o b c 信道下的預(yù)編碼方案。 其次，本文著重研究了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼信道模型，詳細(xì)推導(dǎo)了a f 和 d f 中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式下三階段中繼和兩階段中繼方案下的可達(dá)速率區(qū)域，并通過性能 仿真比較了各方案的優(yōu)勢和不足。 最后，針對三階段中繼轉(zhuǎn)發(fā)模型，本文對基于容量最大的預(yù)編碼方案進(jìn)行研 究，通過仿真結(jié)果分析不同情況下的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，并對a f 轉(zhuǎn)發(fā)方式給 出了一種新的基于信道矩陣選擇的預(yù)編碼算法。 關(guān)鍵詞：m i m o 中繼雙向信道預(yù)編碼a fd f a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sg r o wr a p i d l ya n dt h el i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ec a n n o tm e e t t h e m 1 h ec h a l l e n g e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r eh i g ht h r o u g h p u t ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y o fw i r e l e s sw i l lb ee s s e n t i a l a sa l le f f e c t i v ea p p r o a c ht oc o m b a tc h a n n e l f a d i n g ， m i t i g a t em u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c ea n de n h a n c et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , p r e c o d i n gi s r e g a r d e dg r a d u a l l yv a l u e db yp e o p l e t h i sm a j o rr e s e a r c h e st h ep r e c o d i n go f u s e rn o d e s o nt h eb i d i r e c t i o n a lr e l a yc h a n n e l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ep r e c o d i n g t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ea l g o r i t h mo fp 2 pm o d e l0 1 1t h ec o n d i t i o no fk n o w nc h a n n e l s t a t ea n dl i m i t e dc h a n n e lf e e d b a c k w ea l s oc o n s i d e rt h ep r e c o d i n gs t r a t e g i e so n m i m o m a ca n dm i m o b cc h a n n e l s s e c o n d l y , t h et w o w a yr e l a yc h a n n e lb a s e do nn e t w o r kc o d i n gh a sb e e ns t u d i e d w eg i v ead e t a i ls t r a t e g yo ft h ea c h i e v a b l er a t ea r e a so ft h et h r e e s t a g ea n dt w o s t a g e r e l a ym o d e su n d e ra fa n dd fm o d e l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s e s t r a t e g i e s a l ec o m p a r e db ys i m u l a t e dr e s u l t s f i n a l l y , w es t u d yt h el a r g e s t - c a p a c i t y b a s e dp r e c o d i n gt e c h n o l o g yo ft h r e e - s t a g e r e l a ym o d e l ，a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i ss t r a t e g yu n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o n s ，a n df o ra ff o r w a r dm o d e l ，p r o p o s ean e wc h a n n e lc h o o s e b a s e dp r e - c o d i n g a l g o r i t h m k e y w o r d ：m i m or e l a yt w o w a yc h a n n e lp r e c o d i n g a fd f 第一章緒論 第一章緒論 1 1 引言 作為當(dāng)今世界最活躍的科研領(lǐng)域之一，無線通信在過去的幾十年里獲得了飛 速的發(fā)展。特別是近年來，隨著無線移動(dòng)用戶數(shù)的急劇增加、用戶對業(yè)務(wù)要求的 不斷增長以及現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)的速度以及應(yīng)用領(lǐng)域更是超過 了固定通信技術(shù)。商用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代，并且還在不斷向前 演進(jìn)。第一代( 1 g ) 移動(dòng)通信系統(tǒng)是模擬通信系統(tǒng)，它的接入方式是頻分復(fù)用 ( f d m a ) ，但由于其容量小、可靠性低等局限性，很快便被第二代窄帶數(shù)字移動(dòng) 通信所取代。第二代( 2 g ) 移動(dòng)通信以至今仍廣泛使用的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)( g s 為代表，它大大提升了通話質(zhì)量和系統(tǒng)容量，而且除語音外還能提供一些數(shù)據(jù)業(yè)“ 務(wù)。第三代( 3 g ) 移動(dòng)通信系統(tǒng)則以支持多媒體業(yè)務(wù)為主要特征，它部分實(shí)現(xiàn)了用戶 對無線通信移動(dòng)性和業(yè)務(wù)多樣性的要求，提供了包括語音、數(shù)據(jù)、傳真、多媒體 娛樂和全球無縫漫游等在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)，在高速移動(dòng)時(shí)還可以達(dá)到1 4 4 k b i t s 的峰 值速率。如今，第四代寬帶高速移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)i m t - a d v a n c e d 正在制定當(dāng)中， 它吸收了多種先進(jìn)無線通信技術(shù)( 如多天線和中繼技術(shù)等) ，可以提供1 g b i t s 的峰 值速率，支持交互多媒體業(yè)務(wù)、高質(zhì)量影像、3 d 動(dòng)畫和寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，是無線 通信發(fā)展中的一次重大飛躍。 隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起，無線通信系統(tǒng)對傳輸 速率和容量等方面都有了更高的要求，傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已不能滿足未來移動(dòng) 互聯(lián)網(wǎng)增長的需求，如何利用有限的無線頻譜資源來滿足不斷增長的通信技術(shù)要 求也就成為一個(gè)重要的研究課題。近年來，多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)的提出使 在無需損失額外頻帶和發(fā)射功率的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率 成為可能，它正以其容量大且可靠性高的優(yōu)勢譜寫著高速無線傳輸?shù)男缕隆?1 2m i m o 技術(shù)簡介 本節(jié)簡要介紹m i m o 技術(shù)產(chǎn)生及發(fā)展概況，并對m i m o 系統(tǒng)的傳輸方案予以 描述。 m i m o 系統(tǒng)的基本思想是：在通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端配置多根天線，利 用信號傳播空間里豐富的散射等空域資源，將多徑傳播轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣麠l件，形成多 2雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 個(gè)物理射頻鏈路，從獲得空間自由度等方面來提高系統(tǒng)容量或者增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒 性【l j 。 m i m o 技術(shù)最早于1 9 0 8 年由m a r c o n i 提出用來抵抗無線衰落。2 0 世紀(jì)7 0 年 代有人提出將m i m o 技術(shù)用于通信系統(tǒng)。進(jìn)入9 0 年代，b e l l 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者t e l a t a r 對m i m o 技術(shù)的研究為該技術(shù)應(yīng)用于無線通信奠定了基礎(chǔ)并產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作 用，并于1 9 9 5 年論述了衰落信道中的m i m o 系統(tǒng)容量。到了1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了一種m i m o 信號處理算法一一對角貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)( d b l a s t ) 算法 【2 】，在理論上此方法可以逼近信道容量的下界。而在1 9 9 8 年t a r o k h 等又給出了用 于m i m o 系統(tǒng)的s t t c ( 空時(shí)格碼) 技術(shù)1 3 1 ，它將a l a m o u t i 雙路發(fā)射分集方案推 廣到多個(gè)發(fā)射天線的情形。同年w o l n i a n s k y 等人建立了基于垂直貝爾實(shí)驗(yàn)室分層 空時(shí)( v - b l a s t ) 算法的m i m o 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 4 1 ，在室內(nèi)試驗(yàn)中該系統(tǒng)的頻譜利用率 達(dá)到2 0b i t s h z 以上，而這一頻譜利用率在傳統(tǒng)系統(tǒng)中是難以實(shí)現(xiàn)的。這些具有歷 史意義的工作為m i m o 無線通信的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，使得之后的m i m o 相關(guān) 技術(shù)研究工作得到迅速發(fā)展。 貝爾實(shí)驗(yàn)室t e l a t a re 和f o s c h i n igj 分別獨(dú)立地研究了高斯噪聲下m i m o 信 道理論上的s h a n n o n 信道容量f 5 】【6 l 。他們的研究表明：在各天線相互獨(dú)立的情況下， 對于發(fā)送端和接收端配置天線數(shù)分別為m 和r 的無線通信系統(tǒng)，在接收端己知信 道傳輸特性的情況下，系統(tǒng)容量將會(huì)隨著收發(fā)天線數(shù)中較小的一方( 即m i n ( n , ，) ) 的增加而線性增加。而增加的這些信道容量可用于提高信息傳輸速率，也可以通 過增加信息冗余來提高系統(tǒng)傳輸可靠性。有研究表明，在相同的發(fā)射功率和傳輸 帶寬條件下，m i m o 系統(tǒng)的信道容量比s i s o 系統(tǒng)的信道容量高4 0 多倍1 2 j 。 信息理論的研究結(jié)果為m i m o 技術(shù)的應(yīng)用提供了理論支持。在移動(dòng)通信系統(tǒng) 中，基站和移動(dòng)臺放置多個(gè)天線，這就構(gòu)成了一個(gè)m i m o 通信鏈路，從而提高了 基站移動(dòng)臺之間鏈路的系統(tǒng)容量，使通信效率得到極大的提升。而與傳統(tǒng)的分布 式天線系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成的分布式m i m o 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系 統(tǒng)的優(yōu)勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時(shí)還能夠顯著提高信道容量。 與集中式m i m o 相比，分布式m i m o 系統(tǒng)中基站天線之間距離較遠(yuǎn)，不同天線與 移動(dòng)臺之間形成的信道衰落可以看作是不相關(guān)的，信道容量也更大，同時(shí)分布式 m i m o 系統(tǒng)也具有良好的擴(kuò)展性和靈活性。 m i m o 系統(tǒng)成功突破了s i s o 信道容量的瓶頸，推廣了傳統(tǒng)s h a n n o n 信道容量， 從而提供了解決未來無限互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)容量需求等問題的方 法。 第一章緒論 3 1 2 1 常用m i m o 技術(shù) 受到系統(tǒng)配置天線數(shù)的限制，m i m o 系統(tǒng)的各項(xiàng)性能不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)， 因此我們需要對它們做一個(gè)折中，根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)，就構(gòu)成了不同的m i m o 技 術(shù)的種類。本節(jié)我們對常用的m i m o 技術(shù)做一個(gè)簡單的介紹。 空間分集技術(shù) 為克服信道衰落，我們可以傳輸多個(gè)獨(dú)立信號樣本，由于所有信號同時(shí)受到 相同信道衰落的影響的概率很小，所以這樣在很大的概率上就可以保證收到的信 號質(zhì)量較好。由電磁場的理論可知，在空間上的細(xì)小變動(dòng)將可能引起場強(qiáng)的較大 變化，因此如果使用多個(gè)相距一定距離的接收信道，即接收端采用多根天線獨(dú)立 的接收同一信號，則其衰落程度將被大大減小，這就是空間分集。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)， 為獲得空間分集增益，兩根接收天線的間距應(yīng)大于0 6 個(gè)波長，且最好選在l 4 波 長的奇數(shù)倍附近。 在分集接收的過程中，接收端從n 個(gè)統(tǒng)計(jì)不相關(guān)的支路上獲得同一信號，再 通過合并技術(shù)來獲得分集增益來對抗信道衰落。從準(zhǔn)則和方式來考慮，分集合并 方式可以分為最大比合并、等增益合并和選擇合并。值得指出的是，當(dāng)分集重?cái)?shù) 較大時(shí)，采用等增益合并的增益與最大比合并的增益大致相同，但顯然等增益合二：；， 并實(shí)現(xiàn)起來要比最大比合并簡單的多。 空間復(fù)用技術(shù) 相對于單天線系統(tǒng)，m i m o 系統(tǒng)利用v - b l a s t 等空間復(fù)用技術(shù)來提高傳輸速“ 率?？臻g復(fù)用技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)是如何將多個(gè)混疊的數(shù)據(jù)流分離，這主要使用串 行抵消等檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)量增多時(shí)，這類方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也將大 幅增加。另外，為減少接收端處理信號的復(fù)雜度，干擾抵消也可以在發(fā)射端實(shí)現(xiàn)， 這也就是預(yù)編碼技術(shù)。 波束成型技術(shù) 所謂波速成型就是指根據(jù)當(dāng)前的信道信息來對同一符號不同的復(fù)數(shù)因子加權(quán) 之后通過每個(gè)發(fā)送天線發(fā)送或?qū)Σ煌窂降牡竭_(dá)信號進(jìn)行相干合并的技術(shù)。通過 波速成型可以獲得分集和陣列增益 r l ，所以我們可以用它來增強(qiáng)小區(qū)覆蓋。此外， 還可以用隨機(jī)波速成型技術(shù)來隨機(jī)化信道增益，從而使多用戶系統(tǒng)中的用戶調(diào)度 更加公平。 多用戶技術(shù) 多用戶傳輸是指多個(gè)用戶在同一頻段上同時(shí)與基站進(jìn)行通信，這樣可以極大 地提高頻譜利用率。相對單用戶來說，多用戶傳輸要復(fù)雜得多，這主要體現(xiàn)在用 戶調(diào)度和用戶間的干擾抵消兩方面【8 j 。當(dāng)用戶數(shù)大于基站天線數(shù)時(shí)就需要有用戶調(diào) 4 雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 度，其準(zhǔn)則主要有最大化系統(tǒng)和速率、最小化用戶間干擾和公平準(zhǔn)則等。在選定 用戶之后，由于用戶間的干擾，接收信號質(zhì)量會(huì)受到很大的影響。這時(shí)候就需要 進(jìn)行用戶間的干擾抵消，由于一般情況下用戶不知道其他用戶的信息，則就需要 在基站上對各用戶的信號進(jìn)行如臟紙編碼、迫零預(yù)編碼以及正交空分復(fù)用等的預(yù) 處理。 1 2 2m i m o 系統(tǒng)的傳輸方案 m i m o 技術(shù)實(shí)際上就是空時(shí)信號處理技術(shù)，它將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來， 通過信道環(huán)境中的隨機(jī)衰落和多徑傳播來提高性能，其傳輸方案也在發(fā)送端和接 收端是否知道信道狀態(tài)信息的條件下有不同的劃分。 發(fā)送端和接收端均未知信道狀態(tài)信息 這種情況下的有關(guān)編碼方法主要有差分空時(shí)編碼【9 】和酉空時(shí)編碼【1 0 l 等，這些編 碼方法可以避免m i m o 系統(tǒng)復(fù)雜的信道估計(jì)過程，從而大幅度降低收發(fā)間的信令 開銷。但是這類技術(shù)在性能方面受到諸多因素的影響，還有待深入研究。 只有接收端已知信道狀態(tài)信息 對于點(diǎn)對點(diǎn)的單用戶系統(tǒng)，傳統(tǒng)的m i m o 技術(shù)主要有三類：貝爾實(shí)驗(yàn)室分層 空時(shí)碼( b l a s t ) ，它要求天線間信道互相獨(dú)立，包括d b l a s t 、v - b l a s t 和 h b l a s t 等，主要用來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益；空時(shí)編碼，它主要實(shí)現(xiàn)空間分集，是 利用空間多路傳輸來獲得空間分集增益，它由a l a m o u t i 首先提出的i l ，主要包括 基于正交化設(shè)計(jì)的空時(shí)分組碼( s t b c ) 【3 1 、基于網(wǎng)格編碼思想的空時(shí)格碼( s t t c ) t 1 2 】 和適合任何天線數(shù)配置的空時(shí)分組碼，空時(shí)編碼對系統(tǒng)天線間的相關(guān)性要求不高， 具有很強(qiáng)的實(shí)用性：混合兩種增益性能的編碼技術(shù)，即考慮傳輸速率和系統(tǒng)誤比 特率的折中【1 3 l 。此外還有采用線性疏散碼的構(gòu)造方法【1 4 】。 對于多用戶m i m o 系統(tǒng)來說，由于用戶間具有較大的干擾，在利用單用戶 m i m o 的技術(shù)時(shí)還需要借助一定的干擾消除技術(shù)。 發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息 發(fā)送端在已知信道狀態(tài)信息的情況下，多天線將帶來更高的系統(tǒng)性能增益。 例如對一個(gè)接收端和發(fā)送端分別配置天線數(shù)為4 和2 的m i m o 系統(tǒng)，在獨(dú)立同分 布的平坦衰落信道下，當(dāng)信噪比為5 d b 時(shí)，發(fā)端已知信道狀態(tài)信息會(huì)使系統(tǒng)容量 翻倍，而在信噪比為5 d b 時(shí)，系統(tǒng)容量可以額外增加1 5 b p s h z ”】，這樣的信噪比 范圍在實(shí)際系統(tǒng)，如w i f i 和w i m a x 中是比較常見的。在非獨(dú)立同分布的信道條 件下，發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息將會(huì)帶來更大的性能增益。 m i m o 預(yù)編碼是一種利用信道狀態(tài)信息對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理，以提高系統(tǒng) 第一章緒論 5 性能的技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以減少用戶間的干擾、抵抗信道衰落造成的 影響，從而使信號能夠更好地適應(yīng)信道傳輸，并能夠提高頻帶利用率等。關(guān)于預(yù) 編碼的相關(guān)理論我們將在下一節(jié)進(jìn)行討論。 1 3m i m o 預(yù)編碼技術(shù) 作為提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率的鏈路自適應(yīng)技術(shù)之一，m i m o 預(yù)編碼技 術(shù)獲得了廣泛關(guān)注。其實(shí)“預(yù)編碼”這一名詞的起源甚至要早于m i m o 技術(shù)的出 現(xiàn)，起初對于這項(xiàng)技術(shù)的界定并不統(tǒng)一，它既可以指級聯(lián)碼中的外編碼器，也可 以指應(yīng)用于存在碼問干擾的信道中的匹配發(fā)送技術(shù)。而在2 0 世紀(jì)9 0 年代末m i m o 技術(shù)出現(xiàn)之后，“預(yù)編碼 這一名詞開始廣泛的用來表示當(dāng)發(fā)送端已知信道狀態(tài)信 息時(shí)，對發(fā)送信號所進(jìn)行的預(yù)處理過程。起初它僅限于線性操作，但是隨著它不 斷被研究、發(fā)展到現(xiàn)在，廣義預(yù)編碼可以泛指在接收端進(jìn)行的任何預(yù)處理操作。 1 3 1 信道狀態(tài)信息的獲取 預(yù)編碼技術(shù)的關(guān)鍵是發(fā)送端如何獲取信道狀態(tài)信息，以及如何利用這些信息 對發(fā)送信號進(jìn)行優(yōu)化處理。在一個(gè)通信系統(tǒng)中，發(fā)送端可以通過互易調(diào)用或使用 反饋來獲得信道狀態(tài)信息。 對于時(shí)分雙工( t d d ) 系統(tǒng)，通常利用上下行鏈路的對偶性。時(shí)分雙工系統(tǒng)的 上行鏈路和下行鏈路通常具有相同的天線和頻率帶寬，當(dāng)兩條鏈路之間的間隔與 信道相干時(shí)間相比可忽略時(shí)，兩條鏈路所經(jīng)歷的信道是完全或者是近似相同的。 但是，由于上下行鏈路不可能同時(shí)使用同一頻率，則這種方法只能獲得近似相同 的信道狀態(tài)信息。 對于頻分雙工( f d d ) 系統(tǒng)，一般采用反饋技術(shù)【1 6 1 獲取信道信息，即發(fā)送端在 發(fā)送信號的同時(shí)發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收端根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號估計(jì)信道狀態(tài)信息， 然后通過特定的反饋鏈路將信道狀態(tài)信息反饋回發(fā)送端。這種方式不受關(guān)于頻率 和天線空間分布等的限制，且得到的信道狀態(tài)信息更加精確，但是會(huì)占用一定的 反向鏈路資源，同時(shí)還會(huì)帶來反饋延遲。 1 3 2 預(yù)編碼的分類 預(yù)編碼大致上可以分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼。與非線性預(yù)編碼相比， 線性預(yù)編碼有較低的復(fù)雜度且在實(shí)際系統(tǒng)中更易實(shí)現(xiàn)，其中具有代表性的有基于 6 雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 迫零( z f ) 的線性預(yù)編碼【l 刀和在此基礎(chǔ)上提出的兩種改進(jìn)的線性預(yù)編碼方法：塊對 角化( b d ) 和連續(xù)優(yōu)化( s o ) 預(yù)編碼，它們的主要目的都是要最大化用戶的信干噪聲 比( s i n r ) ，但這類方法對接收端發(fā)送端天線有一定要求。另一種線性預(yù)編碼方法【l 硼 是將用戶信漏噪聲比( s l n r ) 作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這種方案可以防止噪聲的進(jìn)一步擴(kuò)大， 且對收發(fā)天線數(shù)沒有限制。此外還有最小均方誤差( m m s e ) 預(yù)編碼方法、奇異值分 解、特征矢量以及最大比傳輸( m r t ) 預(yù)編碼方法等，具體內(nèi)容我們將在后文詳細(xì)討 論。 非線性預(yù)編碼主要有臟紙編碼( d p c ) 1 9 3 0 3 1 】，t o m l i n s o n h a r a s h i m a 預(yù)編碼 ( t h p ) t 2 2 ，2 3 】等。臟紙編碼在理論上最接近m i m o 信道的容量上限，但是由于其算法 的復(fù)雜度高且實(shí)現(xiàn)困難，從而又提出了一種在復(fù)雜度和性能之間折中的編碼方案， 即為t h p 方法。在不考慮功率增益的情況下，t h p 在容量上接近m i m o 信道容量， 并且在發(fā)送端已知信道完全狀態(tài)信息的情況下，可以獲得滿足要求的誤差性能， t h p 是一種能夠兼顧性能和復(fù)雜度的預(yù)編碼算法。 1 3 3 預(yù)編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀 預(yù)編碼技術(shù)已經(jīng)在無線網(wǎng)絡(luò)寬帶技術(shù)w i m a x 標(biāo)準(zhǔn)i e e e 8 0 2 16 e 和3 g p pl t e 等無線通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展及硬件設(shè)備性能的提高， 預(yù)編碼技術(shù)在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)具有非常廣闊的前景。 目前對m i m o 系統(tǒng)預(yù)編碼技術(shù)的研究大多都是在假設(shè)發(fā)送端和接收端已知完 全或部分信道狀態(tài)信息的條件下進(jìn)行的。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在一定的處理時(shí)延且 無線信道本身具有的時(shí)變特性，信道狀態(tài)信息是很難得到的，因此，在探討如何 得到更加完善的信道狀態(tài)信息的時(shí)候，我們還需要對在系統(tǒng)只有不準(zhǔn)確的信道狀 態(tài)信息的情況進(jìn)行研究口4 1 1 2 5 1 。 1 4 中繼技術(shù)簡介 對協(xié)同中繼系統(tǒng)的研究最早可以追溯到四十多年前，v a l ld e rm e u l e n 在1 9 6 8 年提出了三終端中繼信道，并初步推導(dǎo)了這種系統(tǒng)的信道容量上下界1 2 6 1 1 2 7 。之后， c o v e r 又對這些研究進(jìn)行了拓展，做出了不少標(biāo)志性的貢獻(xiàn)。但是到了上世紀(jì)八十 年代，有關(guān)協(xié)同中繼系統(tǒng)的研究逐漸減少，直到本世紀(jì)初才再次引起了研究者的 廣泛關(guān)注。中繼協(xié)作通信的基本思想是使用中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號處理之后再 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，它是利用一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)幫助一對或多對節(jié)點(diǎn)通信的技術(shù)。采用 中繼可以為通信的節(jié)點(diǎn)提供額外的分集增益、提升系統(tǒng)的可達(dá)速率并改善接收節(jié) 第一章緒論 7 點(diǎn)的誤碼率性能。同時(shí)，中繼技術(shù)還是提高移動(dòng)用戶在小區(qū)邊緣通話質(zhì)量的有效 手段之一。另外，引入中繼節(jié)點(diǎn)還可以節(jié)省終端發(fā)射功率，延長終端電池壽命。 1 4 1 中繼傳輸策略 在中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中，中繼上的傳輸策略對系統(tǒng)的性能具有極其關(guān)鍵的影 響，近幾年來對中繼傳輸策略的研究已成為熱門的領(lǐng)域之一。目前，中繼傳輸策 略主要有放大轉(zhuǎn)發(fā)) 、編碼轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)( d f ) 、壓縮轉(zhuǎn)發(fā)( c o m p r e s sa n df o r w a r d ， c f ) 、計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)( c o m p u t ea n df o r w a r d ，c f ) 等。 l a n e m a n 等人早在2 0 0 1 年就提出了協(xié)作通信系統(tǒng)中的中繼a f 方案【2 8 】，中繼 節(jié)點(diǎn)通過對接收到的發(fā)送端信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分集增益，基站將中 繼轉(zhuǎn)發(fā)信號和發(fā)送端直接發(fā)送信號進(jìn)行合并判決。盡管中繼處理時(shí)放大了噪聲， 但由于接收端收到的是兩路獨(dú)立信號，所以最后還是能夠做出較好判決。a f 方案 因其低復(fù)雜度和算法簡單的特性已成為應(yīng)用非常廣泛的轉(zhuǎn)發(fā)方案之一。2 0 0 7 年， t c u i 、t h o 和j k l i e w e r 將a f 應(yīng)用到多中繼網(wǎng)絡(luò)中并與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)相結(jié)合，通 過分析其中斷概率和遍歷容量證明了其良好的性能【2 9 】。到了2 0 1 0 年，f r o e m e r 和m h a a r d t 等人又將a f 引入到m i m o 系統(tǒng)中并對其進(jìn)行研究，提出了改進(jìn)后的 具有更低復(fù)雜度的方案【3 們。 2 0 0 2 年，t e h u n t e r 等人又提出了一種通過兩條不同的且相互獨(dú)立的衰落信道 來發(fā)送每個(gè)用戶碼字的不同部分的編碼協(xié)作方案，它實(shí)現(xiàn)了較a f 方案更好的性能 3 q 。隨后，t e h u n t e r 和n o s r a t i n i a a 等人對這種編碼協(xié)作方案分別在在慢衰落和 快衰落信道下進(jìn)行了深入的探討【3 2 l 。2 0 0 8 年，a l a z e m f 等人提出了無線網(wǎng)絡(luò)中的 自適應(yīng)編碼協(xié)作方案，進(jìn)一步提高了該方案的性能，并拓展了它的應(yīng)用領(lǐng)域【3 3 1 。 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案是由s e n d o n a r i 等人在2 0 0 4 年提出來的1 3 4 1 1 3 5 】。在這種方案下， 中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信號先進(jìn)行譯碼，然后對譯碼信息重新進(jìn)行編碼調(diào)制，再發(fā) 送到目的節(jié)點(diǎn)，這樣就有效地消除了高斯白噪聲的影響。d f 在高信噪比條件下優(yōu) 異的性能使得它的應(yīng)用領(lǐng)域異常廣泛。2 0 0 8 年，l uz h a n g 和c i m i n i l j 等人將d f 方案擴(kuò)展到自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中，并應(yīng)用到多源多宿網(wǎng)絡(luò)1 3 6 。次年，u y s a l m 等人又 根據(jù)d f 的原理提出了一種新的中繼選擇策略 3 7 1 ，引起了廣泛的關(guān)注。 2 0 0 5 年，y m a n q i 等人在壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的量化方案【3 8 1 ， 這種方案在不降低失真度的情況下，提高了壓縮效率并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。而 在2 0 1 0 年，j o s e pv i d a l 等人又將壓縮轉(zhuǎn)發(fā)推廣到m i m o 系統(tǒng)中，并且證明了在已 知信道狀態(tài)信息的情況下，壓縮轉(zhuǎn)發(fā)方案可以實(shí)現(xiàn)相較于d f 更優(yōu)異的性能。 b n a z e r 等人在2 0 0 8 年針對多源多中繼的網(wǎng)絡(luò)提出了計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方案【3 9 】，從而 8 雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 大幅提高了系統(tǒng)的性能，隨后又將n e s t e dl a t t i c e 碼引入計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方案中，進(jìn)一步拓 寬了這種方案的應(yīng)用環(huán)境。2 0 0 9 年，j i e n i n gz h a n 等人將計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用于m i m o 系統(tǒng)，然后又推廣到雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中，與傳統(tǒng)的中繼傳輸策略進(jìn)行了比較分析【刪。 由于固定中繼主要采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方案和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案作為傳輸策略，所以本 文主要基于這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方案進(jìn)行討論。 1 4 2 中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類 協(xié)作中繼可以有多種分類方式，如按中繼數(shù)量可以分為單中繼模型和多中繼 模型，還可以按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為雙跳和多跳模型。本文主要研究單中繼雙跳模型， 這種模型中比較典型有t 型中繼網(wǎng)絡(luò)和雙向中繼網(wǎng)絡(luò)。 t 型中繼網(wǎng)絡(luò)模型 圖1 1m i m o 單中繼t 型網(wǎng)絡(luò)模型 圖1 1 是典型的包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的單中繼通信系統(tǒng)模型。對于 具有一個(gè)中繼的系統(tǒng)提出了兩種基本的轉(zhuǎn)發(fā)策略譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)。采用 這些技術(shù)可以得到一些經(jīng)典中繼信道的信道容量。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間直 接鏈路信道損耗較大時(shí)，可以假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間無直接鏈路，即發(fā)送節(jié) 點(diǎn)將信息編碼發(fā)送給中繼，目的節(jié)點(diǎn)只接收來自中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信息。此時(shí)圖1 1 的三 節(jié)點(diǎn)中繼系統(tǒng)模型便成了具有一對收發(fā)節(jié)點(diǎn)的單跳中繼網(wǎng)絡(luò)模型。針對該種網(wǎng)絡(luò) 模型，可以證明將中繼轉(zhuǎn)發(fā)矩陣設(shè)計(jì)成使發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間形成相互獨(dú)立的 并行信道的結(jié)構(gòu)是一種最優(yōu)解決方案。引入單向中繼后，實(shí)際系統(tǒng)中原來的盲點(diǎn) 區(qū)域可以通過部署中繼站來解決覆蓋，從而保證這些區(qū)域可以通過中繼的轉(zhuǎn)發(fā)來 得到基站的數(shù)據(jù)，另外，還可以部署在一些熱點(diǎn)區(qū)域中，利用提高系統(tǒng)容量來保 證區(qū)域中的高速率要求。 從單向中繼模型可以看出，在提高邊緣用戶性能的同時(shí)，它也浪費(fèi)了時(shí)隙等 一些資源。因此，單向中繼主要用于擴(kuò)大覆蓋，而無法有效提高系統(tǒng)的頻率效率。 雙向中繼信道 為克服單向中繼信道在無線傳輸頻譜上的不足，學(xué)者們提出了雙向中繼信道， 但受到早期傳統(tǒng)路由器只能是存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式觀念的限制，提高頻譜效率的問題在 很長一段時(shí)間內(nèi)都沒有找到有效的解決辦法。直到2 0 0 0 年，r a h l s w e d e 等人創(chuàng)造 第一章緒論9 性的提出了網(wǎng)絡(luò)編碼這個(gè)全新的概念【4 1 1 1 4 2 1 ，它巧妙地將編碼與中繼有機(jī)地結(jié)合起 來，構(gòu)建了一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。在中繼節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，可以獲 得更高的吞吐量和更廣的覆蓋范圍。 無線雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的基本思想是兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互。根 據(jù)交換信息所占用的時(shí)隙多少，可以分為四階段中繼、三階段中繼和兩階段中繼。 四階段中繼即為傳統(tǒng)的無線中繼網(wǎng)絡(luò)，它可以簡單的看作兩個(gè)單向中繼的組合。 三階段中繼和兩階段中繼在廣播階段都是基于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，并在中繼節(jié)點(diǎn)將信 號進(jìn)行處理后再發(fā)送出去。與傳統(tǒng)的無線中繼網(wǎng)絡(luò)相比，三階段和兩階段中繼方 案大大節(jié)省了時(shí)間資源，提高了整個(gè)系統(tǒng)的容量1 4 3 】【4 7 1 。雙向中繼信道在蜂窩系統(tǒng) 和端對端網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)出了很高的應(yīng)用潛力，因此近年來又重新得到了學(xué)術(shù)界和工 業(yè)界的重視。 1 4 3 中繼技術(shù)發(fā)展概況 由于基于中繼的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以有效降低由路徑損耗所造成的功率資 源的浪費(fèi)、提高頻譜利用率，而且它還可利用自組織a dh o c 網(wǎng)的多跳連通思想提 高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，所以近年來中繼技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。在通信標(biāo) 準(zhǔn)制訂中，如未來移動(dòng)通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、l t e 、b 3 g 、4 g 等) 、無線局域網(wǎng)( w l a n ) 和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)( 8 0 2 1 6 j ) 等都引入了中繼的概念，還考慮了中繼輔助通信中可能存 在的問題。歐盟無線世界開創(chuàng)新無線電( w i n n e r ) 計(jì)劃也對寬帶移動(dòng)無線中繼網(wǎng)絡(luò) 做了詳細(xì)的規(guī)劃。3 g p p 在其長期演進(jìn)( l t e ) 階段的研究中指出：“在未來演進(jìn)的通 信系統(tǒng)中，為了提高覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，引入多跳的概念是一種行之有效的手 段 ，在l t e a d v a n c e d 中把中繼定位為關(guān)鍵技術(shù)之一【鎬】。 1 5 本文研究內(nèi)容及安排 本文對m i m o 雙向中繼信道及其預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行了研究，主要針對基于三階 段中繼傳輸策略下的預(yù)編碼方案，分別探討了在a f 中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式以及d f 中繼轉(zhuǎn) 發(fā)方式下的基于容量最大的不同預(yù)編碼方案的性能優(yōu)劣，提出在雙向中繼信道模 型下的預(yù)編碼最優(yōu)方案。 本文的具體內(nèi)容安排如下： 第一章闡述了無線通信的發(fā)展現(xiàn)狀并對無線通信中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡 要介紹； 第二章介紹了預(yù)編碼技術(shù)基礎(chǔ)，包括一些主要的點(diǎn)對點(diǎn)m i m o 預(yù)編碼算法， 以及一些m i m o m a c 和m i m o b o 預(yù)編碼方案。 第三章主要對基于網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向無線信道的模型及其可達(dá)速率進(jìn)行研究； 第四章對三階段中繼上基于信道容量最大的預(yù)編碼算法進(jìn)行研究，對不同預(yù) 編碼構(gòu)造方案進(jìn)行比較，并提出一種基于信道矩陣選擇的預(yù)編碼算法。 第五章總結(jié)全文，并對下一步還需要做的工作提出意見和建議。 第二章m i m o 預(yù)編碼技術(shù) 第二章m i m o 預(yù)編碼技術(shù) 在無線通信系統(tǒng)中，使用多天線技術(shù)能夠帶來明顯的系統(tǒng)增益，而且當(dāng)發(fā)送 端能夠獲得信道狀態(tài)信息時(shí)，若對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理，系統(tǒng)性能將得到更大幅 度的提高。m i m o 預(yù)編碼技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)更高的空間復(fù)用并增強(qiáng)系 統(tǒng)可靠性目前主要的預(yù)編碼方法都是基于線性的，且線性預(yù)編碼技術(shù)具有很強(qiáng) 的實(shí)用性，是下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)中必定采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。 2 1m i m o 信道模型 發(fā) 送 端 圖2 1m i m o 系統(tǒng)模型 如圖2 1 所示為一個(gè)m i m o 通信系統(tǒng)，在發(fā)送端和接收端配置的天線數(shù)分別 為，和，則該信道包含| ，個(gè)s i s o 子信道，假設(shè)信道為平坦衰落的接收 信號可表示為： y = 厶& + 刀( 2 1 ) 其中，y = 隊(duì)，耽，y ，】7 為接收端的接收信號向量；x = k ，屯，x m 】r 為發(fā)送端 的發(fā)送信號向量；信道矩陣為： 日= 啊2 啊r kr h n 。2 h n r n t 且表示第0 f ) 根發(fā)送天線到第i ( 1 f ，) 根接收天線之間的信道； 刀= h ，他，k r 為噪聲向量，珥表示第f 根接收天線上接收到的加性噪聲，且有 f , n n 片】- 仃2 k ，仃2 為噪聲功率。 假設(shè)信道是時(shí)不變的，這種情形下此m i m o 系統(tǒng)的信道容量c 可以用互信息 1 2雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 來衡量，即有： c = m a x i ( x ；y ) ( 2 2 ) ，o j 其中，廠( x ) 表示x 的概率分布，( x ；y ) 表示x 和y 之間的平均互信息量。 另外，t e l a t a r 推導(dǎo)出的m i m o 系統(tǒng)的高斯信道容量公式為： c = a e t ( 如，+ 吉r ) q 渤 其中，k = e x x r 】表示輸入信號自相關(guān)函數(shù)。當(dāng)發(fā)送端各天線相互獨(dú)立時(shí)有k 為 對角陣。 當(dāng)接收端已知信道狀態(tài)信息時(shí)，我們可以通過注水理論來得到系統(tǒng)容量，即： c：善fl092(1+-孑-log) ( 2 4 ) c = iu l ) i ( 2 4 f 毒l 其中k 為注水均值， ( 1 f m ) 為信號特征向量，m = m i n ( n , ，r ) 。 若沒有信道狀態(tài)信息，發(fā)送端可以通過采用等功率發(fā)送來得到信道容量的最 大值，設(shè)p 為發(fā)送端總功率，則有： =善m(以+壽2c l o ) 億5 ， = i9 2 ( 1 + 熹) i ( 2 5 ) j l l o r o 由于m = m i n ( n , ，) ，則可看出m i m o 系統(tǒng)滿足子信道獨(dú)立性假設(shè)時(shí)，其信 道容量隨m 的增大而線性增加。 2 2 點(diǎn)對點(diǎn)m i m o 預(yù)編碼 點(diǎn)對點(diǎn)m i m o 信道具有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，結(jié)合了預(yù)編碼的點(diǎn)對 點(diǎn)m i m o 信道模型如圖2 2 所示。 x 。 預(yù) ，v 辦 接 收 r 編 x 、 h 端 r 碼 處 理 圖2 2 點(diǎn)對點(diǎn)m i m o 預(yù)編碼系統(tǒng)模型 設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)裝備m 根天線，目的節(jié)點(diǎn)裝備，根天線。 離散平坦衰落的m i m o 系統(tǒng)線性預(yù)編碼模型為： y = h f x + n ( 2 6 ) 其中，y 為接收端收到的符號向量，x 為發(fā)送端發(fā)送的符號向量，h 為信道矩陣， ，為發(fā)送端預(yù)編碼矩陣。 第二章m i m o 預(yù)編碼技術(shù) 點(diǎn)對點(diǎn)預(yù)編碼方案可以分為有完全信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼和有限反饋預(yù)編 碼。當(dāng)發(fā)送端有完全信道狀態(tài)信息時(shí)，還可以利用波束成型技術(shù)來提高系統(tǒng)的分 集和陣列增益。當(dāng)發(fā)送端只能獲得有限信道狀態(tài)信息時(shí)，預(yù)編碼方案可以通過采 用碼本選擇的形式來實(shí)現(xiàn)。可以說，點(diǎn)對點(diǎn)m i m o 系統(tǒng)的預(yù)編碼方案已經(jīng)得到了 深入的研究。下面我們對這兩種方法進(jìn)行簡要介紹。 2 2 1 有完全信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼 ，v 裂如s x 、x h rfr 圖2 3 線性預(yù)編碼框圖 圖2 3 為線性預(yù)編碼結(jié)構(gòu)框圖，它是發(fā)射端完全已知完全信道狀態(tài)信息下的理 想預(yù)編碼方法。其中，f = 臚，p 為縮放因子，作用是為保證發(fā)送端的預(yù)編碼矢 量滿足功率約束條件，且pt r a c e ( f f f h ) = l 。 類似于式2 1 ，對離散平坦衰落的m i m o 系統(tǒng)，有線性預(yù)編碼模型： y = 古嘛+ 療) ( 2 - 7 ) 其中，y 為接收端收到的符號向量，x 為發(fā)送端的符號向量，日為信道矩陣， f 2 吉戶為發(fā)送端預(yù)編碼矩陣。 下面介紹幾種常見的線性預(yù)編碼方法： 迫零( z f ) 線性預(yù)編碼方法 在z f 預(yù)編碼算法中，發(fā)端預(yù)編碼信號矢量為： 舅= f x ( 2 8 ) 且有 f = 臚= 膽以( 2 9 ) 則接收端收到的接收信號矢量為： y = z + 吉刀 c 2 加， 其中p 為縮放因子，作用是為保證發(fā)射的預(yù)編碼矢量的功率約束條件，即 盧= 1 - h - n ) 2 1 1 ) 1 4雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 該盧值在接收端通過自動(dòng)增益控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，接收端的接收信號通過其倒 數(shù)來補(bǔ)償。當(dāng)信道很差時(shí)，盧值會(huì)變的非常小，這相當(dāng)于一般系統(tǒng)中有較低的s n r 的情況。 容易看出，迫零線性預(yù)編碼雖然能夠消除信號之間的干擾，但是往往會(huì)造成 噪聲的放大，整個(gè)系統(tǒng)的性能并不是很好。為此，人們提出了m m s e 預(yù)均衡。 最小均方誤差( m m s e ) 線性預(yù)編碼 若在構(gòu)建預(yù)編碼矩陣時(shí)采用m m s e 法則，可在接收端得到滿足均方誤差最小 的接收信號，即 戶= a r g 睜e 妙( h f x + 刀) 一制 ( 2 1 2 ) 豇e l l 刊1 2 ：只 ( 2 1 3 ) 其中，盧為縮放因子，保證預(yù)編碼矢量滿足發(fā)送端功率約束條件，為發(fā)送端總 功率。 若發(fā)送端采用平均功率分配，有最優(yōu)解為： f = p f q 1 4 ) 其中 瑚h p 年矧 億，5 ， 目 p = 后而 ( 2 1 6 ) 由于m m s e 線性預(yù)編碼算法是通過利用m m s e 準(zhǔn)則來選取預(yù)編碼矩陣f ，與 z f 線性預(yù)編碼算法相比，雖然算法復(fù)雜度有所增加，但預(yù)編碼的性能也有一定的 提高。 基于奇異值分解的預(yù)編碼方案 ，v 心u h 玉 x v x h y rr 圖2 4 基于奇異值分解的m i m o 傳輸系統(tǒng) 基于奇異值分解的預(yù)編碼方案是一種比較直接的且在信息論意義上最優(yōu)的方 案，如圖2 4 所示，這種方案需要發(fā)射端和接收端進(jìn)行聯(lián)合處理。 此方案下最優(yōu)預(yù)編碼矩陣為信道的右奇異矩陣，即首先對信道矩陣進(jìn)行奇異 值分解，有 第二章m i m o 預(yù)編碼技術(shù) h = u z v 爿 ( 2 1 7 ) 其中u 、v 為酉矩陣，為對角矩陣，其對角線上的元素為信道矩陣的特征值。 則在理想的預(yù)編碼情況下，預(yù)編碼矩陣f = v 。 接收端接收到的經(jīng)過預(yù)編碼后的信號為： ，= h f x + 刀= h v x + 刀 ( 2 1 8 ) 在接收端檢測時(shí)乘以矩陣u h 得： u h r = u h h v x + u h v = u o z v 胃v x + u 擰 ( 2 1 9 ) ：殛+ ( 廠胃刀 從上面的公式可看出在理想預(yù)編碼情況下，預(yù)編碼矩陣與信道特性完全匹配， 可以消除空間復(fù)用中數(shù)據(jù)流之間的干擾。與不采用預(yù)編碼技術(shù)相比，可以有效地 提高系統(tǒng)吞吐量，但誤碼率也會(huì)相應(yīng)的增加。 。 由上面的討論我們可以看出，當(dāng)已知完全信道狀態(tài)信息時(shí)，發(fā)送端的預(yù)編碼 方法比較簡單，算法復(fù)雜度也不高，但是在大多數(shù)的實(shí)際系統(tǒng)中，發(fā)送端一般無 法完全已知信道狀態(tài)信息，而只能獲得部分信道信息，這時(shí)就需要利用基于部分 信道信息的有限反饋預(yù)編碼的預(yù)編碼矩陣索引號( p m i ) 選擇算法。 2 2 2 有限反饋預(yù)編碼 圖2 5 有限反饋m i m o 系統(tǒng)模型 如圖2 5 所示模型，基于碼本的有限比特反饋預(yù)編碼技術(shù)的基本思想是：在收 發(fā)兩端都存儲一個(gè)相同的預(yù)編碼碼本集合，接收端根據(jù)信道衰落信息和當(dāng)前接收 的信號，按照一定準(zhǔn)則選擇最合適的預(yù)編碼矩陣，并將該預(yù)編碼矩陣在碼本中的 索引號通過反饋鏈路反饋到發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)收到的p m i 從共同存儲的預(yù)編碼 的碼本中找到相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，然后對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)編碼操作?；诖a本的 有限比特反饋預(yù)編碼技術(shù)的主要特點(diǎn)是：無需要反饋信道信息、在接收端選擇預(yù) 編碼矩陣、只利用有限數(shù)目的比特反饋到發(fā)送端，從而降低了系統(tǒng)對反饋鏈路的 要求。 1 6 雙向無線中繼信道預(yù)編碼技術(shù)研究 目前基于碼本的有限比特反饋可分為以下兩大類：一類是針對最大似然譯碼 的預(yù)編碼矩陣選擇，另一類是針對線性檢測( 包括z f 和m m s e ) 的預(yù)編碼矩陣選 擇，本章主要針對線性檢測，研究有限反饋預(yù)編碼矩陣的選擇算法。 對于線性譯碼，我們介紹下面幾種選擇算法。 最小奇異值( m s v ) 準(zhǔn)則 ，g ) = a r g e 。把罌鐙，m k g 諺) ( 2 2 0 ) m s v 的實(shí)現(xiàn)過程是：首先接收端遍歷碼本中所有的預(yù)編碼矩陣，對矩陣日似擴(kuò) 求特征值，找出能使矩陣日“擴(kuò)最小特征值最大的預(yù)編碼矩陣，然后將該預(yù)編 碼矩陣作為最終選定的預(yù)編碼矩陣再反饋到發(fā)送端。 最小均方誤差( m m s e ) 準(zhǔn)則 一一 、一1 f o ) = a r g 怖m(xù) 吐i n ：。川魯卜+ 袁e o 歸g 把j ( 2 2 1 ) 最小均方誤差準(zhǔn)則就是對矩陣日g 擴(kuò)求均方誤差，遍歷碼本中所有的預(yù)編碼 矩陣，找出能使其均方誤差最小的預(yù)編碼矩陣作為最終選定的預(yù)編碼矩陣。 最大信道容量準(zhǔn)則 ，g ) = a r g 刪跗r a ；1 i n ：，, j r , l 0 9 2 d e t i n , + 彘e o 歸。旭j ( 2 2 2 ) 最大信道容量準(zhǔn)則就是遍歷碼本中所有的預(yù)編碼矩陣，尋找能使等效信道容 量最大的預(yù)編碼矩陣作為最終選定的預(yù)編碼矩陣。 最小誤比特率準(zhǔn)則 f g ) = a r g ee 僻罌坦。， 芴豪g ) ，e ) ( 2 2 3 ) 最小誤比特率準(zhǔn)則同樣是遍歷碼本中所有的預(yù)編碼矩陣，尋找能使系統(tǒng)的平 均誤比特率最小的預(yù)編碼矩陣作為最終選定的預(yù)編碼矩陣。 2 3m i m o m a c 預(yù)編碼 m i m o m a c 信道具有多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝備多根天 線。加入預(yù)編碼之后，信道模型如圖2 6 所示。 圖2 6m i m o - m a c 信道模型 第二章m i m o 預(yù)編碼技術(shù) 1 7 其中，而、x 2 為用戶l 和用戶2 的發(fā)送信息符號；e 、e 分別為用戶1 和用戶2 的預(yù)編碼矩陣；馬、h 2 為用戶l 、用戶2 與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道矩陣，y 為目的 節(jié)點(diǎn)的接收信號。廠) 為目的節(jié)點(diǎn)采用的接收準(zhǔn)則，得