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)者從理論和實驗上驗證了移動通信兩端應(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(xiàn)有無線通信瓶頸，提高通信容量和通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，但由于MIMO信號的傳輸機制復(fù)雜度，嚴重限制其工程可實現(xiàn)性。另外，復(fù)雜的無線通信環(huán)境也加大了MIMO技術(shù)的工程實現(xiàn)難度。

基于復(fù)雜系統(tǒng)自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術(shù)，能對抗復(fù)雜多變的無線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號復(fù)雜傳輸機制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態(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無線傳輸分集和編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，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題。

2.1 多天線分集系統(tǒng)理論研究

天線分集是一種對付移動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?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，實際中難以獨立應(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空時編、解碼與處理

空時編、解碼與處理是實現(xiàn)MIMO的關(guān)鍵技術(shù)，傳輸信息首先經(jīng)空時編碼形成多個數(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)無線多徑信道傳輸后，多天線多通道接收機將多路接收信號空時處理算法分離數(shù)據(jù)流并解碼，以實現(xiàn)近于最佳的處理。典型代表為空時格形碼和空時分組碼。空時網(wǎng)格碼要求矢量Viterbi算法譯碼，設(shè)備相當復(fù)雜�？諘r分組碼提供的分集增益和空時網(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，還有幾種先進的空時編碼，如線性擴展碼、正交空時分組編碼(OSTBC)、線性擴展空時碼以及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(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)通信是一個復(fù)雜系統(tǒng)，傳輸信號滿足復(fù)雜系統(tǒng)的4個特點：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，可以運用復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)方面的理論指導(dǎo)對MIMO系統(tǒng)內(nèi)在機制的研究。

自組織屬于復(fù)雜性科學(xué)的領(lǐng)域，自是"自發(fā)"，"組織"是說明系統(tǒng)中所包含的各個運動變化的子過程間的相互協(xié)作、競爭，使過程演化為有序。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)濟學(xué)、社會學(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。但總體來說，運用復(fù)雜系統(tǒng)自組織的方法來研究新一代無線通信系統(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

無線通信中，在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(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)勢必造成信號空域相關(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)能簡化編碼和解碼的復(fù)雜度，降低接收硬件的難度，而且無需信道估計帶來的性能損失。

MIMO技術(shù)利用了無線信道多徑傳播的固有特性。在無線通信中，在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(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用戶各自利用1／4的時間傳輸N／4個數(shù)據(jù)符號且相互接收對方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再分別利用1／4的時間為對方傳輸數(shù)據(jù)符號。在n=1，…，N／4時：

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：

其中xr[n]是中繼傳輸?shù)男盘枺瑈d[n]是信宿接收到的信號。每個終端均只能傳輸N／4個數(shù)據(jù)符號。正交協(xié)同分集中，各用戶數(shù)據(jù)均通過兩個用戶天線傳輸，提供了協(xié)同分集，且對兩個用戶均可實現(xiàn)1／2碼率信道編碼。

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

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：

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

針對協(xié)同中繼點選擇的公平性問題，利用一種新的自組織MIMO協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的策略，即通過跨層設(shè)計獲得公平性。同時，采用計數(shù)器排除利己主義的用戶從而保證了整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的公平性。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，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)端信道的不對稱而引起的性能損失，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)端信道的不對稱而造成的分集度和性能損失，而且還帶來編碼增益，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)計初衷是協(xié)同中提供比有檢驗DF(解碼前傳)使用的重復(fù)碼更加高效的編碼，從而帶來更多的編碼增益。最簡單有效的實現(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RSC(Recusive System Code)編碼器后面加一個2位的串并轉(zhuǎn)換器，就可以直接得到一個刪余后的1／2碼率卷積碼作為碼字第一部分，用戶采用相同的隨機交織器和RSC，就可以滿足編碼系統(tǒng)的第二個條件，即通過解碼再編碼得到協(xié)同的第二部分碼字。

在基站和移動端采用MIMO系統(tǒng)，基站在第T個時隙接收信號為：

假設(shè)信道為不同衰落信道，HTm,n為第T個時隙信道衰落系數(shù)，am,n為信道發(fā)射信號的預(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近似，其方差為N0。假設(shè)發(fā)送端已知或可預(yù)測HTm,n，且在接收端就可以實現(xiàn)信號的最大比合并。系統(tǒng)傳輸一個比特的總能量設(shè)為Et，則SNR=Et／2N0，數(shù)據(jù)幀長為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)空時編碼協(xié)同，他的基本原理是接收端(基站)在第一時隙對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼視接收情況決定第二時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸安排。也就是說，如果第一時隙內(nèi)基站己經(jīng)成功接收了某用戶的第一幀數(shù)據(jù)，那么在第二個時隙內(nèi)該用戶的數(shù)據(jù)將不再發(fā)射，而節(jié)省下來的能量用于發(fā)射其他用戶的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文主要分析基于復(fù)雜系統(tǒng)白組織MIMO無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，能對抗復(fù)雜多變的無線通信環(huán)境，繼而顯著改善系統(tǒng)性能，能從物理的角度解釋信號復(fù)雜傳輸機制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態(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。

作者：肖海林，聶在平
（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院 廣西 桂林 541004；
2.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院 四川 成都 610054）