第一部分　预编码系统概述
第1章　绪论
1．1　ISl高斯信道下的预编码
1．2　CDMA系统的预编码
1．3　MIMO信道预编码
1．4　多用户OFDM系统的预编码
1．5　超宽带系统的预编码
第2章　ISI信道中的预编码技术
2．1　消除ISI的均衡器
2．2　Tomlinson—Harashima预编码
2．2．1　TH预编码的性能
2．2．2　预编码与编码相结合
2．3　网格预编码
2．3．1　网格成型
2．3．2　网格预编码的原理
2．3．3　网格预编码的性能
2．4　0FDM系统的多速率表示
2．4．1　多速率基本原理
2．4．2　用多速率表示的OFDM系统
2．4．3　带有循环前缀的OFDM系统
2．4．4　填零的OFDM系统
2．4．5　发射机已知信道信息条件下的OFDM系统
2．5　0FDM系统的预编码
2．5．1　带有循环前缀的单载波系统
2．5．2　填零的单载波系统
第3章　多址接入信道中的预编码技术
3．1　系统模型
3．2　发射端的匹配滤波器
3．3　发射端的迫零滤波器
3．4　发射端的维纳滤波器
3．5　附录
3．5．1　Tx—MF的推导
3．5．2　最小输出功率条件下T．一ZF的推导
3．5．3　了x—Wiener的推导
第4章　MIMO信道中的预编码
4．1　MIMO系统
4．2　MIMO系统的7H预编码
4．3　线性预编码器和解码器的联合设计
4．3．1　广义加权的MMSE设计
4．3．2　最大信息速率设计
4．3．3　基于QoS的设计
4．3．4　未加权的MMSE设计
4．3．5　等误差设计
4．3．6　基于最大信噪比的设计
4．3．7　统一框架下的凸规划
4．4　MIMO空时编码系统中的预编码
4．4．1　衰落信道下的空时编码系统的线性预编码
4．4．2　用于空时码字的线性星座预编码
4．5　用于有限反馈信道容量的预编码技术
4．5．1　基于信道统计信息的预编码
4．5．2　基于酉预编码的预编码
4．5．3　系统模型和用于酉预编码OS了BC系统的最优预编码
4．5．4　酉预编码的码书结构
……
第二部分　未来采用预编码技术的通信系统
参考文献
缩略语
符号表

精彩书摘

　　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。
　　……

前言/序言

　　在过去的20年里，为了提高恶劣信道环境下通信系统的数据速率、增强链路的鲁棒性、扩大系统的用户容量，涌现出了许多通信新技术。最著名的技术有码分多址（Code Division Muhiplc Acccss，CDMA）、正交频分复用（Orthogonal FrcquencyDivision Multiplexing，OFDM）、多输入多输出（Multiplc—Input Multiplc—Output，MI—MO）、多用户OFDM、超宽带（Ultra Wideband，UWB）系统。在性能方面，这些系统既各有所长，也各有所短。增加接收机的复杂度、降低发射机的复杂度是克服上述各系统缺点的一般做法。实际上，通过合理地调整发射机的复杂度，可以大大降低接收机的复杂度。例如，一直以来，多址干扰（MAI）被认为是限制多用户系统性能的主要因素，解决多址干扰问题的一般方法包括多用户检测（MUD）、用于干扰抵消的PIC和SIC等算法，这些方法大大增加了接收机的复杂度。在此背景下，预编码技术应运而生，它是一种简化收发信机设计的好方法，本书主要研究各种通信系统中的预编码技术。
　　本书旨在从信号处理角度详细论述用于数字通信系统的预编码技术，本书中研究的各种预编码技术及其应用不同于以往的有关数字通信预编码技术的书籍。
　　在本书的第一部分，首先概述了解决码间干扰（Intersymbol Interference，ISI）信道问题的预编码技术原理，并且列举了7H（了omlinson—Harashima）、Trellis两个预编码技术实例。然后，解释了应用广泛的OFDM系统可视为预编码技术特例的原因，介绍了OFDM系统中所采用的预编码方案。此外，众所周知，CDMA系统的性能受限于多址干扰，随着用户数目的增加，便携式接收机不能有效地克服多址干扰。因此，在保证接收机的设计尽可能简单的条件下，引入了各种预编码技术来消弱多址干扰。最后，研究了MIMO信道下的预编码技术。在MIMO系统中，发射机采用TH预编码可以提高BLAST MIMO系统的容量。此外，预编码技术能够利用信道状态信息实现多天线间资源（包括功率和比特）的优化分配或者设计具有最大分集／编码增益的空时码。回顾用于空时编码系统的联合线性预编码和解码技术，这些技术涵盖了具有部分信道信息的MIMO预编码技术。
　　在本书的第二部分介绍了几种反映最新技术发展水平的预编码技术，它们来源于作者在多用户OFDM系统和UWB系统的科研工作。对于多用户OFDM系统，通过合理地设计收发信机结构及正交码，来源于多径、时间及频率偏移、多普勒效应的多址干扰可被完全消除或者减弱到可被一些激活用户忽略的程度。由于一些激活用户处于无多址干扰或者近似无多址干扰的环境下，因此多用产检测的计算复杂度或者用于干扰对消的复杂信号处理过程可得到大大简化。在UwB信道中，信号功率分散到大量的多径分量上，使得接收机在收集信号能量时面临极大的挑战。作者提出的信道相位预编码技术能够帮助指定的接收机聚集信号能量，同传统的Rake接收机相比，这项技术大幅降低了接收机的复杂度。
　　本书适用于通信领域的研究生、工程师及相关领域的研究者。所需背景知识包括概率论、数字通信系统、估计理论。我们希望本书有助于读者更好地理解预编码技术在数字通信系统中所具有的价值，激起读者深入研究该领域的兴趣。
　　作者感谢匿名审稿人提出的富有建设性的建议。C．一C．Jay Kuo感谢他的父母、妻子和女儿这么多年来对他的鼓励和支持。Yu—Hao Chang感谢他的父母和妻子Sophia在他编写此书期间给予他的支持和鼓励。LaylaTadjpour感谢她的父母和姐妹在此项目期间给予她的支持和鼓励。Shang-Ho Tsai感谢他的父母和妻子．Janet．在著书期间对他的理解和支持，感谢他儿子LaWrenee可爱的笑容。
　　南加州大学 C．一C．Jay Kuo
　　南加州大学 Yu—Hao Chang
　　南加州大学 Layla．Fadjpour
　　台湾交通大学 Shang—Ho Tsai
　　2008年2月
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