自適應調制與編碼技術下的預編碼算法研究

任志勇 周鑫 徐東

【摘要】 為了克服多輸入多輸出系統空間各子信道相互干擾，論文對鏈路自適應調制與編碼技術下的預編碼算法進行了研究。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優的預編碼矩陣，接收端基于最小均方誤差接收機均衡算法，并以此自適應選擇不同的調制方式和編碼。通過仿真驗證，在預編碼算法基礎上，采用自適應的調制和編碼方式能根據信噪比大小變化，靈活改變數據傳輸速率，在滿足信號質量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

【關鍵詞】 預編碼 多輸入多輸出 正交幅度調制 誤比特率

一、引言

在移動通信系統中，可以通過高階信號調制技術和多輸入多輸出（MIMO）技術來提高系統的頻譜效率，但是，在一個噪聲信道環境下，傳輸數據速率的提高會帶來誤碼率的提升。為了提高頻譜效率，長期演進（LTE）移動通信系統中采用了鏈路自適應技術，根據信道條件的變化，系統動態地采用不同的調制和編碼、MIMO傳輸模式[1]、預編碼和發射功率等技術，以期在保證信號質量的情況下取得最大的傳輸效率。

LTE移動通信系統采用了正交頻分多址（OFDMA）、多輸入多輸出（MIMO）[2]等關鍵技術，以此來克服多徑信道的頻率選擇性衰落和提高系統的傳輸速度。本文對LTE移動通信系統中預編碼算法進行了研究，并根據信道條件的變化，對鏈路自適應調制與編碼技術下的預編碼算法進行了性能仿真，分析了不同調制與編碼下系統的傳輸速率與誤碼率的曲線變化。

二、基于信道矩陣奇異值分解的預編碼算法

多輸入多輸出（MIMO）技術將連續的信號比特流拆分成多個信號子流，再將各信號子流通過不同的天線發射出去，傳輸各信號子流的多個發射天線與接收天線構成了空間信道矩陣。在空間信道矩陣構成的各子信道不相互獨立的情況下，各子信道將相互干擾，從而影響信號接收質量。在LTE系統中，預編碼技術被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法[3]。最優的預編碼矩陣是基于信道矩陣奇異值分解的矩陣。

首先假設在一個子幀持續時間內，信道矩陣H不變，假設系統有NT根發射天線，MR根接收天線，發射符號分為L層，每個層有T個符號，第i層由符號[xi，1，xi，2，...，xi，T]組成。對信道矩陣H進行奇異值分解：

式中，n為高斯白噪聲。在實際的應用中，由于反饋資源的限制，系統首先須在預先給定好的碼本里選擇一個碼本作為預編碼矩陣，也就是利用某種準則得到碼本索引。

三、預編碼矩陣下的MIMO接收機算法

LTE系統中的預編碼矩陣指示（PMI）反饋都是基于協議配置碼本，主要有兩種準則：一種是基于系統容量最大化，另一種是基于最小誤碼率（BER）[4]。本論文采用基于最小誤碼率的MMSE準則，減小發射信號和接收信號之間的誤差信號功率值，并以此自適應選擇不同的調制方式和編碼，以便保證系統取得最大的傳輸容量。假設均衡后的信號為X？，最初的發射信號為X，假定最優均衡器變換系數為G，MIMO信道矩陣為H，那么誤差信號可以表示為：

四、自適應調制與編碼技術下的預編碼算法仿真實驗

為了對算法性能作對比，在預編碼算法基礎上，自適應調制方式分別在QPSK、16QAM、64QAM三種方式進行選擇，接收端用MMSE準則的均衡器，將發射信號功率值與均衡后的誤差信號功率值的比值作為自適應調節參數，選擇相應的調制方式與編碼率，當誤差信號功率值較大時，此時誤碼率較大，選擇低階調制方式，以保證信號傳輸質量，當誤差信號功率值較小時，選擇高階調制方式，以提高信號的傳輸速率，以期在滿足信號質量要求的情況下達到最高的傳輸效率。

仿真實驗在多輸入多輸出MIMO的情況下展開，信號經過衰落噪聲信道，信噪比SNR取值在0dB到21dB之間，信噪比與誤比特率和數據傳輸速率仿真結果分如圖1、2所示。

從圖1可以看出，隨著SNR的值增大，誤比特變小，采用固定調制的階數越高，誤碼率越大。在信噪比的值為0dB到12dB之間時，固定64QAM、16QAM高階調制的誤碼率都較高，但是，在自適應調制和編碼方式下，誤碼率卻隨著信噪比變大很快變低，因為鏈路根據誤差信號功率情況自適應地選擇了恰當的調制方式和編碼率。從圖2可以看出，在其他參數不變的情況下，采用固定調制方式和編碼率時，數據的傳輸速率是一個定值，調制階數越高，數據傳輸速率越大。但在自適應調制和編碼方式下，鏈路根據信噪比情況，靈活改變了數據傳輸速率，信噪比的值越小，誤比特率就變高，此時數據傳輸速率減小，信噪比的值越高，誤比特率就變小，此時數據傳輸速率增大，在滿足信號質量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

五、結論

論文對鏈路自適應調制與編碼技術下的預編碼算法進行了研究，在LTE系統中，預編碼技術被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優的預編碼矩陣，信號經過噪聲信道后，在接收端，采用基于最小誤碼率的MIMO接收機算法，減小發射信號和接收信號之間的誤差信號功率值，以此自適應選擇不同的調制方式和編碼，以便保證系統取得最大的傳輸容量。通過仿真驗證，在預編碼算法基礎上，采用自適應的調制和編碼方式能根據信噪比大小變化，靈活改變數據傳輸速率，在滿足信號質量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

參 考 文 獻

[1] V Stankovic， M Haardt， Generalized Design of Multi-User MIMO Precoding Matrices [J].Wireless Communications， IEEE Transactions， 2008， 7（3）：953-961.

[2] W. Peng and F. Adachi， “Single-carrier frequency domain adaptive antenna array for uplink multi-user MIMO transmission in a cellular system，” [J]. Physical Communication， Sep. 2013， vol. 8， pp. 22–30.

[3] Jiang，M.， Prasad，N.，Yue，G.，and Rangarajan，S.Efficient link adaptation for precoded multi-rank transmission and turbo SIC receivers. IEEE ICC，2011.

[4] 劉祖軍，王杰令，孫德春，易克初. 多小區多用戶TDD MIMO下行鏈路干擾抑制預編碼算法[J].北京：通信學報， 2013年04期.2013.04， 34（4）：187-193.