淺談5G通信中的預編碼技術

陳敏++王萍

摘 要：隨著通信技術的發展，人們對提高數據傳輸速率、系統容量的興趣使得下一代無線標準化工作的重點轉移到實現這些目標的物理層方案上，大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）系統和毫米波MIMO系統都是第五代通信技術中物理層方案的研究熱點。而要實現Massive MIMO和毫米波MIMO系統，降低其復雜度，預編碼技術是其核心技術之一。文章簡單介紹了預編碼技術，對下一代通信技術中的預編碼技術進行簡要介紹，分析總結現有預編碼技術有待進一步研究的問題。

關鍵詞：預編碼技術；Massive MIMO系統；毫米波MIMO系統

中圖分類號：TN911 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0045-02

引言

蜂窩移動電話、因特網和多媒體服務的廣泛普及刺激了無線通信的需求迅速增長。然而，只有有限的帶寬資源可用于無線通信。為了提高系統容量和頻譜利用率，研究人員進行了大量的研究工作。多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術作為第四代通信的核心技術，可以有效地提高系統容量、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架。其中，預編碼作為核心功能模塊實現了物理下行共享信道的幾種主要傳輸模式。

1 預編碼技術

MIMO技術原則上可以在多天線無線通信鏈路中提供與發射和接收天線的最小數量成比例的容量，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用增益或分集增益，廣泛的技術包括空時編碼和空間復用都可以利用這些增益。研究表明，MIMO系統的容量可以根據信道狀態信息（Channel State Information，CSI）進一步增加現有的發射機。為了在發射機中使用CSI，可以應用線性預編碼，調制符號不必直接傳輸到天線，而是通過對天線的映射傳遞。線性傳輸預編碼通過適合于某種信道信息形式的預編碼矩陣將發送的數據向量相乘，對發送信號的空間特性進行優化，增加了對信道不適定的額外保護，使發送信號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接收機算法的依賴程度。最優化的線性預編碼在發射機中需要全部CSI，這將給反饋信道帶來沉重的負擔，不適合實際應用。因此，基于有限反饋的預編碼方法被提出，適用的預編碼矩陣是從預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，預編碼器的選擇標準是至關重要的。一般來說，預編碼器的選擇應該選擇一個預編碼矩陣使發送信號能夠匹配特定的接收機信道。傳輸的數據流的數目是可變的，如果一個或多個數據流被信道嚴重衰落，它將不被使用，傳輸功率將被貢獻給其他數據流。而為了保持恒定的吞吐量，將根據數據流的數量來調整調制順序，這個過程也與預編碼矩陣相關。

2 下一代通信中預編碼技術

隨著通信技術的不斷發展，對于一個全面的無線系統的要求是應該在指定區域能提供統一的優質服務，因此大規模的MIMO（Massive MIMO）系統作為第五代物理層技術的研究熱點之一引起了廣泛關注。Massive MIMO是多用戶MIMO的一個擴展形式。基于鏈路兩端都知道信道的信息并使用污紙編碼的假設對MIMO系統進行研究，結果表明MIMO系統具有非常大的容量，并隨著基站天線數量的增加而增長。然而，這種假設會限制無線系統的實際大小。而Massive MIMO假設只需要基站知道信道的信息，且使用簡單的線性預編碼來代替污紙編碼[1]。這一假設使得Massive MIMO系統對于基站天線數可以自由伸縮擴展，使得Massive MIMO系統的實際應用得以實現。

第五代物理層技術的另一個研究熱點是可以提高數據傳輸速率的毫米波MIMO系統。毫米波載波頻率對應著較小的波長，允許在同一陣列孔徑內填充更多的天線。人們希望在這樣大的尺寸系統上波束形成可以產生更高的陣列增益，從而克服毫米波系統中伴隨的惡劣傳播。為了滿足傳輸速率的要求以及降低毫米波系統的復雜度，可以在發送端使用預編碼技術[2]。因此，不管是第四代通信還是第五代通信，預編碼技術都是研究的重點之一。

預編碼可以分為線性預編碼和非線性預編碼兩種，目前的無線通信系統一般使用線性預編碼，主要是由于復雜度方面的原因；而根據預編碼矩陣的特點，預編碼可以分為非碼本的和基于碼本的預編碼。前者不對可選用的預編碼矩陣的個數進行限制，只要是符合設計規則與應用條件限制的矩陣都可以。后者可用的預編碼矩陣只能從碼本中選取，所謂碼本是預先定義好的有限個預編碼矩陣構成的集合。

作為第五代通信技術研究的熱點之一，Massive MIMO系統中的預編碼技術被廣泛研究[3]。隨著Massive MIMO系統基站天線數目的增加，線性預編碼方案可以達到接近最優的性能。然而，傳統的線性預編碼方案如迫零預編碼涉及大規模的矩陣求逆和高計算復雜度，特別是在Massive MIMO系統中。為了降低復雜度，研究人員提出了一種基于對稱逐次超松弛方法的低復雜度線性預編碼方案，并提出了一個簡單的方法利用漸近正交Massive MIMO系統的信道特性來近似最優松弛參數[4]。

與傳統的迫零預編碼相比，該方案在保證性能不損失的同時可以減少約一個數量級的復雜度。

假設基站有M個天線，則對應需要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。基于這一點，有研究人員提出一種兩級恒包絡預編碼方案[5]，使低成本的具有S<

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

3 結束語

不管是基于碼本的還是非碼本的預編碼技術，設計預編碼矩陣是預編碼算法要解決的關鍵問題。預編碼矩陣的列數決定了使用數據流的數量，改變預編碼矩陣不僅改變了數據流的發射天線映射也可以改變數據流和調制階數。預編碼器的選擇標準應該要能夠確定最合適的預編碼矩陣來優化誤碼率性能，而誤碼率性能取決于接收技術的使用，因此當考慮預編碼選擇標準時也需要考慮接收機的結構。線性預編碼具有復雜度低、原理簡單、誤碼率性能好等優點，但要想進一步迫近容量上限，需要考慮非線性預編碼。目前的非線性預編碼算法復雜度高實現困難，低復雜的非線性預編碼算法需要進一步研究。另外，大部分預編碼技術都是假設發射端完全知道CSI，但實際上完美的CSI是很難得到的，基于不完美的CSI的預編碼技術研究還不多，也有待進一步研究。

參考文獻：

[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