预编码 与 混合预编码 简单总结

预编码

在预编码系统中，发射机可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，因此可以有效地降低对接收机算法的依赖程度。即使采用简单的 ZF 或 MMSE 等线性处理算法，也能够获得较好的性能。

传统的 预编码方案 包括 全数字预编码(Digital Precoding,DP)方案 和 全模拟预编码(Aanalog Precoding,AP)方案 。根据预编码所使用的预编码矩阵集合的特点，也可以将预编码分类为 非码本方式的预编码 和 基于码本的预编码 。

全数字预编码 是在基带上对信号的相位和幅度进行控制处理的，但是需要每根天线必须连接一个专用射频链（包括数模转换器、放大器、混频器等），而大规模MIMO系统引入了大量的天线，这将导致系统所需的射频链数目剧增，以至于系统能耗和硬件成本过高。
全模拟预编码 的所有天线通过移相器仅需与一个射频链相连接，大幅降低了全数字预编码的系统硬件成本。然而由于移相器本身的限制，全模预编码只能在模拟域对信号相位进行控制处理，因此该方案的频谱效率受到很大的限制。

注1：码本，是指有限个预编码矩阵所构成的集合，基于码本的预编码中，可用的预编码矩阵只能从码本中选取。而非码本方式的预编码中，并不对可选用的预编码矩阵的个数进行限制，因此预编码矩阵可以是任何符合设计规则与应用条件限制的矩阵，而并不限于取自某个特定的码本。
注2：预编码可以采用 线性 或 非线性 方法，但由于复杂度等方面的原因，在目前的无线通信系统中一般只考虑线性预编码。

混合预编码

为了平衡系统硬件成本和频谱效率，学者们提出了新的大规模MIMO预编码方案，即 混合预编码(Hybrid Precoding,HP)，其 核心思想 是将传统的 大型数字信号处理 或 全数字预编码 分为小型数字信号处理（由少量的射频链实现）和大型模拟信号处理（由大量的移相器实现）两部分，或者说就是 混合预编码 就是由数字预编码与模拟预编码结合而成。这样的混合预编码利用了模拟预编码和数字预编码的优点，以少量的射频链实现较高的天线阵列增益。

对于混合预编码而言，最重要的是如何设计模拟和数字预编码器使得系统性能达到最优。

同时，在大规模 MIMO 系统中，提出的 混合预编码方案 大致可分为两类: 第一类是 基于空间稀疏预编码，该方案将混合预编码设计转化成稀疏重构问题，进而采用正交匹配追踪( Orthogonal MatchingPursuit，OMP) 算法进行次优求解; 第二类为 基于码本的混合预编码方案[1] 。

根据模拟电路中移相器、功放等器件的结构分布，混合结构主要分为 全连接型结构(Fully Connected Structure,FCS) 和 部分连接型结构(Partially Connected Structure,PCS) 两种[2]，如下图所示。
体系结构的选择不仅影响信号处理的设计，而且还会影响毫米波大规模MIMO系统的性能。尽管全连接型混合结构比较复杂，但该结构能够获得全阵列增益，受到人们的广泛关注和研究。

参考文献：
[1] 查培,景小荣.基于字典学习的毫米波大规模MIMO系统混合预编码[J].电讯技术,2017,57(08):932-937.
[2] 岐晓蕾. 5G毫米波大规模MIMO通信系统关键技术研究[D].北京邮电大学,2021.

（注：侵权删~）