什么是預編碼？它有什么作用？

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

本文回顧了預編碼的一些好處，研究了它是如何實現的，簡要比較了模擬、線性和非線性預編碼，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），以提高服務質量 （QoS） 和可靠性。

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

• 適應通道條件，有時使用動態實時通道狀態信息 （CSI） 來保持最佳性能。

預編碼流程

預編碼從 CSI 估計開始。CSI 是通過從接收器向發射器發送訓練序列或飛行員信號來收集的，如下圖 1 所示。

圖 1.具有 N 個用戶和 M 個天線的大規模 MIMO 系統，顯示飛行員信號流向預編碼功能。（圖片：IEEE Access)

接下來，使用 CSI 估計值計算預編碼矩陣。多種技術用于預編碼，包括模擬、線性、非線性和混合。每個選項都涉及性能、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。該過程在接收器處相反，并使用預編碼矩陣來獲取原始數據符號。

模擬、線性還是非線性？

可以使用模擬或數字技術實現預編碼。數字技術可以細分為線性和非線性方法。

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

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

最大傳動比 （MRT）。MRT 預編碼利用信道的空間分集來最大化接收信號功率。它通常用于噪音受限的環境中。但是，它不會減輕用戶間干擾，這可能會顯著影響具有多個活動用戶和高干擾級別的環境中的性能。

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

非線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，但代價是復雜性更高。與應用簡單矩陣乘法的線性預編碼不同，非線性預編碼可能涉及迭代算法或復雜的數學函數，以根據特定信道信息優化信號傳輸。

臟紙編碼 （DPC） 是非線性預編碼的常見示例。要實施 DPC，發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干擾信號。

混合預編碼

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

• 線性數字預編碼器使用 CSI 來消除干擾并優化功率分配。

• 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、數字或混合技術來實現。