第一部分  预编码系统概述
　　第1章  绪论
　　由于20世纪70年代可靠的固态射频硬件，无线通信在过去几十年来经历了突飞猛进的发展，依据各种寻呼、无绳电话、蜂窝和个人通信标准开发出来的无线通信系统已经遍布世界各地。下一代的无线通信系统将会是终端到终端的通信系统，在此系统中，语音、数据和多媒体都可“随时、随地”以数百兆比特每秒的速度传递给用户。例如，在准静态的环境中，目前的IEEE802．11n标准（MIMO—OFDM）所支持的物理层（PHY）数据传输速率可高达600Mb／s。正在制定的IEEE802．16m（MIMo—OFIM）标准，旨在为移动应用提供超过100Mb／s的总数据传输速率。
　　数据吞吐量是通信系统中最重要的性能指标之一。20世纪90年代之前，多径效应一直被视为阻碍高吞吐量传输的主要障碍，这一点在时域内易于解释。由于多径效应，可能需要在传送符号间插入保护间隔，以防止码间干扰（ISI），所选择的保护间隔应大于信道时延扩展。然而，插入的保护间隔限制了传输数据的吞吐量。这种限制也可以在频域得到解释。时域的多径效应导致了频域的频率选择性衰落。因此，如果信号占据整个信道带宽，信号就会在这种情况下经历频率选择性衰落，系统性能明显降低。为了避免频率选择性衰落，可能用窄带宽（窄带通信）来传送信号。在窄带通信系统中，如IS-95（CDMA）的信号带宽远远小于信道相干带宽。因此，在频率选择性衰落信道中传输时，信号只占据信道带宽的很小一部分，使得窄带信号不会遭受剧烈的频率选择性衰落。然而，窄带宽的信号传输意味着不能获得较高的数据吞吐量。
　　可以用信道均衡和预编码技术来实现克服多径效应和实现高吞吐量传输的目的。预编码技术的基本原理是：如果发送端知道信道信息，则可以通过设计发射信号，使得接收机遭受的ISI大大减小。例如，Tomlinson—Harashima（TH）预编码技术可以视为将DFE的反馈部分（判决反馈均衡器）移动到发送机处理，以避免误差传播问题。不同于Galois域上的纠错码，预编码在复数域中处理符号，因此有助于经过星座映射的符号避开不利条件的影响，如频率选择性衰落。
　　使用正交频分复用（OFDM）系统是克服多径效应的有效途径。OFDM已经在有线和无线通信中得到了广泛应用。虽然1966年就已经提出了OFDM的概念，但它一直没有在通信系统中得到应用，直到20世纪90年代，数字信号处理（DSF．）和超大规模集成电路技术的发展才使得OFDM可通过低成本的快速傅里叶变换（FFT）芯片得以实现。在有线环境中使用时，OFDM也称为离散多音（DMT）调制技术，这种技术在xI）SI．（数字用户线路）中被使用。OFDM技术采用简单的收发信机结构就能对抗频率选择性衰落，从而使接收机能够有效地克服码间干扰，这是OFDM技术的优势所在。在过去10年中，OFDM技术采用简单的实施方案就可克服ISI的非凡能力已得到证实。1993年，DSI+采用DM'I’制作了第一个采用0FDM技术代替信道均衡技术的商业产品。在1995年和1997年，ETSl分别在数字音频广播（DAB）和数字视频广播一陆地（DvB—T）系统中采用了OFDM技术。1999年，IEEE802．11a标准采用了OF．DM技术，它所提供的wi—Fi技术的峰值数据传输速率高达54Mb／a。2002年-2007年，OFDM技术也被其他标准采纳，如IEEE802．16x家族（Wj—MAX）和〕：EEE802．11n（采用MIMO技术的wi—Fi）。事实上，OFDM系统可以被视为预编码技术的一个特例。在文献〔5〕中，为了消除ISI，OFDM多载波系统的信道信息被用来设计发射和接收滤波器组，这个过程称为矢量编码。由于假定发射机已知信道信息，矢量编码则可看成一种线性预编码技术，它需要从接收机到发射机的反馈。目前，OFDM系统没有利用信道信息设计发射和接收滤波器组，相反，它使用离散傅里叶变换（DPT）和离散傅里叶反变换（IDFT）滤波器组来进行收发信机的设计。因此，发射机不需要知道信道信息。这种与信道独立的OFDM方案被归结为预编码方案。
　　对高速、可靠的无线通信链路的需求与日俱增，这导致了多天线系统的诞生。此系统中的发射机和接收机都布置了多根天线。多输人多输出（MlMO）系统能够显著提升信道容量，从而实现比单一阵列天线系统高的传输速率。众所周知的用于带限高斯通道的香农理论表明，高斯带限信道下的数据传输速率有一个基本的极限（信道容量）。随着通信理论、复杂的信号处理技术、计算技术的发展，达到信道容量这一基本信息极限可能性大大增加。在MIMO系统中，如果发射机已知信道信息，基于各种准则的预编码就可以进一步改善系统性能，最大容量和最小均方误差（MMSE）是这些准则中的两个例子。在目前的无线标准中，预编码（或波束成型成）是IEEE802．11n和IEEE802．16家族的可选功能，这些功能的实现需要借助于完全的信道信息或部分信道信息。当信道快速变化时，发射机可能不会得到完全的信道信息，在这种情况下，一些研究表明，在MIMO预编码中采用部分信道信息的系统性能仍然令人满意。这个概念也促使人们使用部分信道信息进行UwB通信系统的预编码，因为这种系统的信道冲击响应较长，发射机很难获得完全信道信息（见第8章）。
　　如上所述，根据可获取的信道信息程度，预编码方案可分为如下三类：
　　（1）发射机已知完全信道信息；
　　（2）发射机已知部分信道信息；
　　（3）发射机对信道信息一无所知。
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