LTE筆記: beamforming 和 precoding (1)

對於MIMO (Multi-input Multi-output) 系統來說,
beamforming和precodeing都是重要的干擾抑制技術,
然而, 這兩個詞語, 卻也在一定程度上造成混淆和誤用,
在這一系列文章中, 我們將嘗試解釋其中差別,

在介紹beamforming和precodeing兩者差異之前,
我們先簡短介紹一下MIMO,
MIMO簡短來說, 就是傳送端和接收端都有多根天線,
而不同的天線之間, 就有不同的通道, 如下圖所示:

來自: https://zh.wikipedia.org/wiki/MIMO

考慮到不同通道之間不同的響應,
我們可以把收到的訊息表示為: y = Hx,
其中, y 是接收的訊號, x 是傳輸的訊號, 而 H 就是通道的響應,

對於MIMO系統來說, 由於每一個使用者所在的位置不同,
因此, 對應的通道矩陣 H 也就不相同,
假如我們能擁有所有使用者的通道係數 H,
就能視為一組向量空間展開, 並據此設計編碼方式 (也就是設計傳送的 x),
使得不同使用者收到的 y 正交, 或者擁有最大的SINR,
以達到最高的通訊效益.

然而, 這種預編碼 (precoding) 的通訊模式會遇到以下兩個困難的挑戰:

第一, 即時通道資訊的缺乏,
對此問題, 我們通常用上一個時間的pilot訊號進行通道估測,
並在估測完成後, 透過通訊網路回傳至基地台,
在背後的假設就是, 通道的變化 (fading) 緩慢,
因此, 此時的通道估測結果可以留用至下一個時間,

此外, 通道估測需要大量的計算資源, 回傳通道資訊也占用大量頻寬,
這些限制使得即時通道資訊難以在現實通訊系統中取得,
通常, 我們可以假設上下行的對偶性減少使用者估測或是回傳的需求,
另一方面, 也有一些其他研究考慮統計上的通道特性,
取代即時的通道參數來進行設計.

第二, 使用者必須預知傳送端的編碼設計,
考慮到傳輸的資料已經透過 prcoding 的編碼,
使用者進行解碼時, 也必須知道傳送端的編碼方式,
對於此問題, 通訊系統通常會先設計一組共通的 codebook,
傳輸端藉由選用 codebook 中的編碼方式, 進行預編碼,
並告知接收端所選用的編碼組合,

這樣的方法能有效減低系統複雜度和 overhead,
但是也會產生量化誤差 (quantization error),
考慮 codebook 為預先決定, 傳輸端將被迫使用一組非最佳解進行傳輸,
也影響了MIMO的效能.