基于MIMO和編碼技術研究現狀及其技術路線

　　1 引 言

　　隨著移動通信業務規模和種類的迅速發展，如何有效地利用相對貧乏的頻譜資源提供更高質量、更高速率的通信服務是亟待解決的難題。最近Foschini等學者從理論和實驗上驗證了移動通信兩端應用多天線收發(即MIMO技術)，可充分利用信號的空間特性，明顯改善通信質量和頻譜利用率，在學術界和工業界引起了高度的重視。

　　MIMO技術雖然被認為是解決現有無線通信瓶頸，提高通信容量和通信質量的關鍵技術，但由于MIMO信號的傳輸機制復雜度，嚴重限制其工程可實現性。另外，復雜的無線通信環境也加大了MIMO技術的工程實現難度。

　　基于復雜系統自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術，能對抗復雜多變的無線通信環境，繼而顯著改善系統性能，能從物理的角度解釋信號復雜傳輸機制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態分配資源，提高了端到端的通信服務質量(QoS)和信道容量。

　　2基于復雜系統自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術研究現狀

　　近年來，基于多發多收天線技術的MIMO矢量傳輸方法提供了從根本上提高無線通信系統信道容量和頻譜利用率的新途徑。然而，與常規單天線收發通信系統相比，MIMO通信系統中多天線的應用面臨大量亟待研究的問題。

　　2.1 多天線分集系統理論研究

　　天線分集是一種對付移動通信衰落的有效技術，其基本原理在于經歷不同衰落的多徑信號僅僅是部分相關的，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，從而提升傳輸的數據速率或降低系統的發射功率。決定分集性能的重要因素是分集支路之間的相關性，為獲得良好的分集性能，要求該相關性系數低于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，實際中難以獨立應用各維，而是多維聯合應用。如何協調分集技術，降低信號空域相關性，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MIMO的關鍵技術，傳輸信息首先經空時編碼形成多個數據子流，由多天線發射陣的各天線并行發射出去，經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據流并解碼，以實現近于最佳的處理。典型代表為空時格形碼和空時分組碼。空時網格碼要求矢量Viterbi算法譯碼，設備相當復雜。空時分組碼提供的分集增益和空時網格碼一樣，都與發射天線數相等，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、采用哪種編碼技術對接收數據解調和譯碼效果最佳。

　　2.3復雜性科學

　　復雜性科學是現代科學發展的最前沿理論大融合的產物，他擁有大量交互成分，其內部關系復雜、不確定性，總體形成具有非線性。隨著科學的發展，特別是復雜性科學的發展，物理學的研究方法大量移植到不同的研究領域，如信息領域，為揭示信息傳輸的復雜性提供了有效的工具。和常規單天線收發通信系統相比，多輸入多輸出(MIMO)通信是一個復雜系統，傳輸信號滿足復雜系統的4個特點：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的領域，自是自發，組織是說明系統中所包含的各個運動變化的子過程間的相互協作、競爭，使過程演化為有序。復雜系統自組織(耗散結構理論、協同學、超循環理論等)具有廣闊的應用范圍，他在物理學、化學、生物、天文學、經濟學、社會學以及管理科學等許多方面都取得了重要的應用成果。但總體來說，運用復雜系統自組織的方法來研究新一代無線通信系統的成果還是非常的。

　　3基于復雜系統自組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術路線 3.1協同分集技術研究

　　無線通信中，在發送端與接收端同時采用多天線系統，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，多天線系統勢必造成信號空域相關性，天線單元互藕以及通道的互藕，這都將影響MIMO系統性能。合理利用多天線分集技術要考慮天線數目以及多天線硬件的復雜度。在此基礎上，采用協同分集技術能簡化編碼和解碼的復雜度，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技術利用了無線信道多徑傳播的固有特性。在無線通信中，在發送端與接收端同時采用多天線系統，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技術還能得到協同分集，具體實施包括正交協同分集和非正交協同分集。

　　正交協同分集：兩端對端的MIMO用戶各自利用1/4的時間傳輸N/4個數據符號且相互接收對方傳輸的數據，再分別利用1/4的時間為對方傳輸數據符號。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]是中繼傳輸的信號，yd[n]是信宿接收到的信號。每個終端均只能傳輸N/4個數據符號。正交協同分集中，各用戶數據均通過兩個用戶天線傳輸，提供了協同分集，且對兩個用戶均可實現1/2碼率信道編碼。

　　非正交協同分集傳輸：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的時間同時為對方傳輸數據符號。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的信號，yd[n]是信宿接收到的信號。每個終端均只能傳輸N/4個數據符號，在剩下的1/2時間內，由于收發端都已獲得對方的數據，且在同一個時段上傳輸，這種情況與有N/2個數據符號需要傳輸類似，可實現總碼率1/3。

　　針對協同中繼點選擇的公平性問題，利用一種新的自組織MIMO協同網絡的策略，即通過跨層設計獲得公平性。同時，采用計數器排除利己主義的用戶從而保證了整個網絡節點的公平性。方差的使用則確保吞吐量最大化在一定方差的約束。

　　采用多載波差分協同分集，把MIMO協同分集和差分正交頻分復用(OFDM)結合起來，并給出其性能分析。

　　3.2協同編碼技術研究

　　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技術本身由于收發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。采用協同編碼(速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼)技術能克服收發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，為提高系統容量和降低誤碼率找到最佳的途徑。

　　MIMO協同編碼設計初衷是協同中提供比有檢驗DF(解碼前傳)使用的重復碼更加高效的編碼，從而帶來更多的編碼增益。最簡單有效的實現方法就是速率匹配刪除卷積碼或Turbo碼，協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據。具體實施結構如圖2所示。

　　總碼率設為1/3，假設采用等長度分割，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的第二個條件，即通過解碼再編碼得到協同的第二部分碼字。

　　在基站和移動端采用MIMO系統，基站在第T個時隙接收信號為：

　　假設信道為不同衰落信道，HTm,n為第T個時隙信道衰落系數，am,n為信道發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近似，其方差為N0。假設發送端已知或可預測HTm,n，且在接收端就可以實現信號的最大比合并。系統傳輸一個比特的總能量設為Et，則SNR=Et/2N0，數據幀長為128 b，Turbo碼RSC編碼器為G(7，5)。

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

　　4 結 語

　　本文主要分析基于復雜系統白組織MIMO無線傳輸分集和編碼技術研究現狀及其技術路線。用復雜系統自組織研究MIMO技術是一種新方法，能對抗復雜多變的無線通信環境，繼而顯著改善系統性能，能從物理的角度解釋信號復雜傳輸機制，獲得分集增益，無需通過信道反饋信息，動態分配資源，提高了端到端的通信服務質量(QoS)和信道容量。