预编码与波束赋形

预编码与波束赋形对于空间复用，LTE既支持开环方式的空间复用，也支持闭环方式的空间复用，即所谓的线性预编码技术。线性预编码操作的作用是将天线域的处理转换为波束域进行处理，如图所示。在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。预编码预编码可以分为线性预编码和非线性预编码两种。线性预编码在接收端通过一些线性检测手段即可译码，主要有：线性迫零（包括一些常见的BD算法、波束成型方法等）、信道求逆等。非线性预编码设计复杂，常见的有污纸编码，通常需要对N个相关的非线性方程组做处理。因为非线性复杂度高，在终端的译码算法复杂，因此LTE中采用线性预编码技术。预编码线性预编码操作可以表述为：y=Wx其中W是预编码矩阵,x为传输数据,y为传输信息经过预编码处理之后得到的新的发射向量。经过MIMO信道后,接收端接收到的信号为:r=Hy+N=HWx+N=HEx+N其中，r为接收向量，H为空间信道矩阵，N为噪声向量，HE为经过预编码后的等效空间信道。预编码线性预编码操作可以按其预编码矩阵的获得位置划分为两大类预编码方式：基于非码本的预编码操作和基于码本的预编码操作,两者具有不同的处理流程，如下图所示。预编码预编码在非码本的预编码方式中，预编码矩阵在发射端获得。发射端利用预测的信道状态信息CSI，进行预编码矩阵的计算，常见的预编码矩阵计算方法有奇异值分解(SVD)，均匀信道分解(UCD)。非码本的预编码方式要求使用专用导频，即数据符号和导频符号一起进行预编码操作，这样接收端只需要通过信道估计就可以获得预编码后的等效信道，从而方便进行数据解调。预编码在基于码本的预编码方式中，预编码矩阵在接收端获得。接收端利用预测的CSI，在预定的预编码码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的序号（PMI）反馈给发射器。预编码矩阵码本的构建方式有多种,如:基于天线选择的码本,基于发射自适应阵列（TxAA）模式的码本,基于离散傅里叶变换（DFT）的码本,随机码本等。从预定的预编码矩阵码本中选择预编码矩阵可以依据基于性能指标的选择和基于量化的选择两种方式。预编码传说中的码本——基于天线选择的码本天线数秩码本天线数秩码本预编码基于码本的预编码方式不要求使用专用导频，但是需要通过某种方式告知接收端当前所使用的预编码矩阵。因为虽然预编码举证是接收端选择并告知给发射端的，但是在反馈的过程中可能会发生错误，并且发射端有权根据实际情况更改预编码矩阵。发射端可以采用如下几种方式告知接收端当前所使用的预编码矩阵以用于接收端的数据解调。1)通过控制信令的方式。2)通过专用导频进行验证3)通过专用导频进行信道估计。预编码LTE系统中的FDD模式下，下行和上行传输分配在不同的频带上，所以信道状态指标CSI和预编码矩阵不能从上行信道探测导频得到，但可以以反馈方法得到。因此FDD模式下使用基于码本的方式进行预编码。相比于FDD模式，在TDD模式下，利用TDD系统信道对称性，能直接反馈信道，量化以及差分反馈等。信道状态指标CSI和预编码矩阵信息可以直接从上行信道探测导频取得，因此TDD使用基于非码本的方式进行预编码。预编码智能天线的工作原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使主瓣自适应地指向移动台方向，达到提高信号的载干比、降低发射功率等目的。LTE中波束赋形技术其实是TD-SCDMA中智能天线技术的演进，通过采用波束赋形算法，形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准用户信号来波方向，旁瓣或零陷对准干扰信号来波方向，因此能充分利用移动用户信号并抵消或最大程度地抑制干扰信号，从而能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。波束赋形波束赋形与线性预编码在操作上有很多相似之处，但是其工作原理与预编码不同。预编码要求基站侧使用大间距的多根天线阵列，而波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列多天线的辐射方向图，其主要原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或者覆盖范围。在进行波束赋形时，可以不利用终端来反馈所需信息，来波方向和路损信息可以在基站侧通过测量上行接收信号获得，并且不要求上行使用多根天线进行数据发送。波束赋形波束赋形与预编码比较：波束赋形波束赋形要求使用专用导频，其主要原因是为了获得波束赋形增益需要使用较多的天线单元，而目前LTE仅仅考虑最大支持使用4个公共导频，无法支持在超过4根天线单元的天线阵列上使用波束赋形。除此之外，使用专用导频进行波束赋形还有如下好处：(1)需要更少的正交公共导频(2)简化接收机处理(3)更容易支持多根传输天线(4)不需要终端反馈天线权值波束赋形波束赋形除了可以进行单流的数据传输外，还可以支持多流的数据传输和空分多址。下图所示为波束赋形的3种情况：1.单流波束赋形波束赋形2.分组波束赋形波束赋形3.基于分组波束赋形的空分多址波束赋形另外一种分组波束赋形的实现方式是，将两组天线之前的距离人为的拉大，以降低两组之间的相关性，从而优化多流情况下的传输，但是丧失了一定的灵活性。如下图：波束赋形ThankYou！