基于MIMO和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀及其技術(shù)路線

　　1 引 言

　　隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)規(guī)模和種類的迅速發(fā)展，如何有效地利用相對(duì)貧乏的頻譜資源提供更高質(zhì)量、更高速率的通信服務(wù)是亟待解決的難題。最近Foschini等學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了移動(dòng)通信兩端應(yīng)用多天線收發(fā)(即MIMO技術(shù))，可充分利用信號(hào)的空間特性，明顯改善通信質(zhì)量和頻譜利用率，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了高度的重視。

　　MIMO技術(shù)雖然被認(rèn)為是解決現(xiàn)有無(wú)線通信瓶頸，提高通信容量和通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，但由于MIMO信號(hào)的傳輸機(jī)制復(fù)雜度，嚴(yán)重限制其工程可實(shí)現(xiàn)性。另外，復(fù)雜的無(wú)線通信環(huán)境也加大了MIMO技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)難度。

　　基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無(wú)線傳輸分集和編碼技術(shù)，能對(duì)抗復(fù)雜多變的無(wú)線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號(hào)復(fù)雜傳輸機(jī)制，獲得分集增益，無(wú)需通過(guò)信道反饋信息，動(dòng)態(tài)分配資源，提高了端到端的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道容量。

　　2基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無(wú)線傳輸分集和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，基于多發(fā)多收天線技術(shù)的MIMO矢量傳輸方法提供了從根本上提高無(wú)線通信系統(tǒng)信道容量和頻譜利用率的新途徑。然而，與常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，MIMO通信系統(tǒng)中多天線的應(yīng)用面臨大量亟待研究的問(wèn)題。

　　2.1 多天線分集系統(tǒng)理論研究

　　天線分集是一種對(duì)付移動(dòng)通信衰落的有效技術(shù)，其基本原理在于經(jīng)歷不同衰落的多徑信號(hào)僅僅是部分相關(guān)的，他們同時(shí)處于深衰落的概率很低，適當(dāng)合并他們則可能提高鏈路的可靠性，從而提升傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率或降低系統(tǒng)的發(fā)射功率。決定分集性能的重要因素是分集支路之間的相關(guān)性，為獲得良好的分集性能，要求該相關(guān)性系數(shù)低于0.7。夭線分集主要包括空間分集、極化分集和角度分集，他們分屬于天線分集中的空間、極化與角度維，實(shí)際中難以獨(dú)立應(yīng)用各維，而是多維聯(lián)合應(yīng)用。如何協(xié)調(diào)分集技術(shù)，降低信號(hào)空域相關(guān)性，提高信息的傳輸速率是信息論方法研究還未解決的難題。

　　2.2空時(shí)編、解碼與處理

　　空時(shí)編、解碼與處理是實(shí)現(xiàn)MIMO的關(guān)鍵技術(shù)，傳輸信息首先經(jīng)空時(shí)編碼形成多個(gè)數(shù)據(jù)子流，由多天線發(fā)射陣的各天線并行發(fā)射出去，經(jīng)無(wú)線多徑信道傳輸后，多天線多通道接收機(jī)將多路接收信號(hào)空時(shí)處理算法分離數(shù)據(jù)流并解碼，以實(shí)現(xiàn)近于最佳的處理。典型代表為空時(shí)格形碼和空時(shí)分組碼?？諘r(shí)網(wǎng)格碼要求矢量Viterbi算法譯碼，設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜。空時(shí)分組碼提供的分集增益和空時(shí)網(wǎng)格碼一樣，都與發(fā)射天線數(shù)相等，不足之處是提供的編碼增益最小，甚至為0。除這兩種編碼外，還有幾種先進(jìn)的空時(shí)編碼，如線性擴(kuò)展碼、正交空時(shí)分組編碼(OSTBC)、線性擴(kuò)展空時(shí)碼以及Turbo編碼等。然而，至今還不清楚究竟哪種編碼最好、采用哪種編碼技術(shù)對(duì)接收數(shù)據(jù)解調(diào)和譯碼效果最佳。

　　2.3復(fù)雜性科學(xué)

　　復(fù)雜性科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的最前沿理論大融合的產(chǎn)物，他擁有大量交互成分，其內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜、不確定性，總體形成具有非線性。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是復(fù)雜性科學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)的研究方法大量移植到不同的研究領(lǐng)域，如信息領(lǐng)域，為揭示信息傳輸?shù)膹?fù)雜性提供了有效的工具。和常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，多輸入多輸出(MIMO)通信是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，傳輸信號(hào)滿足復(fù)雜系統(tǒng)的4個(gè)特點(diǎn)：中等大少數(shù)目的元素;自適應(yīng)性;局部演化規(guī)則;自組織性。因此，可以運(yùn)用復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)方面的理論指導(dǎo)對(duì)MIMO系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制的研究。

　　自組織屬于復(fù)雜性科學(xué)的領(lǐng)域，自是自發(fā)，組織是說(shuō)明系統(tǒng)中所包含的各個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的子過(guò)程間的相互協(xié)作、競(jìng)爭(zhēng)，使過(guò)程演化為有序。復(fù)雜系統(tǒng)自組織(耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論等)具有廣闊的應(yīng)用范圍，他在物理學(xué)、化學(xué)、生物、天文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)以及管理科學(xué)等許多方面都取得了重要的應(yīng)用成果。但總體來(lái)說(shuō)，運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)自組織的方法來(lái)研究新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的成果還是非常的。

　　3基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無(wú)線傳輸分集和編碼技術(shù)路線 3.1協(xié)同分集技術(shù)研究

　　無(wú)線通信中，在發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線系統(tǒng)，他能夠提供空間分集、極化分集和角度分集、陣列分集、編碼分集等。但由于空間的限制，多天線系統(tǒng)勢(shì)必造成信號(hào)空域相關(guān)性，天線單元互藕以及通道的互藕，這都將影響MIMO系統(tǒng)性能。合理利用多天線分集技術(shù)要考慮天線數(shù)目以及多天線硬件的復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上，采用協(xié)同分集技術(shù)能簡(jiǎn)化編碼和解碼的復(fù)雜度，降低接收硬件的難度，而且無(wú)需信道估計(jì)帶來(lái)的性能損失。

　　MIMO技術(shù)利用了無(wú)線信道多徑傳播的固有特性。在無(wú)線通信中，在發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線系統(tǒng)，他能夠提供空間分集、極化分集和角度分集、陣列分集、編碼分集等。此外，MIMO技術(shù)還能得到協(xié)同分集，具體實(shí)施包括正交協(xié)同分集和非正交協(xié)同分集。

　　正交協(xié)同分集：兩端對(duì)端的MIMO用戶各自利用1/4的時(shí)間傳輸N/4個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)且相互接收對(duì)方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再分別利用1/4的時(shí)間為對(duì)方傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)。在n=1，…，N/4時(shí)：

　　其中xs[n]是源傳輸信號(hào)，yr[n]和yd[n]分別是中繼和信宿接收到的信號(hào)。在n=N/4+1，…，N/2時(shí)：

　　其中xr[n]是中繼傳輸?shù)男盘?hào)，yd[n]是信宿接收到的信號(hào)。每個(gè)終端均只能傳輸N/4個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。正交協(xié)同分集中，各用戶數(shù)據(jù)均通過(guò)兩個(gè)用戶天線傳輸，提供了協(xié)同分集，且對(duì)兩個(gè)用戶均可實(shí)現(xiàn)1/2碼率信道編碼。

　　非正交協(xié)同分集傳輸：兩端對(duì)端的MIMO用戶各自利用1/4的時(shí)間傳輸N/4個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)且相互接收對(duì)方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再共同利用剩下的1/2的時(shí)間同時(shí)為對(duì)方傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)。在n=1，…，N/4時(shí)：

　　其中xs[n]是源傳輸信號(hào)，yr[n]和yd[n]分別是中繼和信宿接收到的信號(hào)。在n=N/2+1，…，N時(shí)：

　　其中xr[n]和x3-r[n]是兩用戶作為中繼傳輸?shù)男盘?hào)，yd[n]是信宿接收到的信號(hào)。每個(gè)終端均只能傳輸N/4個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，在剩下的1/2時(shí)間內(nèi)，由于收發(fā)端都已獲得對(duì)方的數(shù)據(jù)，且在同一個(gè)時(shí)段上傳輸，這種情況與有N/2個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)需要傳輸類似，可實(shí)現(xiàn)總碼率1/3。

　　針對(duì)協(xié)同中繼點(diǎn)選擇的公平性問(wèn)題，利用一種新的自組織MIMO協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的策略，即通過(guò)跨層設(shè)計(jì)獲得公平性。同時(shí)，采用計(jì)數(shù)器排除利己主義的用戶從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的公平性。方差的使用則確保吞吐量最大化在一定方差的約束。

　　采用多載波差分協(xié)同分集，把MIMO協(xié)同分集和差分正交頻分復(fù)用(OFDM)結(jié)合起來(lái)，并給出其性能分析。

　　3.2協(xié)同編碼技術(shù)研究

　　信道編碼的方法通常要考慮譯碼算法和接收設(shè)備復(fù)雜度。再加上MIMO技術(shù)本身由于收發(fā)端信道的不對(duì)稱而引起的性能損失，信道編碼作用就相當(dāng)重要。采用協(xié)同編碼(速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼)技術(shù)能克服收發(fā)端信道的不對(duì)稱而造成的分集度和性能損失，而且還帶來(lái)編碼增益，為提高系統(tǒng)容量和降低誤碼率找到最佳的途徑。

　　MIMO協(xié)同編碼設(shè)計(jì)初衷是協(xié)同中提供比有檢驗(yàn)DF(解碼前傳)使用的重復(fù)碼更加高效的編碼，從而帶來(lái)更多的編碼增益。最簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)方法就是速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼，協(xié)同方案是碼字第一部分的編碼比特可以通過(guò)刪除低碼率的碼字得到，刪除的比特作為碼字第二部分的傳輸數(shù)據(jù)。具體實(shí)施結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　總碼率設(shè)為1/3，假設(shè)采用等長(zhǎng)度分割，那么碼字第一部分碼率1/2碼率，直接在Turbo編碼器的第一個(gè)RSC(Recusive System Code)編碼器后面加一個(gè)2位的串并轉(zhuǎn)換器，就可以直接得到一個(gè)刪余后的1/2碼率卷積碼作為碼字第一部分，用戶采用相同的隨機(jī)交織器和RSC，就可以滿足編碼系統(tǒng)的第二個(gè)條件，即通過(guò)解碼再編碼得到協(xié)同的第二部分碼字。

　　在基站和移動(dòng)端采用MIMO系統(tǒng)，基站在第T個(gè)時(shí)隙接收信號(hào)為：

　　假設(shè)信道為不同衰落信道，HTm,n為第T個(gè)時(shí)隙信道衰落系數(shù)，am,n為信道發(fā)射信號(hào)的預(yù)乘相位幅度調(diào)整，cT(n)為接收噪聲，一般采用加載高斯白噪聲來(lái)近似，其方差為N0。假設(shè)發(fā)送端已知或可預(yù)測(cè)HTm,n，且在接收端就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大比合并。系統(tǒng)傳輸一個(gè)比特的總能量設(shè)為Et，則SNR=Et/2N0，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為128 b，Turbo碼RSC編碼器為G(7，5)。

　　在編碼協(xié)同的基礎(chǔ)上還可以引入MIMO自適應(yīng)空時(shí)編碼協(xié)同，他的基本原理是接收端(基站)在第一時(shí)隙對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼視接收情況決定第二時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸安排。也就是說(shuō)，如果第一時(shí)隙內(nèi)基站己經(jīng)成功接收了某用戶的第一幀數(shù)據(jù)，那么在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)該用戶的數(shù)據(jù)將不再發(fā)射，而節(jié)省下來(lái)的能量用于發(fā)射其他用戶的數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文主要分析基于復(fù)雜系統(tǒng)白組織MIMO無(wú)線傳輸分集和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀及其技術(shù)路線。用復(fù)雜系統(tǒng)自組織研究MIMO技術(shù)是一種新方法，能對(duì)抗復(fù)雜多變的無(wú)線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號(hào)復(fù)雜傳輸機(jī)制，獲得分集增益，無(wú)需通過(guò)信道反饋信息，動(dòng)態(tài)分配資源，提高了端到端的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道容量。