２０１４牟ｇ１２期 文章编号：１００９—２５５２（２０１４）１２—００５３—０３ 中图分类号：ＴＮ９１１．２１ 文献标识码：Ａ ＭＩＭＯ移动通信系统中的预编码技术研究 秦玉娟，周 彬 （兰州工业学院电子信息工程学院，兰州７３００５０） 摘要：ＭＩＭＯ技术利用多根天线实现多发多收，能够在不增加传输带宽和发射功率的条件下， 成倍地提高系统的数据速率；而预编码技术则可以利用接收端反馈回来的信道状态信息对信号 进行预处理以改善信号的传输性能，从而达到消除干扰的目的，使得无线通信系统的可靠性得 以提升。因此对ＭＩＭＯ系统预编码技术的研究，是解决如何提升无线通信系统性能的关键问题， 具有重大的研究意义。 关键词：ＭＩＭＯ；预编码；无线通信系统 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉ—ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ＯＩＮ Ｙｕ－ｊｕａｎ，ＺＨＯＵ Ｂｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭＩＭＯ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｎｔｅｎｎａｓ， ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｄａｔａ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｐｒｅ－ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｐｒｅ— ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｉｇｎａｌｓ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｉｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｅｄ ｂａｃｋ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｃａｎ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅ—ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＭＩＭＯ ｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｆｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＩＭＯ；ｐｒｅ—ｃｏｄｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ０ 引言 ＭＩＭＯ系统的一个重要研究方向是为改善无线 信道的链路质量而进行的发射端预编码，其核心思 以实现ＭＩＭＯ高斯广播信道容量，因此将ＭＩＭＯ技 术应用于下一代无线蜂窝系统或无线局域网的一个 关键问题就是对多用户ＭＩＭＯ系统预编码技术的研 究，具有重要的实际意义。 想是利用而非克服无线信道的衰落效应从而改善系 统性能…。所谓预编码技术是指发端利用信道状 态信息（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣＳＩ）对未传输的 信号进行预处理以达到消除干扰目的的技术。在广 １ 基于非码本的发射端预编码技术 概括地说，预编码有三点技术优势：一是通过在 发射端对信号结构的适当预处理，有效地消除了广 播信道的多用户干扰；二是由于操作是在基站端集 收稿日期：２０１４—０２—２４ 播信道环境中，各用户相异的地理位置使协同接收 不能实现，导致无法利用多用户检测来消除用户接 收信号之间的干扰。于是在这种情况下，常采用预 编码技术来解决多用ＭＩＭＯ广播信道中的多用户干 扰问题。 基金项目：甘肃省教育厅第二批科研计划项目（１１１４Ｂ一０１）；兰州工 业学院校级科技计划项目（１０ｋ一００５） 作者简介：秦玉娟（１９８０一），女，讲师，硕士研究生，研究方向为无线 通信。 ５３— 研究表明：采用污纸编码ＤＰＣ等预编码技术可 一中进行的，这就避免了接收机处理的复杂度，从而解 决了移动台的功耗和体积问题；三是由于发射端能 免地产生量化误差。 针对上面预编码的第三点问题，随机波束形成 技术的出现可以大大减少反馈开销，同时在多用户 够通过ＣＳＩ了解到各用户的信道情况，所以可在发 端采用反馈干扰抵消来解决误码扩散问题，使得系 环境中又可以获得良好的多用户分集增益，因此是 一统可靠性更高 Ｊ。 从广义上来讲，预编码技术可以分为两种：基于 码本的预编码和基于非码本的预编码。 种非常有效的预编码处理方法。 传统的波束形成方法需要接收端实时更新ＣＳ［ 并反馈给发射端，反馈ＣＳＩ占用了大量的频谱资源 导致系统的实用性较差。因此，在发射端具有部分 ＣＳＩ的条件下研究如何进行发射预处理是非常有实 际意义的，如Ｈｅａｔｈ Ｒ Ｗ等人在反馈受限的条件下 当接收端将ＣＳＩ通过反馈信道反馈给发射端 时，发射端就可以利用ＣＳＩ来进行预编码。ＭＩＭＯ 系统中基于非码本的预编码主要包括３个方面： 一是波束形成。其基本思想是对每根天线的发 射信号都乘以一个加权复数，控制其幅度和相位的 改变，使从天线阵列输出的波束对准期望到达方向， 而其他方向的分量最小，这样就使原始信号转变成 了适合当前信道传输的信号波束，基站发射的信号 就具有方向性，可以直接减少用户间的干扰，从而改 善系统性能 Ｊ。 二是功率分配。在移动通信系统中，对移动设 备的发射功率都是有限制的，因此对功率进行合理 的分配以最大化功率利用率是非常有必要的，如在 总发射功率受限的条件下，对ＭＩＭＯ各空间子信道 自适应地分配功率，使某个参数达到最优，就是功率 分配要解决的问题 Ｊ。 三是自适应调制。对每个等效子信道都采用同 样调制方式的方法固然简单，但却不能获得良好的 系统性能，而当已知子信道上的等效增益和所分配 的功率时，就可以在发射端进行自适应调制，使其在 满足服务质量的前提下，大大提高系统性能 Ｊ。 需指出的是，上述各种基于非码本的预编码方 法都要求发射端精确已知所有用户的信道状态信息 ＣＳＩ，这在实际环境中是不可行的，这也是预编码领 域存在的问题之一，现将这些问题归纳如下： 一是进行预编码的前提是发射端知道准确的 ＣＳＩ，然而由于信道时变特性的影响，使得接收端通 过在发射信号中插人导频来进行信道估计的方法大 大降低了信道的有效通信速率，而盲信道估计方法 虽然不通过导频序列来估计信道，但其只有输出数 据可以利用，因此信道估计误差较大。 二是当ＣＳＩ从收端反馈回发端时，会出现一定 程度的反馈时延，导致收端所获得的ＣＳＩ是过时的 信息，使系统性能恶化。 三是目前预编码的研究主要集中于发射端完全 已知ＣＳＩ的情况，所有用户都向发端反馈自己的完 整ＣＳＩ，必将占去大量的反馈带宽，不符合实际的通 信环境。因此必须对ＣＳＩ进行量化，也就会不可避 一Ｓ４一 提出了一种有效的发送预处理方法。 ，是通过在发 射端从预编码集中选择合适的预编码矩阵来实 现的。 研究证明，即使利用部分ＣＳＩ也能有效地改善 系统性能。利用部分ＣＳＩ进行预编码设计存在两种 方式：一种是利用ＣＳＩ的统计模型，主要包括信道均 值模型和信道方差模型；另一种则是利用有限比特 反馈来代替ＣＳＩ，这种方式只需较少的反馈量就可 以有效提升系统性能，目前这种基于有限反馈预编 码的优化方式正逐渐成为人们研究的热点。随机波 束形成技术可以只反馈用户的信道质量而非信道系 数，从而降低了反馈量。因此，作为一种有效的预编 码手段，随机波束形成技术的研究具有重大的实际 意义。 ２ 随机波束形成技术的发展和现状 传统的随机波束形成是由Ｖｉｓｗａｎａｔｈ Ｐ，Ｔｓｅ Ｄ Ｎ Ｃ和Ｌａｒｏｉａ Ｒ提出来的 ，作者提出的随机波束形 成方案，主要目的是为了打破以下限制：慢衰落和散 射稀疏的信道环境限制了各用户信道的动态波动范 围，从而影响了获取多用户分集增益的效果。因此 在该文献中，作者通过在发射端多天线的使用，加剧 了信道波动的幅度，同时也提高了信道波动的频率， 从而使多用户分集能够被很好地开发和利用。 这种传统的随机波束形成基本思想是：在每个 时隙，各用户向基站实时反馈自己的信道质量信息， 基站根据这些反馈信息，调度信道质量处于峰值附 近的用户以对其进行数据传输，从而实现多用户分 集。当网络中的用户数足够多时，文献［６］的随机 波束形成方案即使仅利用非常有限的反馈信息，也 能够达到真正意义上波束形成的性能。 目前，随机波束形成的研究主要是在单载波系 统（如ＣＤＭＡ系统）中针对其自身的局限性进行的。 Ｓｈａｒｉｆ Ｍ和Ｈａｓｓｉｂｉ Ｂ打破了文献［６］中基站在每个 时隙只能服务于一个用户的限制，提出正交随机波 束形成＿Ｊ，基站在每个时隙随机产生多个波束，各 用户计算出自己对于每个波束的信干噪比值（Ｓｉｇｎａｌ— ｔｏ—Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｒａｔｉｏ，ＳＩＮＲ），并且将最大 的信干噪比值和相应的波束索引号反馈给基站，基 站利用反馈信息把各个波束分配给信道条件匹配的 各个用户。该方案可以在每个时隙同时服务多个用 户，从而大大增加了系统的吞吐量。 为了更好地开发ＭＩＭＯ系统的阵列增益和空间 复用增益，单用户多数据流的随机波束形成被提 出 ，其把单天线配置的随机波束形成方案推广到 多天线配置，基站可以给一个用户同时发送多个数 据流，从而使单用户的数据率大大提高。 文献［９］在文献［６］的基础上进行改进，使基站 在每个时隙可以同时服务多个用户，但当用户数较 少时，其性能就很差，针对该局限性，基于信道记忆 的随机波束形成被提出＿ｌ。。，其核心思想是将当前时 隙产生的权重矢量和前面曾使用过的权重矢量进行 比较，从中选择最优者进行波束形成。 在传统的随机波束形成方法中，随机波束的产 生是权重矢量的幅度和相位同时变化的结果，但有 文献［１１］证明，最优权重矢量的相位可以由所指方 向完全确定，所以相对于需要同时改变幅度和相位 的最优特征波束形成方法来说 只改变相位的随机 波束形成方法实现起来更容易，另外由于其与前者 的性能相当，所以具有更好的实用性，基于此，只改 变相位的随机波束形成方法也被提出 。 在实际环境中，多天线信道常常是空间相关的， 因此，当考虑发射天线间的空间相关性影响时，基于 混合ＣＳＩ的波束形成方案被提出 。 考虑到随机波束形成技术在正交频分多址接人 （Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ， ＯＦＤＭＡ）系统中的应用时，一些文献相继对其进行 了研究，在结合随机波束形成和ＯＦＤＭＡ的基础上， 设计了相应的发射端结构以及数据帧结构，以此使 信道随时间的变化更快，同时也加剧了其在频域 （即载波）的变化速率和幅度，从而使系统能够同时 获得多用户分集增益和频率分集增益。 ３ 结束语 对ＭＩＭＯ系统预编码技术的研究，是解决如何 提升无线通信系统性能的关键问题，具有重大的研 究意义，作为一种有效的预编码手段，随机波束形成 技术能够通过只反馈信道质量信息而非信道系数信 息的方法来大大降低信道的反馈负荷，同时还可获 得多用户系统所固有的分集增益。 参考文献： ［１］Ｇｅｓｂｅ￣Ｄ，Ｓｈａｆｔ Ｍ，Ｓｈｉｕ Ｄ—Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃｅ：ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ＭＩＭＯ ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ ｃｏｄｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．１ＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎｓ，２００３，２１（３）：２８ｌ一 ３０２． ［２］王枝光，惠晓威．基于Ｍ１ＭＯ系统的预编码技术研究［Ｊ］．科学技 术与工程，２００７，７（２３）：６２０３—６２０５． ［３］Ｊａｆａｒ Ｓ Ａ，Ｖｉｓｈｗａｎａｔｈ Ｓ，Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ Ａ．Ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔｍｎｓｍｉｔ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａｓ ｗｉｔｈ ｃｏｖａｒｉ・ ａｎｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ Ｉｎｔ Ｃｏｎｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００１：２２６６— ２２７０． ［４］刘毅．ＭＩＭＯ信道预编码技术研究［Ｄ］．西安：西安电子科技大 学，２００７． ［５］Ｌｏｖｅ Ｄ Ｊ，Ｈｅａｔｈ Ｒ Ｗ Ｊｒ．Ｍｕｌｔｉ・ｍｏｄｅ ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ ｏｆｒ ＭＩＭＯ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ［ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００５，１０ （５３）：３６７４—３６８７． ［６］Ｖｉｓｗａｎａｔｈ Ｐ，Ｔｓｅ Ｄ Ｎ Ｃ，Ｌａｒｏｉａ Ｒ．Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｄｕｍｂ ａｎｔｅｎｎａｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏ－ ｒｙ，２００２，４８（６）：１２７７—１２９４． ［７］Ｓｈａｆｉｆ Ｍ，Ｈａｓｓｉｂｉ Ｂ．Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＭＩＭＯ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｐａｒｔｉａｌ ｓｉｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．１ＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００５，５１（２）：５０６—５２２． ［８］Ｃｈｕｎｇ Ｊ，Ｈｗａｎｇ Ｃ Ｓ，Ｋｉｍ Ｋ，ｃｔ ａ１．Ａ Ｆａｎｄｏｍ ｂｅａｍｆｏｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈ— ｎｉｑｕｅ ｉｎ ＭＩＭＯ ｓｙｓｔｅｍｓ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，２１（５）：８４８— ８５５． ［９］Ｓｈａｒｉｆ Ｍ，Ｈａｓｓｉｂｉ Ｂ．Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＭＩＭＯ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｐａｒｔｉａｌ ｓｉｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００５，５１（２）：５０６—５２２． ［１０］Ｋｏｕｎｔｏｕｒｉｓ Ｍ，Ｇｅｓｂｅｒｔ Ｄ．Ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ ｍｕｌｔｉ．ｕｓｅｒ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ Ｇａｕｓｓｉａｎ ＭＩＭＯ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃｈａｎｎｅｌｓ［ｃ］．Ｉｎｔｅｒｎａ－ ｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｆｎｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ（ＩＳＩＴ），２００５：１４２６— １４３０． ［１１］Ｓｅｎｓｔ Ａ，Ｓｃｈｕｌｚ—Ｒｉｔｔｉｃｈ Ｐ，Ｋｒａｕｓｅ Ｕ，ｅｔ ａ１．Ｒａｎｄｏｍ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｍ／ＳＯ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｆｏｒ ｍｕｈｉｕｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．１ＥＥＥ Ｉｎｔｅｒ． ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，５：２９０９—２９１３． ［１２］Ｋ０ Ｊ Ｙ，Ｌｅｅ Ｙ Ｈ．Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｗｉｔｈ ｈｙｂｉｒｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ＭＩＳＯ ｃｈａｎｎｅｌｓ［ｃ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅ． ｆｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＩＣＣ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２００８：５１２８— ５１３２． 责任编辑：肖滨 一５５—
