基於通道編碼的多用戶MISO系統預編碼技術

核心概念

本文提出了一種針對多用戶多輸入單輸出（MISO）系統的通道編碼預編碼（CCP）框架，該框架將通道編碼納入預編碼設計中，通過允許接收端出現可糾正的數據符號錯誤，來提高信息位的解碼正確率，從而提升系統的整體性能。

摘要

基於通道編碼的多用戶MISO系統預編碼技術

本文提出了一種新穎的預編碼框架，用於多用戶多輸入單輸出（MISO）系統，稱為通道編碼預編碼（CCP）。與傳統的數據導向預編碼方法不同，CCP框架旨在直接最小化信息位的比特錯誤率（BER），而不是編碼位的BER。
傳統的預編碼方法，例如線性預編碼（例如，最大比率傳輸（MRT）、迫零（ZF）和最小均方誤差（MMSE）預編碼器）和符號級預編碼（SLP），通常將干擾視為必須減輕的負面因素，並專注於優化數據符號檢測性能。然而，這些方法沒有利用通道編碼在傳輸信號中的冗餘。
CCP框架通過利用通道碼的糾錯能力來解決這個限制。它允許在接收端出現可糾正的數據符號錯誤，只要這些錯誤在通道碼的糾錯能力範圍內，就可以通過通道解碼器進行糾正。這種方法為發射信號設計提供了額外的自由度，從而提高了整體系統性能。
本文針對通道碼具有一位糾錯能力（ϵc = 1）和多位糾錯能力（ϵc > 1）的情況，提出了CCP設計。對於ϵc = 1的情況，推導了4-QAM、8-QAM和16-QAM星座的正確恢復信息位概率的閉式表達式，並開發了一種基於投影梯度（PG）的算法來優化CCP設計標準。對於ϵc > 1的情況，提出了一種將整個傳輸塊劃分為多個子塊的方法，並設計發射信號以最大化每個子塊中不超過一位錯誤的概率。
此外，本文還研究了發射機只能獲得不精確信道狀態信息（CSI）的情況，並開發了一種魯棒的CCP框架，該框架考慮了噪聲和信道估計誤差的影響。
仿真結果表明，與傳統的預編碼方法相比，所提出的CCP框架可以顯著提高系統性能，特別是在低信噪比區域和使用具有較強糾錯能力的通道碼時。

本文的主要貢獻總結如下：

提出了一種新穎的CCP框架，該框架將通道編碼納入預編碼設計中，以最小化信息位的BER。
針對ϵc = 1的情況，推導了不同QAM星座的正確恢復信息位概率的閉式表達式，並開發了一種基於PG的算法來優化CCP設計標準。
將CCP框架擴展到ϵc > 1的情況，提出了一種基於子塊的設計方法，以簡化優化問題。
開發了一種魯棒的CCP框架，用於處理不精確的CSI情況，並考慮了噪聲和信道估計誤差的影響。
通過仿真驗證了所提出的CCP框架的有效性，並證明了其相對於現有預編碼方法的優越性。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Channel-Coded Precoding for Multi-User MISO Systems

by Ly V. Nguyen... 於 arxiv.org 10-31-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.22640.pdf

深入探究

在毫米波或太赫茲等更高頻段的無線通信系統中，CCP框架如何有效地應用？

在毫米波或太赫茲等更高頻段的無線通信系統中，CCP框架可以更加有效地应用，主要原因如下：

更大带宽和更高数据速率: 毫米波和太赫兹频段拥有更大的可用带宽，可以支持更高的数据速率。在这种情况下，信道编码的冗余信息更加丰富，CCP框架可以更好地利用这些冗余信息来优化发射信号，从而提高系统性能。
波束赋形技术: 毫米波和太赫兹通信系统通常采用波束赋形技术来克服高路径损耗和提高信号覆盖范围。CCP框架可以与波束赋形技术相结合，通过联合优化波束赋形向量和发射信号，进一步提高系统性能。
混合波束赋形: 由于硬件成本和功耗的限制，毫米波和太赫兹通信系统通常采用混合波束赋形架构，即使用模拟和数字预编码器来实现波束赋形。CCP框架可以应用于混合波束赋形架构，通过优化数字预编码器来提高系统性能。
然而，在毫米波或太赫兹频段应用CCP框架也面临一些挑战：

高路径损耗和阻塞: 毫米波和太赫兹信号更容易受到路径损耗和阻塞的影响，这会导致信道估计误差增大，从而影响CCP框架的性能。
硬件复杂度: 毫米波和太赫兹通信系统需要使用更高频率的射频器件，这会导致硬件复杂度和成本增加。
为了克服这些挑战，需要进一步研究鲁棒的CCP框架设计，以应对信道估计误差和硬件缺陷的影响。

如果用戶的信道條件差異很大，例如某些用戶經歷嚴重的衰落，CCP框架的性能會如何變化？

如果用户的信道条件差异很大，例如某些用户经历严重的衰落，CCP框架的性能会受到一定的影响。这是因为CCP框架在设计发射信号时，需要考虑所有用户的信道状态信息，并试图找到一个折衷方案，以最大化所有用户的整体性能。
当用户的信道条件差异很大时，CCP框架可能会将更多的发射功率分配给信道条件较好的用户，以保证整体的系统性能。这可能会导致信道条件较差的用户无法获得足够的信号强度，从而影响其信息比特的正确解码。
为了解决这个问题，可以考虑以下几种方法：

用户分组: 将信道条件相似的用户进行分组，然后对每个用户组分别设计CCP预编码矩阵。
公平性约束: 在CCP框架的优化目标中加入公平性约束，例如最小化用户之间的速率差异或最大化最差用户的速率。
功率控制: 根据用户的信道条件动态地调整每个用户的发射功率，以保证所有用户都能获得足够的信号强度。
通过采用以上方法，可以有效地提高CCP框架在用户信道条件差异较大情况下的性能。

如何將CCP的概念應用於其他無線通信場景，例如上行链路通信或多小区通信？

CCP的概念可以应用于其他无线通信场景，例如上行链路通信或多小区通信，以下是一些具体的应用场景：
上行链路通信:

多用户接入: 在上行链路多用户接入场景中，每个用户可以根据自己的信息比特和信道状态信息，利用CCP框架设计自己的发射信号，以最大化自身的信息比特的正确解码概率。基站可以利用接收到的信号和信道状态信息，对所有用户的信息比特进行联合解码。
非正交多址接入 (NOMA): CCP框架可以与NOMA技术相结合，通过允许一定程度的符号间干扰，来提高系统容量和用户公平性。
多小区通信:

协作多点传输 (CoMP): 在CoMP系统中，多个基站可以协作地为用户提供服务。CCP框架可以应用于CoMP系统，通过联合优化多个基站的发射信号，来提高系统性能。
小区间干扰协调: 在多小区通信系统中，小区间干扰是一个重要的影响因素。CCP框架可以用于小区间干扰协调，通过优化发射信号，来减小小区间干扰，提高系统性能。
总而言之，CCP框架作为一种新颖的预编码技术，具有广泛的应用前景。通过将CCP的概念应用于不同的无线通信场景，可以有效地提高系统性能和用户体验。