什么是預(yù)編碼？它有什么作用？

預(yù)編碼是一種信號(hào)處理技術(shù)，可修改無(wú)線信號(hào)的相位和幅度，以對(duì)抗信道失真并優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。它可以支持多輸入多輸出 （MIMO） 和大規(guī)模 MIMO 天線陣列中的波束成形。

本文回顧了預(yù)編碼的一些好處，研究了它是如何實(shí)現(xiàn)的，簡(jiǎn)要比較了模擬、線性和非線性預(yù)編碼，最后討論了混合預(yù)編碼。

預(yù)編碼的好處包括：

• 信號(hào)優(yōu)化以補(bǔ)償信道損傷，如干擾和衰落

• 最大限度地減少附近信號(hào)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(hào)強(qiáng)度

• 提高信噪比 （SNR） 和信干噪比 （SINR），以提高服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 和可靠性。

• 最大限度地提高 MIMO 和大規(guī)模 MIMO 天線系統(tǒng)的信道容量和和速率性能

• 適應(yīng)通道條件，有時(shí)使用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通道狀態(tài)信息 （CSI） 來(lái)保持最佳性能。

預(yù)編碼流程

預(yù)編碼從 CSI 估計(jì)開(kāi)始。CSI 是通過(guò)從接收器向發(fā)射器發(fā)送訓(xùn)練序列或飛行員信號(hào)來(lái)收集的，如下圖 1 所示。

圖 1.具有 N 個(gè)用戶和 M 個(gè)天線的大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)，顯示飛行員信號(hào)流向預(yù)編碼功能。（圖片：IEEE Access)

接下來(lái)，使用 CSI 估計(jì)值計(jì)算預(yù)編碼矩陣。多種技術(shù)用于預(yù)編碼，包括模擬、線性、非線性和混合。每個(gè)選項(xiàng)都涉及性能、成本和復(fù)雜性方面的權(quán)衡。

預(yù)編碼矩陣生成波束成形和數(shù)據(jù)傳輸所需的預(yù)編碼信號(hào)。該過(guò)程在接收器處相反，并使用預(yù)編碼矩陣來(lái)獲取原始數(shù)據(jù)符號(hào)。

模擬、線性還是非線性？

可以使用模擬或數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼。數(shù)字技術(shù)可以細(xì)分為線性和非線性方法。

在模擬預(yù)編碼中，可調(diào)移相器控制每個(gè)天線元件的信號(hào)相位，從而創(chuàng)建所需的輻射方向圖。與數(shù)字預(yù)編碼相比，模擬預(yù)編碼更簡(jiǎn)單且成本更低，但也不太靈活。

線性數(shù)字預(yù)編碼在復(fù)雜性方面緊隨其后。使用線性預(yù)編碼時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)和接收的信號(hào)之間的關(guān)系是線性變換，因此計(jì)算效率很高。線性預(yù)編碼的示例包括：

最大傳動(dòng)比 （MRT）。MRT 預(yù)編碼利用信道的空間分集來(lái)最大化接收信號(hào)功率。它通常用于噪音受限的環(huán)境中。但是，它不會(huì)減輕用戶間干擾，這可能會(huì)顯著影響具有多個(gè)活動(dòng)用戶和高干擾級(jí)別的環(huán)境中的性能。

另一方面，強(qiáng)迫零 （ZF） 旨在消除用戶之間的干擾。預(yù)編碼矩陣的結(jié)構(gòu)可消除接收器的干擾。雖然這種技術(shù)可以有效地消除干擾，但它也會(huì)增強(qiáng)噪聲，從而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

非線性數(shù)字預(yù)編碼可以支持更高的數(shù)據(jù)速率和更好的通道容量，但代價(jià)是復(fù)雜性更高。與應(yīng)用簡(jiǎn)單矩陣乘法的線性預(yù)編碼不同，非線性預(yù)編碼可能涉及迭代算法或復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)，以根據(jù)特定信道信息優(yōu)化信號(hào)傳輸。

臟紙編碼 （DPC） 是非線性預(yù)編碼的常見(jiàn)示例。要實(shí)施 DPC，發(fā)射機(jī)必須完全了解干擾信號(hào)，使其能夠在編碼數(shù)據(jù)之前減去干擾。因此，它可以向接收器提供無(wú)干擾信號(hào)。

混合預(yù)編碼

混合預(yù)編碼結(jié)合了模擬和數(shù)字技術(shù)。它在大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中特別有用，因?yàn)樵诖笠?guī)模 MIMO 系統(tǒng)中，需要許多天線來(lái)形成窄波束。然而，多個(gè) RF 鏈的高成本和功耗使得全數(shù)字預(yù)編碼不切實(shí)際。在典型實(shí)施中，數(shù)字預(yù)編碼先于模擬處理，如圖 2 所示：

• 線性數(shù)字預(yù)編碼器使用 CSI 來(lái)消除干擾并優(yōu)化功率分配。

• 然后，模擬預(yù)編碼器使用移相器對(duì)光束方向圖進(jìn)行整形。

圖 2.用于大規(guī)模 MIMO 的混合預(yù)編碼架構(gòu)示例。（圖片：MDPI electronics）)

總結(jié)

預(yù)編碼是 5G 通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要作。它可以提高信道容量，最大限度地降低功耗，并產(chǎn)生更高的 QoS。根據(jù)特定的成本和性能要求，可以使用模擬、數(shù)字或混合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。