基于MIMO和編碼技術(shù)研究現狀及其技術(shù)路線(xiàn)

　　1 引 言

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)規模和種類(lèi)的迅速發(fā)展，如何有效地利用相對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)驗上驗證了移動(dòng)通信兩端應用多天線(xiàn)收發(fā)(即MIMO技術(shù))，可充分利用信號的空間特性，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)雖然被認為是解決現有無(wú)線(xiàn)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信號的傳輸機制復雜度，嚴重限制其工程可實(shí)現性。另外，復雜的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境也加大了MIMO技術(shù)的工程實(shí)現難度。

　　基于復雜系統自組織MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸分集和編碼技術(shù)，能對抗復雜多變的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境，繼而顯著(zhù)改善系統性能，能從物理的角度解釋信號復雜傳輸機制，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基于復雜系統自組織MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸分集和編碼技術(shù)研究現狀

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

　　2.1 多天線(xiàn)分集系統理論研究

　　天線(xiàn)分集是一種對付移動(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，適當合并他們則可能提高鏈路的可靠性，從而提升傳輸的數據速率或降低系統的發(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)性系數低于0.7。夭線(xiàn)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(xiàn)分集中的空間、極化與角度維，實(shí)際中難以獨立應用各維，而是多維聯(lián)合應用。如何協(xié)調分集技術(shù)，降低信號空域相關(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)數據子流，由多天線(xiàn)發(fā)射陣的各天線(xiàn)并行發(fā)射出去，經(jīng)無(wú)線(xiàn)多徑信道傳輸后，多天線(xiàn)多通道接收機將多路接收信號空時(shí)處理算法分離數據流并解碼，以實(shí)現近于最佳的處理。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，設備相當復雜?？諘r(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(xiàn)數相等，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(xiàn)性擴展碼、正交空時(shí)分組編碼(OSTBC)、線(xiàn)性擴展空時(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)對接收數據解調和譯碼效果最佳。

　　2.3復雜性科學(xué)

　　復雜性科學(xué)是現代科學(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，其內部關(guān)系復雜、不確定性，總體形成具有非線(xiàn)性。隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，特別是復雜性科學(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，為揭示信息傳輸的復雜性提供了有效的工具。和常規單天線(xiàn)收發(fā)通信系統相比，多輸入多輸出(MIMO)通信是一個(gè)復雜系統，傳輸信號滿(mǎn)足復雜系統的4個(gè)特點(diǎn)：中等大少數目的元素;自適應性;局部演化規則;自組織性。因此，可以運用復雜性和復雜系統方面的理論指導對MIMO系統內在機制的研究。

　　自組織屬于復雜性科學(xué)的領(lǐng)域，自是自發(fā)，組織是說(shuō)明系統中所包含的各個(gè)運動(dòng)變化的子過(guò)程間的相互協(xié)作、競爭，使過(guò)程演化為有序。復雜系統自組織(耗散結構理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論等)具有廣闊的應用范圍，他在物理學(xué)、化學(xué)、生物、天文學(xué)、經(jīng)濟學(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用成果。但總體來(lái)說(shuō)，運用復雜系統自組織的方法來(lái)研究新一代無(wú)線(xiàn)通信系統的成果還是非常的。

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

　　無(wú)線(xiàn)通信中，在發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線(xiàn)系統，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(xiàn)系統勢必造成信號空域相關(guān)性，天線(xiàn)單元互藕以及通道的互藕，這都將影響MIMO系統性能。合理利用多天線(xiàn)分集技術(shù)要考慮天線(xiàn)數目以及多天線(xiàn)硬件的復雜度。在此基礎上，采用協(xié)同分集技術(shù)能簡(jiǎn)化編碼和解碼的復雜度，降低接收硬件的難度，而且無(wú)需信道估計帶來(lái)的性能損失。

　　MIMO技術(shù)利用了無(wú)線(xiàn)信道多徑傳播的固有特性。在無(wú)線(xiàn)通信中，在發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線(xiàn)系統，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：兩端對端的MIMO用戶(hù)各自利用1/4的時(shí)間傳輸N/4個(gè)數據符號且相互接收對方傳輸的數據，再分別利用1/4的時(shí)間為對方傳輸數據符號。在n=1，…，N/4時(shí)：

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

　　其中xr[n]是中繼傳輸的信號，yd[n]是信宿接收到的信號。每個(gè)終端均只能傳輸N/4個(gè)數據符號。正交協(xié)同分集中，各用戶(hù)數據均通過(guò)兩個(gè)用戶(hù)天線(xiàn)傳輸，提供了協(xié)同分集，且對兩個(gè)用戶(hù)均可實(shí)現1/2碼率信道編碼。

　　非正交協(xié)同分集傳輸：兩端對端的MIMO用戶(hù)各自利用1/4的時(shí)間傳輸N/4個(gè)數據符號且相互接收對方傳輸的數據，再共同利用剩下的1/2的時(shí)間同時(shí)為對方傳輸數據符號。在n=1，…，N/4時(shí)：

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

　　其中xr[n]和x3-r[n]是兩用戶(hù)作為中繼傳輸的信號，yd[n]是信宿接收到的信號。每個(gè)終端均只能傳輸N/4個(gè)數據符號，在剩下的1/2時(shí)間內，由于收發(fā)端都已獲得對方的數據，且在同一個(gè)時(shí)段上傳輸，這種情況與有N/2個(gè)數據符號需要傳輸類(lèi)似，可實(shí)現總碼率1/3。

　　針對協(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)跨層設計獲得公平性。同時(shí)，采用計數器排除利己主義的用戶(hù)從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(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用(OFDM)結合起來(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備復雜度。再加上MIMO技術(shù)本身由于收發(fā)端信道的不對稱(chēng)而引起的性能損失，信道編碼作用就相當重要。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)端信道的不對稱(chēng)而造成的分集度和性能損失，而且還帶來(lái)編碼增益，為提高系統容量和降低誤碼率找到最佳的途徑。

　　MIMO協(xié)同編碼設計初衷是協(xié)同中提供比有檢驗DF(解碼前傳)使用的重復碼更加高效的編碼，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據。具體實(shí)施結構如圖2所示。

　　總碼率設為1/3，假設采用等長(cháng)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(hù)采用相同的隨機交織器和RSC，就可以滿(mǎn)足編碼系統的第二個(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，基站在第T個(gè)時(shí)隙接收信號為：

　　假設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，am,n為信道發(fā)射信號的預乘相位幅度調整，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。假設發(fā)送端已知或可預測HTm,n，且在接收端就可以實(shí)現信號的最大比合并。系統傳輸一個(gè)比特的總能量設為Et，則SNR=Et/2N0，數據幀長(cháng)為128 b，Turbo碼RSC編碼器為G(7，5)。

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

　　4 結 語(yǔ)

　　本文主要分析基于復雜系統白組織MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸分集和編碼技術(shù)研究現狀及其技術(shù)路線(xiàn)。用復雜系統自組織研究MIMO技術(shù)是一種新方法，能對抗復雜多變的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境，繼而顯著(zhù)改善系統性能，能從物理的角度解釋信號復雜傳輸機制，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。