LTE系统中MIMO预编码技术研究 070208031
LTE系统中MIMO预编码技术研究
姓名：周明 指导老师：胡浪涛
摘要：LTE是3G的演进，是3G到4G技术的一个过渡，在LTE协议中，改进并增强了3G的空中接口技术，并采用OFDM和MIMO作为其无线演进的唯一标准。本论文首先简要介绍了OFDM技术和MIMO技术，然后对MIMO系统的预编码进行了重点介绍，同时仿真了不同反馈比特数下的迫零预编码算法，探讨了单用户的预编码技术与多用户的预编码技术。
关键词： LTE，MIMO，OFDM，预编码
引言
长期演进LTE项目是第三代移动通信技术（3G）的长期演进，要求提供比3G系统更高的频谱效率、传输效率和更低的传输延时，多输入多输出(MIMO)预编码技术通过在发送端对数据进行集中处理达到抑制或消除干扰、提高信道容量、降低接收端复杂度的目的，因此MIMO预编码技术已经成为LTE系统的关键技术之一。
预编码技术是有效抑制MIMO信道中的多用户干扰方法之一。预编码通过利用信道的状态信息，在发射端调整发射策略，接收端进行均衡，从而提高MIMO系统的性能。在多用户MIMO下行链路中，各个用户之间无法相互协作，不能利用上行链路的联合检测来恢复发射信号，因此预编码是多用户MIMO下行链路获得复用增益和分集增益的关键。
预编码技术可以分为基于码本的预编码方式和基于非码本的预编码方式，LTE系统同时支持这两种方式。由于大多数预编码方案都需要在发送端已知当前的信道状态信息，但是因为反馈信道的开销十分昂贵，人们才提出基于码本的预编码方法。基于码本的预编码方法要求发送端和接收端共享同一套码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中的选取一个使系统性能最优的矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。这样的预编码方案使得反馈信道所需传输的数据量较小，大大的节约了成本。而基于非码本的预编码方式的基本思想是在发送端已知信道信息或通过信道估计得到信道状态的情况下，对信道信息矩阵H进行适当的分解，进而得到相应的发射端预编码矩阵、接收端均衡矩阵和将MIMO信道变换成若干个独立子信道的等效信道矩阵。这样的处理方法能够达到简化接收端算法，提高系统性能的目的。
1 LTE系统
1.1 LTE系统发展
目前主流的3G技术主要有TD-SCDMA、WCDMA和CCDMA2000，而前两种采用了3GPP技术演进路线，即由HSDPA演进至HSPA+，进而发展为LTE。虽然CDMA2000采用的是3GPP2路线，但由于高通对其最终演进技术UMB研发的放弃，其最终演进方向也定格在了LTE上的青睐。
相对于第三代移动通信系统，LTE最重要的改进在于采用全新空中接口技术，并使用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。其主要优势是在20MHZ频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s
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【1】
。在我国，由于
WIMAX技术边缘化，而LTE自身完善的产业链、规模效应和更高的成熟度，故而受到了大多运营商
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与上行50Mbit/s的峰值速率。
1.2 LTE系统的架构
LTE系统要求核心网是基于分组交换的，能够提高数据速率、降低时延和复杂度、提高用户容量和系统容量等，这些需求使得原理的陆地无线接入网和陆地无线计入的架构无法满足要求，需要进行调整和演进，我们称之为演进的陆地无线接入网和演进的陆地无线接入。 1.2.1 OFDM技术
OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multiple Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
1.2.2 MIMO多天线技术
LTE系统将采用可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术，而MIMO技术实质上是为通信系统提供空分复用增益和空间分集增益。作为捁系统速率的最主要手段，MIMO技术受到广泛关注，基本的MIMO模型是下行、上行天线阵列。目前，正在考虑的方法包括空间复用、空间多址、预编码、自适应波速形成、智能天线和开环分集。LTE下行共享信道采用MIMO的多天线技术，MIMO系统的基本结构框图如图1-1所示。
【2】
图1-1 MIMO系统的基本结构框图
MIMO技术的主要优点是阵列增益、系统的分集特性和系统的空间复用增益，能够大幅度的提高系统容量、获得相当高的频率利用率，从而获得更高的数据速率、更好的传输品质和更大的系统覆盖范围，存在的不足时空分天线和用户算法问题 1.2.3 MIMO与OFDM的结合
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外OFDM由于码率低和加入
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了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
2 LTE系统中的预编码技术
2.1 基于码本的预编码技术
预编码技术一般是要通过反馈在接收端获得完整或部分信道状态信息，但是实际中由于反馈的开销很大以及带宽的限制，反馈信道每次只能反馈有限个比特的数据。常见的码本有：RVQ,高斯曼流行等。
图2-1 LTE基于码本选择的预编码系统框图
因此如何利用有限的反馈信道资源传递更多有效的信息数据是研究的难点。一般而言，解决这个问题的方法有两种，一种方法将是反馈量化之后的信道状态信息矩阵给发送端；另外一种是在接收端和发送端都共享一个已知的码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取使系统性能最优的一个矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。
LTE中采取的方法是第二种，也就是基于码本的预编码技术。这样反馈信道所需传输的数据量较小；通常只有几个比特大小，大大节约了资源。但是对于一个具有有限反馈的预编码系统而言，仍然有两大问题需要解决：第一，如何构造一个有效的码本集合； 第二，接收端如何在码本集合中选择出一个合适的预编码矩阵。
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图2-2 LTE基于码本选择预编码系统流程框图
人们对于码本设计进行了深入的研究，并提出了很多有效的码本设计方案。其中这些设计方案集中归结于一个数学问题：设计一组Ⅳ个矩阵元素，并能最大化其子空间之间的距离,这即是著名的格莱斯曼子空间封装问题。
2.2 LTE基于非码本的预编码技术
在非码本的预编码方式中，预编码矩阵是在发射端获得。发射端利用预测的信道态信息，进行预编码矩阵的运算。常见的预编码计算方法有奇异值分解(SVD)、几何均值分解(GMD)、统一信道分解(UCD)等。其操作流程图如图2-3所示
图2-3 非码本的预编码操作流程图
非码本预编码方式要求使用专用导频，即数据符号和导频符号一起进行预编码操作，这样接收端只需要通过信道估计就可以获得预编码之后的等效信道，从而方便地进行数据解调。
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3 单用户MIMO预编码技术
严格意义上来说，只要在发送端采用的信号处理技术能够简化接收机检测的复杂度， 就可以将其称为预编码技术。本章主要介绍单用户MIMO的预编码技术，可以划分为线性预编码技术和非线性预编码技术。其中线性预编码技术主要有迫零预编码技术和最小均方误差预编码技术，而非线性预编码技术则以Costa预编码，THP预编码为代表。同时还针对基站端得到的信道信息可能不准确的情况，进行了相应的分析与讨论。
3.1 线性预编码技术
线性预编码由于其低复杂度的优点，具有很高的实用性。常见的线性预编码算法主要有迫零预编码算法（ZF）和最小均方误差准则的预编码算法。 3.1.1迫零预编码算法
当接收端为单天线时，ZF是最为常用的预编码方案，该方案能满足各个用户之间的互相干扰为0。ZFBF预编码矢量的求得只需通过整个用户信道求伪逆即可。假设整个用户信道为H，T为相应的预编
TTTT码矩阵，由于此时每个接收端仅有单根天线，则有H?[h1,h2,?,hK]，T?[t1,t2,?,tK]，则T可
以表示为：
T?HH(HHH)?1GP (3-1)
其中，G?diag(g1,g2,?,gK)是等效增益的矩阵，gk表示第k个等效信道的等效增益：
?1 gk?1?HHH? (3-2)
k,k1/21/21/2P?diag(P,P2,?,PK)是功率分配矩阵，Pk表示第k个等效信道上所分配的功率， 1K2且?i?1Pi?P，P为总功率，?为噪声功率。相应的，第k个用户的SNR可以表示为： 2gkPkSNRk? (3-3) 2
迫零预编码的示意图如下图所示。首先将要发送的信息序列进行预编码，然后通过信道到达接收端，然后进行相应的处理。
TM*1s?[s...s]s?C1M发射信号矢量，矢量信号代表了发射信号M条平行数据流。接收端的信号
【3】
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。
?图3-1 迫零预编码框图
3.2 非线性预编码技术
尽管线性预编码有着低复杂度的优势，但是由于其不能充分挖掘信道的潜力，无法达到理论上的信道容量，人们一直在寻找一些替代的预编码方案以期望其能够克服线性预编码的弱点，因此诞生了以脏纸编码技术为主要代表的非线性预编码技术。
脏纸编码技术的概念最早由Max．M．Costa在1983年提出，也就是著名的Costa 预编码
【4】
。在
干扰对于发送干扰对于发送端完全已知的情况下，脏纸编码技术是一种有效的数据传输技术，它能够在没有功率损失和不需要接收端已知干扰信息的情况下达到理想的信道容量。除了Costa预编码方案之外，1968由美国的M．Tomlinson和日本的Hiroshi Harashima几乎同时提出的THP预编码也是另一种经典的非线性预编码方案。 3.2.1 Costa预编码算法
Costa预编码算法所讨论的情形是在一个噪声与干扰并存的通信系统中，干扰对于发送端完全已知，但是接收端不知道干扰信息。
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