淺談5G通信中的預(yù)編碼技術(shù)

陳敏++王萍

摘 要：隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)提高數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)容量的興趣使得下一代無線標(biāo)準(zhǔn)化工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的物理層方案上，大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）系統(tǒng)和毫米波MIMO系統(tǒng)都是第五代通信技術(shù)中物理層方案的研究熱點(diǎn)。而要實(shí)現(xiàn)Massive MIMO和毫米波MIMO系統(tǒng)，降低其復(fù)雜度，預(yù)編碼技術(shù)是其核心技術(shù)之一。文章簡(jiǎn)單介紹了預(yù)編碼技術(shù)，對(duì)下一代通信技術(shù)中的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分析總結(jié)現(xiàn)有預(yù)編碼技術(shù)有待進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：預(yù)編碼技術(shù)；Massive MIMO系統(tǒng)；毫米波MIMO系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0045-02

引言

蜂窩移動(dòng)電話、因特網(wǎng)和多媒體服務(wù)的廣泛普及刺激了無線通信的需求迅速增長(zhǎng)。然而，只有有限的帶寬資源可用于無線通信。為了提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作。多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)作為第四代通信的核心技術(shù)，可以有效地提高系統(tǒng)容量、頻譜效率和峰值傳輸速率，被采用作為第四代通信的物理層構(gòu)架。其中，預(yù)編碼作為核心功能模塊實(shí)現(xiàn)了物理下行共享信道的幾種主要傳輸模式。

1 預(yù)編碼技術(shù)

MIMO技術(shù)原則上可以在多天線無線通信鏈路中提供與發(fā)射和接收天線的最小數(shù)量成比例的容量，因此可以大大提高單天線鏈路的性能。性能增益被描述為復(fù)用增益或分集增益，廣泛的技術(shù)包括空時(shí)編碼和空間復(fù)用都可以利用這些增益。研究表明，MIMO系統(tǒng)的容量可以根據(jù)信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）進(jìn)一步增加現(xiàn)有的發(fā)射機(jī)。為了在發(fā)射機(jī)中使用CSI，可以應(yīng)用線性預(yù)編碼，調(diào)制符號(hào)不必直接傳輸?shù)教炀€，而是通過對(duì)天線的映射傳遞。線性傳輸預(yù)編碼通過適合于某種信道信息形式的預(yù)編碼矩陣將發(fā)送的數(shù)據(jù)向量相乘，對(duì)發(fā)送信號(hào)的空間特性進(jìn)行優(yōu)化，增加了對(duì)信道不適定的額外保護(hù)，使發(fā)送信號(hào)的空間分布特性與信道條件相匹配，因而可以有效地降低對(duì)接收機(jī)算法的依賴程度。最優(yōu)化的線性預(yù)編碼在發(fā)射機(jī)中需要全部CSI，這將給反饋信道帶來沉重的負(fù)擔(dān)，不適合實(shí)際應(yīng)用。因此，基于有限反饋的預(yù)編碼方法被提出，適用的預(yù)編碼矩陣是從預(yù)定義的碼本中選擇的，反饋鏈路只返回碼本索引，從而大大降低了帶寬要求。在這種方案中，預(yù)編碼器的選擇標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。一般來說，預(yù)編碼器的選擇應(yīng)該選擇一個(gè)預(yù)編碼矩陣使發(fā)送信號(hào)能夠匹配特定的接收機(jī)信道。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的數(shù)目是可變的，如果一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流被信道嚴(yán)重衰落，它將不被使用，傳輸功率將被貢獻(xiàn)給其他數(shù)據(jù)流。而為了保持恒定的吞吐量，將根據(jù)數(shù)據(jù)流的數(shù)量來調(diào)整調(diào)制順序，這個(gè)過程也與預(yù)編碼矩陣相關(guān)。

2 下一代通信中預(yù)編碼技術(shù)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于一個(gè)全面的無線系統(tǒng)的要求是應(yīng)該在指定區(qū)域能提供統(tǒng)一的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，因此大規(guī)模的MIMO（Massive MIMO）系統(tǒng)作為第五代物理層技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一引起了廣泛關(guān)注。Massive MIMO是多用戶MIMO的一個(gè)擴(kuò)展形式?；阪溌穬啥硕贾佬诺赖男畔⒉⑹褂梦奂埦幋a的假設(shè)對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明MIMO系統(tǒng)具有非常大的容量，并隨著基站天線數(shù)量的增加而增長(zhǎng)。然而，這種假設(shè)會(huì)限制無線系統(tǒng)的實(shí)際大小。而Massive MIMO假設(shè)只需要基站知道信道的信息，且使用簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼來代替污紙編碼[1]。這一假設(shè)使得Massive MIMO系統(tǒng)對(duì)于基站天線數(shù)可以自由伸縮擴(kuò)展，使得Massive MIMO系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

第五代物理層技術(shù)的另一個(gè)研究熱點(diǎn)是可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率的毫米波MIMO系統(tǒng)。毫米波載波頻率對(duì)應(yīng)著較小的波長(zhǎng)，允許在同一陣列孔徑內(nèi)填充更多的天線。人們希望在這樣大的尺寸系統(tǒng)上波束形成可以產(chǎn)生更高的陣列增益，從而克服毫米波系統(tǒng)中伴隨的惡劣傳播。為了滿足傳輸速率的要求以及降低毫米波系統(tǒng)的復(fù)雜度，可以在發(fā)送端使用預(yù)編碼技術(shù)[2]。因此，不管是第四代通信還是第五代通信，預(yù)編碼技術(shù)都是研究的重點(diǎn)之一。

預(yù)編碼可以分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼兩種，目前的無線通信系統(tǒng)一般使用線性預(yù)編碼，主要是由于復(fù)雜度方面的原因；而根據(jù)預(yù)編碼矩陣的特點(diǎn)，預(yù)編碼可以分為非碼本的和基于碼本的預(yù)編碼。前者不對(duì)可選用的預(yù)編碼矩陣的個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，只要是符合設(shè)計(jì)規(guī)則與應(yīng)用條件限制的矩陣都可以。后者可用的預(yù)編碼矩陣只能從碼本中選取，所謂碼本是預(yù)先定義好的有限個(gè)預(yù)編碼矩陣構(gòu)成的集合。

作為第五代通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，Massive MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)被廣泛研究[3]。隨著Massive MIMO系統(tǒng)基站天線數(shù)目的增加，線性預(yù)編碼方案可以達(dá)到接近最優(yōu)的性能。然而，傳統(tǒng)的線性預(yù)編碼方案如迫零預(yù)編碼涉及大規(guī)模的矩陣求逆和高計(jì)算復(fù)雜度，特別是在Massive MIMO系統(tǒng)中。為了降低復(fù)雜度，研究人員提出了一種基于對(duì)稱逐次超松弛方法的低復(fù)雜度線性預(yù)編碼方案，并提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法利用漸近正交Massive MIMO系統(tǒng)的信道特性來近似最優(yōu)松弛參數(shù)[4]。

與傳統(tǒng)的迫零預(yù)編碼相比，該方案在保證性能不損失的同時(shí)可以減少約一個(gè)數(shù)量級(jí)的復(fù)雜度。

假設(shè)基站有M個(gè)天線，則對(duì)應(yīng)需要M條帶有線性功率放大器的射頻鏈，而功率放大器是比較昂貴的?；谶@一點(diǎn)，有研究人員提出一種兩級(jí)恒包絡(luò)預(yù)編碼方案[5]，使低成本的具有S<

而考慮到毫米波MIMO系統(tǒng)中部署大量射頻鏈的成本和復(fù)雜性，研究人員討論了混合預(yù)編碼的網(wǎng)絡(luò)效率考量[2]：首先建立定向預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的相關(guān)性以滿足單用戶MIMO系統(tǒng)相對(duì)于更復(fù)雜和更不可靠的基于本征模式的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)速率要求，定向預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的相關(guān)性的關(guān)鍵是毫米波信道的稀疏性，由于較小的波長(zhǎng)，天線的維數(shù)更高；接著利用信道的定向結(jié)構(gòu)，提出了一類簡(jiǎn)單的定向調(diào)度器，在用戶空間中提供了一個(gè)低復(fù)雜度但近似公平的分離平面；最后比較了單用戶預(yù)編碼方案與多用戶預(yù)編碼方案的性能，表明從網(wǎng)絡(luò)效率考慮，在多用戶傳輸上增加射頻鏈資源更有價(jià)值。

3 結(jié)束語

不管是基于碼本的還是非碼本的預(yù)編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣是預(yù)編碼算法要解決的關(guān)鍵問題。預(yù)編碼矩陣的列數(shù)決定了使用數(shù)據(jù)流的數(shù)量，改變預(yù)編碼矩陣不僅改變了數(shù)據(jù)流的發(fā)射天線映射也可以改變數(shù)據(jù)流和調(diào)制階數(shù)。預(yù)編碼器的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該要能夠確定最合適的預(yù)編碼矩陣來優(yōu)化誤碼率性能，而誤碼率性能取決于接收技術(shù)的使用，因此當(dāng)考慮預(yù)編碼選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也需要考慮接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。線性預(yù)編碼具有復(fù)雜度低、原理簡(jiǎn)單、誤碼率性能好等優(yōu)點(diǎn)，但要想進(jìn)一步迫近容量上限，需要考慮非線性預(yù)編碼。目前的非線性預(yù)編碼算法復(fù)雜度高實(shí)現(xiàn)困難，低復(fù)雜的非線性預(yù)編碼算法需要進(jìn)一步研究。另外，大部分預(yù)編碼技術(shù)都是假設(shè)發(fā)射端完全知道CSI，但實(shí)際上完美的CSI是很難得到的，基于不完美的CSI的預(yù)編碼技術(shù)研究還不多，也有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]T. L. Marzetta. Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas [J]. IEEE Transactions on Wireless Communication， 2010，9（11）：3590-3600.

[2]Vasanthan Raghavan， et al. Single-User vs. Multi-User precoding for millimeter wave MIMO systems [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2017，35（6）：1387-1401.

[3]Thomas L. Marzetta， et al. Special issue on massive MIMO[J]. IEEE Journal of Communications and Networks，2013，15（4）：333-337.

[4]Tian Xie， et al. Low-complexity SSOR-based precoding for massive MIMO systems[J]. IEEE Communications Letters，2016，20（4）：744-747.

[5]An Liu， Vincent K. N. Lau. Two-stage constant-envelope precoding for low-cost massive MIMO systems [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2016，64（2）：485-494.endprint