自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法研究

任志勇 周鑫 徐東

【摘要】 為了克服多輸入多輸出系統(tǒng)空間各子信道相互干擾，論文對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了研究。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，接收端基于最小均方誤差接收機均衡算法，并以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼。通過仿真驗證，在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)的調(diào)制和編碼方式能根據(jù)信噪比大小變化，靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率，在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

【關(guān)鍵詞】 預(yù)編碼 多輸入多輸出 正交幅度調(diào)制 誤比特率

一、引言

在移動通信系統(tǒng)中，可以通過高階信號調(diào)制技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)來提高系統(tǒng)的頻譜效率，但是，在一個噪聲信道環(huán)境下，傳輸數(shù)據(jù)速率的提高會帶來誤碼率的提升。為了提高頻譜效率，長期演進（LTE）移動通信系統(tǒng)中采用了鏈路自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道條件的變化，系統(tǒng)動態(tài)地采用不同的調(diào)制和編碼、MIMO傳輸模式[1]、預(yù)編碼和發(fā)射功率等技術(shù)，以期在保證信號質(zhì)量的情況下取得最大的傳輸效率。

LTE移動通信系統(tǒng)采用了正交頻分多址（OFDMA）、多輸入多輸出（MIMO）[2]等關(guān)鍵技術(shù)，以此來克服多徑信道的頻率選擇性衰落和提高系統(tǒng)的傳輸速度。本文對LTE移動通信系統(tǒng)中預(yù)編碼算法進行了研究，并根據(jù)信道條件的變化，對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了性能仿真，分析了不同調(diào)制與編碼下系統(tǒng)的傳輸速率與誤碼率的曲線變化。

二、基于信道矩陣奇異值分解的預(yù)編碼算法

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)將連續(xù)的信號比特流拆分成多個信號子流，再將各信號子流通過不同的天線發(fā)射出去，傳輸各信號子流的多個發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成了空間信道矩陣。在空間信道矩陣構(gòu)成的各子信道不相互獨立的情況下，各子信道將相互干擾，從而影響信號接收質(zhì)量。在LTE系統(tǒng)中，預(yù)編碼技術(shù)被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法[3]。最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣是基于信道矩陣奇異值分解的矩陣。

首先假設(shè)在一個子幀持續(xù)時間內(nèi)，信道矩陣H不變，假設(shè)系統(tǒng)有NT根發(fā)射天線，MR根接收天線，發(fā)射符號分為L層，每個層有T個符號，第i層由符號[xi，1，xi，2，...，xi，T]組成。對信道矩陣H進行奇異值分解：

式中，n為高斯白噪聲。在實際的應(yīng)用中，由于反饋資源的限制，系統(tǒng)首先須在預(yù)先給定好的碼本里選擇一個碼本作為預(yù)編碼矩陣，也就是利用某種準(zhǔn)則得到碼本索引。

三、預(yù)編碼矩陣下的MIMO接收機算法

LTE系統(tǒng)中的預(yù)編碼矩陣指示（PMI）反饋都是基于協(xié)議配置碼本，主要有兩種準(zhǔn)則：一種是基于系統(tǒng)容量最大化，另一種是基于最小誤碼率（BER）[4]。本論文采用基于最小誤碼率的MMSE準(zhǔn)則，減小發(fā)射信號和接收信號之間的誤差信號功率值，并以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼，以便保證系統(tǒng)取得最大的傳輸容量。假設(shè)均衡后的信號為X？，最初的發(fā)射信號為X，假定最優(yōu)均衡器變換系數(shù)為G，MIMO信道矩陣為H，那么誤差信號可以表示為：

四、自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法仿真實驗

為了對算法性能作對比，在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上，自適應(yīng)調(diào)制方式分別在QPSK、16QAM、64QAM三種方式進行選擇，接收端用MMSE準(zhǔn)則的均衡器，將發(fā)射信號功率值與均衡后的誤差信號功率值的比值作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)，選擇相應(yīng)的調(diào)制方式與編碼率，當(dāng)誤差信號功率值較大時，此時誤碼率較大，選擇低階調(diào)制方式，以保證信號傳輸質(zhì)量，當(dāng)誤差信號功率值較小時，選擇高階調(diào)制方式，以提高信號的傳輸速率，以期在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到最高的傳輸效率。

仿真實驗在多輸入多輸出MIMO的情況下展開，信號經(jīng)過衰落噪聲信道，信噪比SNR取值在0dB到21dB之間，信噪比與誤比特率和數(shù)據(jù)傳輸速率仿真結(jié)果分如圖1、2所示。

從圖1可以看出，隨著SNR的值增大，誤比特變小，采用固定調(diào)制的階數(shù)越高，誤碼率越大。在信噪比的值為0dB到12dB之間時，固定64QAM、16QAM高階調(diào)制的誤碼率都較高，但是，在自適應(yīng)調(diào)制和編碼方式下，誤碼率卻隨著信噪比變大很快變低，因為鏈路根據(jù)誤差信號功率情況自適應(yīng)地選擇了恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式和編碼率。從圖2可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，采用固定調(diào)制方式和編碼率時，數(shù)據(jù)的傳輸速率是一個定值，調(diào)制階數(shù)越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越大。但在自適應(yīng)調(diào)制和編碼方式下，鏈路根據(jù)信噪比情況，靈活改變了數(shù)據(jù)傳輸速率，信噪比的值越小，誤比特率就變高，此時數(shù)據(jù)傳輸速率減小，信噪比的值越高，誤比特率就變小，此時數(shù)據(jù)傳輸速率增大，在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

五、結(jié)論

論文對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了研究，在LTE系統(tǒng)中，預(yù)編碼技術(shù)被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，信號經(jīng)過噪聲信道后，在接收端，采用基于最小誤碼率的MIMO接收機算法，減小發(fā)射信號和接收信號之間的誤差信號功率值，以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼，以便保證系統(tǒng)取得最大的傳輸容量。通過仿真驗證，在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)的調(diào)制和編碼方式能根據(jù)信噪比大小變化，靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率，在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

參 考 文 獻

[1] V Stankovic， M Haardt， Generalized Design of Multi-User MIMO Precoding Matrices [J].Wireless Communications， IEEE Transactions， 2008， 7（3）：953-961.

[2] W. Peng and F. Adachi， “Single-carrier frequency domain adaptive antenna array for uplink multi-user MIMO transmission in a cellular system，” [J]. Physical Communication， Sep. 2013， vol. 8， pp. 22–30.

[3] Jiang，M.， Prasad，N.，Yue，G.，and Rangarajan，S.Efficient link adaptation for precoded multi-rank transmission and turbo SIC receivers. IEEE ICC，2011.

[4] 劉祖軍，王杰令，孫德春，易克初. 多小區(qū)多用戶TDD MIMO下行鏈路干擾抑制預(yù)編碼算法[J].北京：通信學(xué)報， 2013年04期.2013.04， 34（4）：187-193.