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1、预编码技术在协同中继系统中的应用1引言市场需求的不断提高，促使无线通信系统在近几十年中得到了迅猛的发展。 目前的无线通信系统虽然能够提供各种基础业务，例如语音、数据通信和低速无线互联网接入等，却没有能力很好地满足更高速率多媒体新业务的需求。为了更好地满足这些日益增长的需求，迫切需要研究设计能提供更高数据速率、 更高频谱效率和无缝覆盖的未来宽带无线通信系统。国际电联(ITU)对未来 移动通信系 统(IMT-Advaneed)提出了更为长期的目标与展望,即在固定和 低速移动的热点覆盖场景下,在100 MHz的带宽内提供高达1 Gbit/s的传 输速率,在高速移动的广域覆盖场景下提供不低于100 M
2、bit/s的传输速率,相应的频谱效率应 能达到520 bit/( sHz)1。但是，恶劣的无线传输环境对这些高性能需求的实现提出了巨大的挑战。于是，为了提高未来宽带无线通信系统的频谱效率，并改善链路可靠性，近些年来涌现出各种新技术，例如先进的信道编码技术和调制技术、基于多天线的多入多出(MIMO)的空时处理技术等。先进的编码和 调制技术是逼近单个系统潜在 信道容量的有效手段之一，而多天线技术的引入则能进一步显著提高单个系统 具有的信道容量，因而更具有发展潜力。然而，由于受移动便携式终端体积和 其他实现因素的制约，使得在终端上难以配 置较多的天线单元，从而在相当大 程度上制约了 MIMO技 术的
3、广泛应用。另一方面，采用协同中继机制的新型无线通信技术，即 协同通信”，提供了一种利用空间资源的新手段2。在协 同通信系统中，多个参与通信的实体之 间通过协作的方式 共享有限资源以提高无线资源的利用率。多个单天线终端 采用协同机制建立通信后，可相互使用对方的天线发射各自的信号，从而形成虚拟天线阵列”，如此构成的等效MIMO系统同样具有较高的系统容量和频 谱效率3。但是，目前已有的各种协同中继协议，其所能实现的频谱效率远 低 于协同中继系统具有的潜在最大容量。假设在发射端已知完整或者部分信道状态信息，利用空时预编码技术是提 高频谱效率的有效手段之一 4。该技 术已经被3G LTE系统采纳并作为其
4、 关键技术之一5。目 前，与预编码相关的 MIMO技术的研究重点主要在传统集中式网络。而另一方面，协同中继系统的 虚拟天线阵列”与传统MIMO 系统的多天线阵列存在着某种相似性，所以将预编码等链路自适应技术应用 到协同中继系统中具有 良好的可行性。但是，这方面的研究才刚刚起步，远未 成熟，很多方向期待有新的突破。与传统集中式网络中的MIMO系统相比,协同中继系统中的预编码技术会面临更大的困难和挑战。2 协同通信“协同”(cooperate) 这个词语来源于拉丁文“co- ”和“ operare ”的组合,直译为“一起工作(working together) ”。协 同的 概念 最早来自对生物界
5、现象的观察，例如关于吸血蝙蝠行 为的研究等，用以描述通过给予、共享或者容许以获得 好处的行为，此后被引入社会学、经济学和其他自然科 学领域中。近年来在无线通信领域内，随着网络拓扑结 构的发展由完全集中式逐渐转变为分布式与集中式相 结合，各种协同技术在无线通信系统中的应用与研究也 日益广泛。对协同中继系统的研究最早可以追溯到 40年前。首 先,Van Der Meulen 在1968年提出三终端中继信道并初步推导了该信道容量的上下 极限（即容量的上下界）。随后,Cover对Van Der Meulen的研究进行了拓 展，做出了不 少标志性的贡献，其中很多成果迄今仍在广泛使用。但是，到了 20世纪
6、80年代，有关协同中继系统的研究逐渐减少，直到21世纪初才再次引起研究者的广泛关注。根据协同中继节点对接收到信号处理方式的不同， Lan eman提出并分析了协同中继系统的4种常用协议：放大转发（AF）、解码 转发（DF）、选择性中继和增量中继（IR） 。Hunter在此 基础 上进一步提 出了编码协同（CC）协议，其本质上是解码转发的一种特 例，并可与分布式空时编码（DSTC）结合起来使用。同时， Sen do naris系统地提出并定义了 “用户协同分集”的概念,给出了两用户互为 协同中继节点的系统 模型及其性能分析。在上述研究的基础上，近年来出现了大量的针对协同中继系统空中接口的研究，考
7、虑到射频器件实现难度和成 本等因素，大多数研究集中于实用性较好 的半双工协同中 继系统。所谓半双工协同中继系统，是指该系统的协同中 继节 点在相互正交的某种资源（时间或频率等）上接收和发送信号。具体的研究主要 集中在以下几个方面：分布式 空时编码设计、协同中继节点选择7、协同 中继系统的功 率分配8和协同中继系统中的跨层优化9等。从已有的研究成果中可以看到，相对于无中继的直接 传输方式，引入协同 中继节点的半双工协同中继系统在改善传输可靠性的同时，也付出了相应的代价，例如中继节 点进行转发时需要占用部分时间或频率资源，从而导致了 系统整体传输效率的降低。图1比较了使用AF或DF协 议的半双工协
8、同中继系 统能获得的频谱效率，以及理论上 该系统可获得的协同中继信道容量的上/下界。可以看到，前者随信噪比（SNR）增大而变化的速率远远小于后者。换 言之, 半双工协同中继系统频谱效率的 提高尚存在相当大的空间。另一 方面，目前提出的各种逼近半双工协同中继系统容量 的实现方法中,绝大多数采用了诸如污纸编码（DPC）和 重叠编码（SPC）等复杂度极高且实现很困难的算法。因此，如何设计有效可行的算法，更好地开发 利 用 半 双工协同中继 系统蕴含的容量潜力，是一个极富挑战性的问题。3 预编码技术作为提高无线通信系统频谱效率的链路自适应技术之一，应用于MIMO系统的预编码（precoding/pre
9、coder） 处理技术近年来获得了 研究者和工业界广泛的关注。追根溯源，预编码这个名词的起源说法不一，既 可指应用于存在 符号间干扰的信道中的匹配发送技术，也可以指级联码中 的 外码编码器等。但是，当20世纪90年代末MIMO技术出现后，预编 码被更广泛地用来描述在发射端已知信道状态信息时对 发射信号的预处理过程，并逐渐获得了大家的认同。预编码 的概念最初被引入MIMO系统时仅局限于线性形式的预处理， 目前泛指任何在发射端进行的预处理操作。若收发两端均已知完全信道状态信息（CSI）, 则可以 采用信道转移矩阵的右奇异矩阵作为发送端的预编码矩阵，同时将左奇异矩阵作为接收端的检测矩阵，从而有效地将
10、MIMO信道进行对角化并获得多个并 行且 相 互 间 无 干扰的空间信道。同时，根据注水原理分配各个并行信道 上 的发射功率，结合自适应编码调制技术，从而能有效地 逼近MIMO系统理论上 具有的信道容量。在早期研究中，为简化系统实现复杂度，通常先假设信道编码 和调制方式不变，然后将预编码技术与功率或比特分配算法相结合，并对收 发两端进行联合优化。此时的优化可基于各种不同 的最优化目标，包括最小化各子信道均方误差（MSE）之 和、最大化各子信道信干噪比（SINR）、最 小化均方误差行列式等。现有的各种最优化代价函数都可以归为如下两类，Schur-凸函数和Schur-凹函数。若为前者,则信道对角
11、化结构是最优的预 编码操作；若为后者，最优的预编码处理形式则为信道对角化结构辅以发射信 号的特殊旋转形 式。各种预编码最优化准则的具体归类比较见表 1。MIMO技术 初期的研究基本上都集中于单用户系统。近年来，由于多用户MIMO系统能实现更高的频谱效率，从而吸引了越来越多研究者的目光。与单用户MIMO系统 类似，预编码技术同样是多用户MIMO系统中提高频谱效 率的有效手段之一。由于上行与下行链路的特点不同，相 应的多用户预编码技术研究的侧重点和进展也各不相同。（1）上行多用户预编码技术在MIMO系统的上行多址接入信道（MAC）中,若每个 用户具有多根天线, 可通过预编码技术来有效地降低用户间干
12、扰，从而提高链路传输的可靠性，同时，也可结合特殊的接收机设计技术来提高系统的容量。在上行链路中，与 单用户预编码技术相比，多用户预编码技术的主要特点在于不同用户之间不能 交互发射信号，因此等效预编码矩阵只能为特殊的分块对角阵。一般来说，最 小化MSE（或其函数）是上行多用户预编码技术常用的最优化目标。 由于用户 端发射天线数量有限，上行多用户预编码技术的研究相对较少。（2）下行多用户预编码技术在MIMO系统的下行广播信道（BC）中，若发射端已知信道状态信息，则 用户间干扰可认为已知且可控。此时，在 发射端采用预编码技术，就可以预先 消除用户间可能存在的干扰。下行多用户预编码算法通常归为两类：线
13、性预编 码算法与非线性预编码算法。表2总结和比较了现有的几种主要的下行多用户 预编码算法的特点及其局限性。前述各种预编码技术的研究都是以收发两端已知完整的信道状态信息为前提的。但是，在实际无线通信系统中，特别是频分双工（FDD）系统， 在发端及时地获得完整的信道状态信息非常困难，所以基于有限反 馈的预编码技 术更具有可实现性。Love首先提出将预编码矩阵的选择限 制在 酉阵的范围内，即没有功率分配的情况；然后分析了 相应的预编码矩阵选择的 最优化准则，包括最大化最小奇异值准则、最大化均方误差准则和最大化容量 准则等；并且进一步指出，基于这些最优化准则，信道转移矩阵的右奇异矩阵 或者由其前若干列
14、矢量构成的矩阵即为最优预编码矩阵。在上述分析的基础上， 又提出了利用码 书（codebook,即有限矩阵的集合）来表征最优预编码矩阵，将需要反馈的 信息从信道转移矩阵转化为码书的索引编号，从而大大降低了反馈信息量，非 常有利于预编码技术的实 际实现。此外，可以根据信道的空间相关特征自适应 地改变当前使用的码书，更进一步提高系统的频谱效率。基于统计信道状态信 息的预编码技术，也可以大大降低系统所需的反馈量，常用的手段包括使用信 道协方差矩阵的分解 代替瞬时信道转移矩阵。目前对传统集中式网络中MIMO系统的预编码技术研究已 较为深入,这为在协同中继网络中应用预编码技术打下了很好的基础。4 协同预编
15、码技术如前所述，协同中继系统蕴含的容量潜力迄今为止还没有被充分地开发使用，而预编码技术通过利用信道状态信息能有效地提高MIMO系统的频谱效率。同时，协同中继系统与MIMO系统之间具有较大的相似性，所以如何将 预编 码技术引入到协同中继系统，是一个充满挑战又急待解决的问题。目前，针对 这一领域的研究工作并不多，可大致分为如下几类。（1）增加节点天线单元数目假设在全部（或部分）节点上配置多个天线，或使用分布式天线系统取代 其中若干节点，并在多天线节点上引入预编码技术。基站通过多天线协同中继 节点，可同时服务 多个终端，即在协同中继节点仅使用简单的线性操作，基站侧使用THP消除用户间干扰10。另外，
16、在协同中继传输 时也可使用波束赋形消除不同传输对之间的干扰。(2)增加协同中继节点数目使用多个协同中继节点构成广义分布式天线阵，将预 编码技术引入此协 同中继天线阵以提高系统性能。在假设已知完整或者部分信道状态信息下，可得到在此结构下最优的预编码矢量和接收合并矢量设计11。 同时增加协同中继节点及节点天线数目在多个多天线协同中继节点同时服务多 个 终端的 场景中，将前述两 种思路进行结合，并在协同中继节点使用 线性预编码技术来消除不同用户数 据之间的干扰。在继系统与MIMO系统之间具有较大的相似性，所以如何将 预编码技术引入到协同中继系统，是一个充满挑战又急待解决的问题。目前， 针对这一领域的研究工作并不多,可大类似的场景中,还可以将MRT和STBC 等空时处理技术引入多个多天线协同中继节点之间，各个协同中继节点在无 需 相互交互信道信息的情况下，可同时服务多个终端。5 结束语综上所述，随着高速无线多媒体业务需求的不断增加和无线频谱资源的日趋紧张，探索能够有效提高无线系统频谱效率的新技术，具有非常现实的理论 意义和实际应用 价值。协同通信的出现，为研究人员开辟了一种研究有效 利用 空间资源的新途径。但是，如何充分地开发协同中继 系统中蕴含的容量潜力， 目前尚无成熟有效的可行方法。而将预编码技术应用到协同中继系统中，将会是提高协同中继系统频谱效率的最有潜力的手段之一。