浅谈5G通信中的预编码技术

陈敏++王萍

摘 要：随着通信技术的发展，人们对提高数据传输速率、系统容量的兴趣使得下一代无线标准化工作的重点转移到实现这些目标的物理层方案上，大规模多输入多输出（Massive MIMO）系统和毫米波MIMO系统都是第五代通信技术中物理层方案的研究热点。而要实现Massive MIMO和毫米波MIMO系统，降低其复杂度，预编码技术是其核心技术之一。文章简单介绍了预编码技术，对下一代通信技术中的预编码技术进行简要介绍，分析总结现有预编码技术有待进一步研究的问题。

关键词：预编码技术；Massive MIMO系统；毫米波MIMO系统

中图分类号：TN911 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0045-02

引言

蜂窝移动电话、因特网和多媒体服务的广泛普及刺激了无线通信的需求迅速增长。然而，只有有限的带宽资源可用于无线通信。为了提高系统容量和频谱利用率，研究人员进行了大量的研究工作。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术作为第四代通信的核心技术，可以有效地提高系统容量、频谱效率和峰值传输速率，被采用作为第四代通信的物理层构架。其中，预编码作為核心功能模块实现了物理下行共享信道的几种主要传输模式。

1 预编码技术

MIMO技术原则上可以在多天线无线通信链路中提供与发射和接收天线的最小数量成比例的容量，因此可以大大提高单天线链路的性能。性能增益被描述为复用增益或分集增益，广泛的技术包括空时编码和空间复用都可以利用这些增益。研究表明，MIMO系统的容量可以根据信道状态信息（Channel State Information，CSI）进一步增加现有的发射机。为了在发射机中使用CSI，可以应用线性预编码，调制符号不必直接传输到天线，而是通过对天线的映射传递。线性传输预编码通过适合于某种信道信息形式的预编码矩阵将发送的数据向量相乘，对发送信号的空间特性进行优化，增加了对信道不适定的额外保护，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，因而可以有效地降低对接收机算法的依赖程度。最优化的线性预编码在发射机中需要全部CSI，这将给反馈信道带来沉重的负担，不适合实际应用。因此，基于有限反馈的预编码方法被提出，适用的预编码矩阵是从预定义的码本中选择的，反馈链路只返回码本索引，从而大大降低了带宽要求。在这种方案中，预编码器的选择标准是至关重要的。一般来说，预编码器的选择应该选择一个预编码矩阵使发送信号能够匹配特定的接收机信道。传输的数据流的数目是可变的，如果一个或多个数据流被信道严重衰落，它将不被使用，传输功率将被贡献给其他数据流。而为了保持恒定的吞吐量，将根据数据流的数量来调整调制顺序，这个过程也与预编码矩阵相关。

2 下一代通信中预编码技术

随着通信技术的不断发展，对于一个全面的无线系统的要求是应该在指定区域能提供统一的优质服务，因此大规模的MIMO（Massive MIMO）系统作为第五代物理层技术的研究热点之一引起了广泛关注。Massive MIMO是多用户MIMO的一个扩展形式。基于链路两端都知道信道的信息并使用污纸编码的假设对MIMO系统进行研究，结果表明MIMO系统具有非常大的容量，并随着基站天线数量的增加而增长。然而，这种假设会限制无线系统的实际大小。而Massive MIMO假设只需要基站知道信道的信息，且使用简单的线性预编码来代替污纸编码[1]。这一假设使得Massive MIMO系统对于基站天线数可以自由伸缩扩展，使得Massive MIMO系统的实际应用得以实现。

第五代物理层技术的另一个研究热点是可以提高数据传输速率的毫米波MIMO系统。毫米波载波频率对应着较小的波长，允许在同一阵列孔径内填充更多的天线。人们希望在这样大的尺寸系统上波束形成可以产生更高的阵列增益，从而克服毫米波系统中伴随的恶劣传播。为了满足传输速率的要求以及降低毫米波系统的复杂度，可以在发送端使用预编码技术[2]。因此，不管是第四代通信还是第五代通信，预编码技术都是研究的重点之一。

预编码可以分为线性预编码和非线性预编码两种，目前的无线通信系统一般使用线性预编码，主要是由于复杂度方面的原因；而根据预编码矩阵的特点，预编码可以分为非码本的和基于码本的预编码。前者不对可选用的预编码矩阵的个数进行限制，只要是符合设计规则与应用条件限制的矩阵都可以。后者可用的预编码矩阵只能从码本中选取，所谓码本是预先定义好的有限个预编码矩阵构成的集合。

作为第五代通信技术研究的热点之一，Massive MIMO系统中的预编码技术被广泛研究[3]。随着Massive MIMO系统基站天线数目的增加，线性预编码方案可以达到接近最优的性能。然而，传统的线性预编码方案如迫零预编码涉及大规模的矩阵求逆和高计算复杂度，特别是在Massive MIMO系统中。为了降低复杂度，研究人员提出了一种基于对称逐次超松弛方法的低复杂度线性预编码方案，并提出了一个简单的方法利用渐近正交Massive MIMO系统的信道特性来近似最优松弛参数[4]。

与传统的迫零预编码相比，该方案在保证性能不损失的同时可以减少约一个数量级的复杂度。

假设基站有M个天线，则对应需要M条带有线性功率放大器的射频链，而功率放大器是比较昂贵的。基于这一点，有研究人员提出一种两级恒包络预编码方案[5]，使低成本的具有S<

而考虑到毫米波MIMO系统中部署大量射频链的成本和复杂性，研究人员讨论了混合预编码的网络效率考量[2]：首先建立定向预编码结构的相关性以满足单用户MIMO系统相对于更复杂和更不可靠的基于本征模式的预编码结构的数据速率要求，定向预编码结构的相关性的关键是毫米波信道的稀疏性，由于较小的波长，天线的维数更高；接着利用信道的定向结构，提出了一类简单的定向调度器，在用户空间中提供了一个低复杂度但近似公平的分离平面；最后比较了单用户预编码方案与多用户预编码方案的性能，表明从网络效率考虑，在多用户传输上增加射频链资源更有价值。

3 结束语

不管是基于码本的还是非码本的预编码技术，设计预编码矩阵是预编码算法要解决的关键问题。预编码矩阵的列数决定了使用數据流的数量，改变预编码矩阵不仅改变了数据流的发射天线映射也可以改变数据流和调制阶数。预编码器的选择标准应该要能够确定最合适的预编码矩阵来优化误码率性能，而误码率性能取决于接收技术的使用，因此当考虑预编码选择标准时也需要考虑接收机的结构。线性预编码具有复杂度低、原理简单、误码率性能好等优点，但要想进一步迫近容量上限，需要考虑非线性预编码。目前的非线性预编码算法复杂度高实现困难，低复杂的非线性预编码算法需要进一步研究。另外，大部分预编码技术都是假设发射端完全知道CSI，但实际上完美的CSI是很难得到的，基于不完美的CSI的预编码技术研究还不多，也有待进一步研究。

参考文献：

[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