MIMO系统中预编码研究

MIMO系统中的预编码研究

摘要

多入多出（MIMO）无线通信技术大大增加了无线通信系统的容量，改善了通信系统的性能。而同时，B3G移动通信系统的研究也逐渐进入了实现阶段。作为B3G无线通信系统的主要技术，MIMO正受到越来越多的关注。与MIMO 无线通信相关的理论和关键技术也成为国内外研究的焦点,包括MIMO系统的预编码问题。

本文主要对MIMO中的预编码技术进行研究，主要内容概括如下：

1、深入了解MIMO系统的研究背景，对MIMO系统的信号模型做了分析。

2、归纳总结了现有的预编码技术的基本原理。以非线性预编码中的TH 预编码为重点进行分析。

关键词：MIMO，预编码，THP

RESEARCH OF PRECODING FOR MIMO SYSTEMS

ABSTRACT

MIMO wireless communication technology has already greatly increased the capacity and improved the performance of the communication system. At the same time, the study of the beyond third generation (B3G) mobile communication system also gradually stepped into the initial phase of implementation. As one of the major techniques in the third generation system, the theory and key technology related to the MIMO wireless communication has received worldwide attention, including the research of MIMO precoding techniques.

The paper focuses on the technology of the MIMO precoding techniques, the main content summarized as follows:

1. Go deeply into the research background of MIMO system, learning the signal model of MIMO system.

2. Conclude the existing precoding technology, emphases on the THP of the non-linear precoding.

KEY WORDS: MIMO , precoding, THP

1 研究背景

无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一，它突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地再任何无线电波能够到达的地方进行通信，这大大拓宽了通信的空间和活力，有很多有线通信不可比拟的优点。

传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入单输出（SISO）系统。对于这样的系统，Shannon C.E于1948年提出信道容量的计算公式，它表明了在有噪声的信道中进行可靠的上限

速率。以后的电信工作者无论使用怎样的信道编码方法和调制方案，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信发展的一大瓶颈。

随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来Internet要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破上述传统无线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的息道容量有三种方法：（1）设置更多的基站；（2）拓宽已使用的频带；（3）提高频谱的使用效率。设置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。为了便于提高无线通信的传输速率，也有人建议把目前使用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波段有更宽的频带可供使用，但是就目前的技术水平来说，这样做的代价还相当昂贵，而且目前实际的无线应用市场迫切需求的3G（约2GHz）系统和WLAN（其LSM频带为2~5GHz）之间的设备，它们使用的是微波波段。在单

天线系统中，提高系统容量的另一个方法是加大系统的发射功率。然而，不仅是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作的功率放大器，是件很困难的事，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。另外在蜂窝方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的热噪声，所以在这种情况下增大发射功率对增加信道容量没有太大帮助。此时，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就能提供前所未有的数据传输速率的技术进入了人们的视野，那就是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）无线通信技术。研究表明，MIMO技术可以显著提高无线系统的频谱利用率，作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被视为第四代移动通信技术的重要组成部分。

2 MIMO技术

2.1 MIMO技术简介

MIMO技术即多入多出技术，最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制码间干扰，提高系统容量。MIMO技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道的增加不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。

MIMO系统主要有以下优点:（1）利用或减轻多径衰落：MIMO技术能够充分采用多径的各种发射/合成技术，提高无线通信的性能。（2）消除共道干扰：MIMO系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有

效抑制或消除。（3）提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增大系统容量：MIMO将多径无线信道与发射、接受视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理

2.2 MIMO技术基本原理及系统组成

下图给出了单用户MIMO系统原理框图，在发射和接收端均有多根天线。

在发射端，输入的串行码流通过一系列预处理（调制、编码、加权、映射）转换成几路并行的独立子码流，通过不同的发射天线发送出去。在接收端，利用不少于发送天线数目的天线组进行接收，并利用估计出的信道传输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路接收信号进行空域与时间域上的处理，从而分离出几路发送子码流，再转换成串行数据输出。MIMO

将信道视为若干并行的自信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用（多个发射天线近距离同频、同时传输），理论上可以极大的扩展频带利用率、提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落型性能。

3 MIMO系统中的预编码技术

3.1预编码技术

在点对多点的广播信道中，由于各用户在地理位置上的差异，不能协同接收，当各用户间的接收信号存在干扰时，也不能采用多用户检测的方法来避免干扰。因此解决无线通信多用户MIMO广播信道多用户干扰问题的主要方法是采用预编码技术。理论分析证明采用脏纸编码（DPC：Dirty Paper Coding）等预编码方法可以达到MIMO高斯广播信道的容量，因此对无线多用户MIMO广播信道