淺談5G通信中的MIMO和LDPC關(guān)鍵技術(shù)

王 忱

（青島理工大學(xué)，青島 266033）

淺談5G通信中的MIMO和LDPC關(guān)鍵技術(shù)

王 忱

（青島理工大學(xué)，青島 266033）

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，調(diào)制技術(shù)和信道編碼技術(shù)是最為關(guān)鍵的物理層技術(shù)，它們分別決定著系統(tǒng)的頻譜利用率和可靠性。MIMO（Multiple Input and Multipul Output，多輸入多輸出）技術(shù)作為一項(xiàng)空域調(diào)制技術(shù)，可同時(shí)由多根天線發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了頻譜利用率，在接收端利用信號(hào)之間的空域自由度進(jìn)行檢測(cè)；LDPC碼也被證明是目前在各種信道條件下最接近香農(nóng)信道容量的信道編碼技術(shù)。在新一代5G數(shù)字通信系統(tǒng)的技術(shù)研究中，目前已經(jīng)確定LDPC編碼和大規(guī)模MIMO分別入選長(zhǎng)碼數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制的技術(shù)方案。本文將對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的概念和性能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以期幫助移動(dòng)通信從業(yè)人員建立對(duì)這些技術(shù)及其性能優(yōu)勢(shì)的基本認(rèn)識(shí)。

5G；LDPC碼；大規(guī)模MIMO

1 引言

如圖1所示，數(shù)字通信技術(shù)有信源編碼、信道編碼和調(diào)制三種主要的技術(shù)。

圖1 數(shù)字通信系統(tǒng)

信源的功能是產(chǎn)生并發(fā)送載有信息的消息，該消息經(jīng)由信源編碼器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字序列。其中，信源編碼旨在尋求一種信源輸出的有效表示方法，用盡可能少的二進(jìn)制數(shù)字表示信源，減少數(shù)據(jù)冗余，這個(gè)過(guò)程也稱為數(shù)據(jù)壓縮；信道編碼則是通過(guò)對(duì)信源編碼器的輸出序列增加數(shù)據(jù)冗余，提高接收機(jī)的糾錯(cuò)或檢錯(cuò)能力，以降低誤碼率；而調(diào)制器的作用是將各路數(shù)字信號(hào)放在時(shí)域、頻域或空域內(nèi)不同的子信道上進(jìn)行復(fù)用，從而提高信息的傳輸速率，并將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于在信道中傳輸?shù)哪M信號(hào)。伴隨著用戶對(duì)通信速率要求的不斷提高和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，各國(guó)從2012年就開(kāi)始了對(duì)新一代5G通信的技術(shù)研究，其中作為最重要的物理層技術(shù)，LDPC編碼和大規(guī)模MIMO已分別確定入選數(shù)據(jù)信道編碼和調(diào)制的技術(shù)方案。本文將對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的概念和性能做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹和分析。

2 5G通信中大規(guī)模MIMO和LDPC關(guān)鍵技術(shù)的概念

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

上世紀(jì)90年代，Turbo碼的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用使點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息傳輸速率接近了理論的上線，然而用戶仍然需求更高的通信速率，而通過(guò)MIMO技術(shù)，在發(fā)送端和接收端部署多根天線，可以顯著提升頻譜利用率并滿足這一需求。圖2是MIMO的系統(tǒng)框圖。

圖2 MIMO發(fā)送接收示意圖

上圖中在發(fā)送端有n根天線，接收端有m根天線，那么每個(gè)發(fā)送端發(fā)射的信號(hào)，在每個(gè)接收端都可以接收并檢測(cè)，這樣在每個(gè)接收端得到的n個(gè)信號(hào)之間將存在干擾，稱為同道干擾。同時(shí)發(fā)送出去的多個(gè)信號(hào)雖然占用相同的時(shí)頻資源，但通過(guò)降低發(fā)送信號(hào)之間的空間相關(guān)性，可以利用先進(jìn)的空域信號(hào)處理技術(shù)將信號(hào)分離。在4G時(shí)代，MIMO技術(shù)已經(jīng)成為核心技術(shù)之一。

在5G時(shí)代將采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，即在基站側(cè)采用數(shù)量更多的天線，通常是一百根或幾百根，數(shù)量是現(xiàn)行MIMO技術(shù)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而獲取更大的信息傳輸速率和更高的頻譜利用率。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以提供比傳統(tǒng)MIMO更大的空間自由度，利用相干的空域信號(hào)處理方法，可以使各信號(hào)中非相干的噪聲分量被顯著降低。同時(shí)，在保證單根天線的接收信號(hào)強(qiáng)度不變的條件下，由于發(fā)送天線數(shù)量增多，單根發(fā)送天線所需的發(fā)射功率也會(huì)顯著降低[2]。

2.2 LDPC信道編碼技術(shù)

根據(jù)有噪信道編碼定理，碼長(zhǎng)越長(zhǎng)，在誤碼率無(wú)限低的基礎(chǔ)上，可以使信息速率越接近信道容量。1962年，Gallagher提出了基于低密度線性校驗(yàn)矩陣的LDPC碼，這種碼具有很長(zhǎng)的碼長(zhǎng)且符合香農(nóng)第二定理，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量的限制而一度被忽略。直到1993年Berrou提出了Turbo碼，LDPC才被重新發(fā)現(xiàn)。

下面介紹二進(jìn)制規(guī)則LDPC碼的基本原理和譯碼規(guī)則。所謂規(guī)則LDPC碼，指的是其校驗(yàn)矩陣H中的每行和每列都含有相同個(gè)數(shù)的非零元素。LDPC碼本身是一種碼長(zhǎng)很長(zhǎng)的線性分組碼，它也是將信息數(shù)據(jù)劃分為k個(gè)碼元一組，然后在后面加入r個(gè)碼元，構(gòu)成碼長(zhǎng)為n=k+r的分組，而且信息碼元與監(jiān)督碼元直接也滿足線性關(guān)系，用如下的線性方程組表示：HaT=0。其中，H和a分別是線性方程組的系數(shù)組成的校驗(yàn)矩陣和分組向量。與普通線性分組碼不同的是，LDPC碼的校驗(yàn)矩陣H中含有的非零元素的數(shù)目非常少，這表示每個(gè)線性方程代表的碼元間的約束關(guān)系中只有少量碼元參與。

為了便于介紹LDPC的譯碼原理，我們可以將校驗(yàn)矩陣轉(zhuǎn)化為圖3的Tanner圖形式：

圖3 LDPC碼的Tanner圖表示

圖3中，變量節(jié)點(diǎn)代表校驗(yàn)矩陣H中的行，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)代表H中的列，若第i行第j列的元素為非零元素，則在ci變量節(jié)點(diǎn)與fj校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間存在直線連接。LDPC碼的譯碼算法是基于概率譯碼的，即如果接收到的分組中第i個(gè)碼元的值為yi，則判斷發(fā)送的對(duì)應(yīng)碼元的值為ci為0或1時(shí)，需依據(jù)后驗(yàn)概率計(jì)算式P(ci=1|yi)。若該式的值大于0.5，則判斷ci為1，否則判斷ci為0。通過(guò)Tanner圖可以看到，各節(jié)點(diǎn)之間是相互關(guān)聯(lián)的，如果要計(jì)算第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率，就要利用通過(guò)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)與之相連的其它節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率信息。這個(gè)規(guī)則對(duì)所有節(jié)點(diǎn)亦然。因此，我們可以在對(duì)各節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率進(jìn)行隨機(jī)初始化后，采用并行的計(jì)算過(guò)程，同時(shí)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率。該計(jì)算結(jié)果可以替代初始值再次參與后驗(yàn)概率的計(jì)算，從而形成迭代計(jì)算。該譯碼算法成為置信傳播（Brief Propagation）算法。

近年來(lái)的研究已經(jīng)表明，LDPC碼比Turbo碼更接近香農(nóng)極限。目前，LDPC已經(jīng)成為5G長(zhǎng)碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方案，并作為短碼的主要編碼方案之一。

3 MIMO-LDPC系統(tǒng)仿真

將LDPC信道編碼技術(shù)與MIMO技術(shù)相結(jié)合，能同時(shí)有效提高系統(tǒng)對(duì)噪聲的抑制作用和頻譜利用率。下面介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的通信場(chǎng)景，并對(duì)MIMOLDPC系統(tǒng)在該場(chǎng)景下仿真，進(jìn)而分析系統(tǒng)的誤碼率和頻譜利用率。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的衛(wèi)星通信場(chǎng)景，發(fā)送用戶和接收用戶分別有n個(gè)發(fā)送天線和m個(gè)接收天線，且天線排列均為線性排列。設(shè)基站與用戶終端距離足夠遠(yuǎn)，因此發(fā)送信號(hào)在到達(dá)各個(gè)接收天線時(shí)可近似為平行的信號(hào)，如圖4所示。

圖4 MIMO線性天線接收信號(hào)示意圖

圖4中的θ為接收信號(hào)與垂直方向的夾角。對(duì)每個(gè)發(fā)送信號(hào)，均不失一般地假設(shè)第一個(gè)接收天線接收的信號(hào)為零相位，幅度為1，則對(duì)于n=4，m=5的情況，有如下的發(fā)送矩陣H：

接收端的每根天線都將接收到來(lái)自多個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送信號(hào)，它們之間存在干擾。為削弱這種干擾以及信道中噪聲的影響，在接收端加入濾波器C，構(gòu)成如圖5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

圖5 MIMO系統(tǒng)框圖

通常采用如下幾種形式的濾波器C：一是使C與H相乘的結(jié)果為單位矩陣，即僅在對(duì)角線上的元素為1，這樣可完全消除同道干擾，這時(shí)的C稱為迫零濾波器（Zero Forcing Filter）；二是可以證明，使C與H的各元素幅度相同、相位相反，可以使輸出的信噪比最大，這時(shí)的C稱為匹配濾波器（Matrix-Matched Filter）；三是按照均方誤差最小化準(zhǔn)則設(shè)計(jì)C，可以使輸出的信號(hào)在均方誤差意義上最接近發(fā)送信號(hào)，這時(shí)的C稱為最小均方誤差（Minimum Mean Square Error）濾波器。圖6是在該場(chǎng)景下加入LDPC信道編碼技術(shù)后MIMOLDPC的系統(tǒng)框圖。

圖6 MIMO-LDPC系統(tǒng)框圖

發(fā)送信號(hào)向量a的每個(gè)元素在時(shí)間上構(gòu)成的序列都被獨(dú)立進(jìn)行LDPC編譯碼。圖7是未加入LDPC和加入LDPC后的系統(tǒng)誤碼率曲線圖。

圖7 未加入LDPC和加入LDPC后的系統(tǒng)誤碼率曲線圖

圖中還加入了MMF匹配濾波器和MMSE最小均方誤差檢測(cè)等線性檢測(cè)器的比較。由圖可見(jiàn)，加入LDPC編碼技術(shù)后，誤碼率性能得到了明顯提升。而由于同時(shí)有四個(gè)發(fā)送端并行地發(fā)送數(shù)據(jù)，MIMO技術(shù)也使得系統(tǒng)的頻譜利用率提升到原來(lái)的四倍。

4 5G通信中MIMO系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題

大規(guī)模MIMO也存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。首先，目前大部分研究都假設(shè)大規(guī)模MIMO信道是獨(dú)立同分布信道，但實(shí)測(cè)結(jié)果卻表明，信道能量往往集中在有限的方向上；其次是導(dǎo)頻污染問(wèn)題，在TDD大規(guī)模MIMO傳輸方案中，各用戶向基站發(fā)送正交的導(dǎo)頻信號(hào)，基站估計(jì)上行信道后利用信道互易性來(lái)獲得下行信道參數(shù)，然而，隨著用戶數(shù)目的增加，導(dǎo)頻開(kāi)銷也隨之增加，相互正交的導(dǎo)頻就變得不再夠用，這就是所謂的“導(dǎo)頻污染”[5]；再次，在多用戶傳輸技術(shù)方面，需要在有限的信道信息下實(shí)施下行預(yù)編碼和上行多用戶聯(lián)合接收，隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度將顯著增加[3]；最后，隨著基站天線數(shù)目的增加，在天線振子間距保持不變的情況下，天線的尺寸也會(huì)增大，從而產(chǎn)生基站部署、散熱和功耗等問(wèn)題。以上這些都是大規(guī)模MIMO在未來(lái)5G通信應(yīng)用中有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

5 結(jié)束語(yǔ)

大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠顯著提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率，LDPC信道編碼技術(shù)能降低信息傳輸?shù)恼`碼率、提高通信的可靠性，它們都將成為5G通信中的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)和LDPC信道編碼技術(shù)的基本原理，然后在一個(gè)簡(jiǎn)單的衛(wèi)星信道線性天線陣列場(chǎng)景下，將MIMO與LDPC技術(shù)結(jié)合并給出系統(tǒng)框圖，通過(guò)仿真驗(yàn)證了兩種技術(shù)的優(yōu)越性。最后，本文簡(jiǎn)要介紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在很大程度上都是由天線數(shù)量增多引起的的實(shí)際問(wèn)題。

“風(fēng)云三號(hào)D”氣象衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道

11月15日2時(shí)35分，我國(guó)“風(fēng)云三號(hào)D”氣象衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射成功。該星的發(fā)射成功和穩(wěn)定運(yùn)行，將進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)氣象衛(wèi)星的遙感能力，提升衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用水平，為保障生態(tài)文明建設(shè)、軍民融合等國(guó)家重大戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議提供有力支撐；提高氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)更新時(shí)效性，為我國(guó)霧霾監(jiān)測(cè)、極端天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等發(fā)揮重要作用。

“風(fēng)云三號(hào)”氣象衛(wèi)星是我國(guó)獨(dú)立研制、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列，旨在獲取地球大氣環(huán)境的全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感資料?！帮L(fēng)云三號(hào)D”氣象衛(wèi)星是該系列的第四顆衛(wèi)星，與C星相比，D星技術(shù)更加成熟，新增了紅外高光譜大氣探測(cè)儀、高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀、廣角極光成像儀、電離層光度計(jì)4個(gè)新型遙感儀器，提高了與氣候變化密切關(guān)聯(lián)的溫室氣體監(jiān)測(cè)能力，增強(qiáng)了空間環(huán)境綜合探測(cè)能力。

[1] 陳鵬．5G：關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)演進(jìn)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015

[2] 王茜竹，邱聰聰，黃德玲．面向5G 的大規(guī)模MIMO 關(guān)鍵技術(shù)研究分析[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2017,43:24-27

[3] 尤肖虎，潘志文，高西奇．5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]．中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2014,44:551-563

[4] 伊方龍，汪鵬君．改進(jìn)型高吞吐率QC-LDPC碼解碼器設(shè)計(jì)[J]．電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011,4:19-23

[5] Haralabos PAPADOPOULOS,Chenwei WANG.Massive MIMO Technologies and Challenges towards 5G[J]. IEICE TRANSACTIONS on Communications,2016,99:602-621.

Discussion on MIMO and LDPC as Key Technologies of 5G Communication

Wang Chen
(Qingdao Technological University, Qingdao, 266033)

Modulation and channel coding are the most critical physical layer technologies in digital communication systems, which determine the spectrum utilization and reliability of the system respectively. As a spatial modulation technique, MIMO (Multiple Input and Multipul Output) simultaneously transmits data by a plurality of antennas which improves the spectrum utilization rate, and signals are detected at the receiving end by using airspace freedom between them; LDPC code is proved to be the channel encoding technology at present the most close to the Shannon channel capacity in various channel conditions. In the research of new generation 5G digital communication system, LDPC coding and massive MIMO have been chosen as the technical scheme of long code data encoding and modulation respectively. This paper will briefly introduce the concept and performance of these two key technologies, in order to help mobile operators to establish a basic understanding of these technologies and their performance advantages.

5G; LDPC code; large-scale MIMO

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.001

TN929.5

1672-7274（2017）11-0001-04

王 忱，男，1987年生，青島理工大學(xué)助教，碩士，主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a及衛(wèi)星MIMO通信。