什么是預編碼？它有什么作用？

預編碼是一種信號處理技術(shù)，可修改無(wú)線(xiàn)信號的相位和幅度，以對抗信道失真并優(yōu)化數據傳輸的質(zhì)量和可靠性。它可以支持多輸入多輸出 （MIMO） 和大規模 MIMO 天線(xiàn)陣列中的波束成形。

本文回顧了預編碼的一些好處，研究了它是如何實(shí)現的，簡(jiǎn)要比較了模擬、線(xiàn)性和非線(xiàn)性預編碼，最后討論了混合預編碼。

預編碼的好處包括：

• 信號優(yōu)化以補償信道損傷，如干擾和衰落

• 最大限度地減少附近信號的干擾。

• 將能量集中在接收器上，并最大限度地提高有效信號強度

• 提高信噪比 （SNR） 和信干噪比 （SINR），以提高服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 和可靠性。

• 最大限度地提高 MIMO 和大規模 MIMO 天線(xiàn)系統的信道容量和和速率性能

• 適應通道條件，有時(shí)使用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通道狀態(tài)信息 （CSI） 來(lái)保持最佳性能。

預編碼流程

預編碼從 CSI 估計開(kāi)始。CSI 是通過(guò)從接收器向發(fā)射器發(fā)送訓練序列或飛行員信號來(lái)收集的，如下圖 1 所示。

圖 1.具有 N 個(gè)用戶(hù)和 M 個(gè)天線(xiàn)的大規模 MIMO 系統，顯示飛行員信號流向預編碼功能。（圖片：IEEE Access)

接下來(lái)，使用 CSI 估計值計算預編碼矩陣。多種技術(shù)用于預編碼，包括模擬、線(xiàn)性、非線(xiàn)性和混合。每個(gè)選項都涉及性能、成本和復雜性方面的權衡。

預編碼矩陣生成波束成形和數據傳輸所需的預編碼信號。該過(guò)程在接收器處相反，并使用預編碼矩陣來(lái)獲取原始數據符號。

模擬、線(xiàn)性還是非線(xiàn)性？

可以使用模擬或數字技術(shù)實(shí)現預編碼。數字技術(shù)可以細分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性方法。

在模擬預編碼中，可調移相器控制每個(gè)天線(xiàn)元件的信號相位，從而創(chuàng )建所需的輻射方向圖。與數字預編碼相比，模擬預編碼更簡(jiǎn)單且成本更低，但也不太靈活。

線(xiàn)性數字預編碼在復雜性方面緊隨其后。使用線(xiàn)性預編碼時(shí)，傳輸的信號和接收的信號之間的關(guān)系是線(xiàn)性變換，因此計算效率很高。線(xiàn)性預編碼的示例包括：

最大傳動(dòng)比 （MRT）。MRT 預編碼利用信道的空間分集來(lái)最大化接收信號功率。它通常用于噪音受限的環(huán)境中。但是，它不會(huì )減輕用戶(hù)間干擾，這可能會(huì )顯著(zhù)影響具有多個(gè)活動(dòng)用戶(hù)和高干擾級別的環(huán)境中的性能。

另一方面，強迫零 （ZF） 旨在消除用戶(hù)之間的干擾。預編碼矩陣的結構可消除接收器的干擾。雖然這種技術(shù)可以有效地消除干擾，但它也會(huì )增強噪聲，從而對系統性能產(chǎn)生負面影響。

非線(xiàn)性數字預編碼可以支持更高的數據速率和更好的通道容量，但代價(jià)是復雜性更高。與應用簡(jiǎn)單矩陣乘法的線(xiàn)性預編碼不同，非線(xiàn)性預編碼可能涉及迭代算法或復雜的數學(xué)函數，以根據特定信道信息優(yōu)化信號傳輸。

臟紙編碼 （DPC） 是非線(xiàn)性預編碼的常見(jiàn)示例。要實(shí)施 DPC，發(fā)射機必須完全了解干擾信號，使其能夠在編碼數據之前減去干擾。因此，它可以向接收器提供無(wú)干擾信號。

混合預編碼

混合預編碼結合了模擬和數字技術(shù)。它在大規模 MIMO 系統中特別有用，因為在大規模 MIMO 系統中，需要許多天線(xiàn)來(lái)形成窄波束。然而，多個(gè) RF 鏈的高成本和功耗使得全數字預編碼不切實(shí)際。在典型實(shí)施中，數字預編碼先于模擬處理，如圖 2 所示：

• 線(xiàn)性數字預編碼器使用 CSI 來(lái)消除干擾并優(yōu)化功率分配。

• 然后，模擬預編碼器使用移相器對光束方向圖進(jìn)行整形。

圖 2.用于大規模 MIMO 的混合預編碼架構示例。（圖片：MDPI electronics）)

總結

預編碼是 5G 通信系統中的一項重要作。它可以提高信道容量，最大限度地降低功耗，并產(chǎn)生更高的 QoS。根據特定的成本和性能要求，可以使用模擬、數字或混合技術(shù)來(lái)實(shí)現。