一種折衷的分層空時編碼方案

王雪萍，羅 文，張永照

WANG Xue-ping1, LUO Wen2, ZHANG Yong-zhao3

（1. 重慶工業職業技術學院，重慶 400050；2. 長江重慶航道局，重慶 401147；3. 重慶移動公司，重慶 400010）

一種折衷的分層空時編碼方案

A compromise scheme of layered space-time coding

王雪萍1，羅 文2，張永照3

WANG Xue-ping1, LUO Wen2, ZHANG Yong-zhao3

（1. 重慶工業職業技術學院，重慶 400050；2. 長江重慶航道局，重慶 401147；3. 重慶移動公司，重慶 400010）

V-BLAST和D-BLAST的性能受到信道衰落多樣性的極大限制，V-BLAST只在衰落不太嚴重的高信噪比環境中才能充分發揮復用能力，而D-BLAST復用效果不佳卻在低信噪比環境中表現出良好的抗衰落特性。本文提出了一種折衷的分層空時編碼方案，通過從接收端反饋信道狀態信息(CSI)，發射端動態調整空時碼元映射方式，從而使系統可以適應更為廣泛的衰落信道環境并同時獲得可觀的復用能力和抗衰落能力。仿真結果表明，該BLAST方案在傳統的V-BLAST和D-BLAST系統之間實現了容量和性能的折衷。

多輸入多輸出；分層空時編碼；對角BLAST；垂直BLAST；折衷BLAST

0 引言

分層空時編碼是最早的MIMO技術之一，最初應用在BLAST結構[1,2]中，對角BLAST(D-BLAST)最先提出，后來出現了垂直BLAST(V-BLAST)[4]。在實際中，V-BLAST和D-BLAST的總體性能在很大程度上取決于所處的MIMO信道環境[6,7]。V-BLAST雖然易于獲得較高的復用增益，但是其抗衰落特性較差，只能在具有高信噪比且空間不相關的衰落信道中才能充分發揮它的復用能力。而如果環境信噪比很低且存在空間相關性，則D-BLAST表現出更好的誤碼性能，但其成倍增大通信容量的效果不明顯[7]。

為了使系統能夠適應更加多樣的衰落信道環境并同時獲得可觀的復用增益和分集增益，本文在傳統BLAST結構基礎上提出了一種折衷的分層空時編碼方案。

1 分層空時編碼

分層空時編碼基本思想是將高速率數據流分割為多路低速率數據流，將它們通過多個并行信道編碼器，對從信道編碼器輸出的所有子數據流進行空時編碼，并送至多根天線同時發送，從而實現發送分集[1]。在接收端，采用多個天線分集接收，通過信道估計，獲得信道狀態信息，并由線性判決反饋均衡器實現分層判決反饋干擾抵消，然后進行空時譯碼，最后完成信道譯碼[1]。

在BLAST系統中，首先將輸入的高速數據流串并變換分成 路低速數據流，分別輸入 個信道編碼器進行獨立編碼，其輸出信號經調制后使用相同頻率的載波由 個不同天線同步發射出去。 個矢量編碼器對已編碼數據流的空時編碼過程，實質上是一種空間映射。根據映射方式的不同，分層空時編碼主要分為D-BLAST、V-BLAST等，下面簡述其編碼原理。

1.1 對角分層空時編碼

假設 ，即有4根發射天線 。在D-BLAST編碼器中，并行矢量編碼器的輸出信號按碼元矩陣的對角線方向進行空時編碼。右下方輸出 個“0”碼元以后，一般地，第 個信道編碼器輸出的第 批 個碼元排在第 條對角線。編碼以后的空時碼元矩陣中的每一列通過 根發射天線同時發送出去[4]。

1.2 垂直分層空時編碼

在V-BLAST編碼器中，并行矢量編碼器的輸出信號按碼元矩陣的垂直方向進行空時編碼。一般地，第 個信道編碼器輸出的第 批 個碼元排在第列。編碼以后空時碼元矩陣中的每一列通過 根發射天線同時發送[4]。

可見，D-BLAST具有較好的層次結構和空時特性，但具有 個符號的傳輸冗余；V-BLAST的層次結構和空時特性比D-BLAST差，但沒有冗余，傳輸效率好于對角分層空時編碼。

實際的MIMO環境不能總是適應傳統的非自適應的分層空時方案[3]。在瑞利衰落信道中，V-BLAST能夠大大提高頻譜效率[8]，因為它可以充分利用多路徑以實現空間復用。但是，如果接收機信噪比很低或者信道衰落具有空間相關性，它的復用能力也會受到影響，甚至導致嚴重的性能誤差。另一方面， D-BLAST能夠最大化分集增益以降低誤碼率，但是它的復用增益不高，故對通信容量的提升能力有限。

2 折衷的分層空時編碼

對此，本文提出了一種折衷的分層空時編碼方案。在接收端，檢測器由上一個空時碼元間隔內的接收信號信噪比判斷出當前信道狀態，發送端根據接收端反饋回來的信道狀態信息(CSI)，動態調整下一個空時碼元的映射方式。

傳統的D-BLAST的一個空時碼元中，各個編碼器的輸出信號在空時碼元矩陣中看起來呈“對角”排列，這樣的結構具有良好的空時特性，可靠性較強，但是由于冗余信號的存在而降低了傳輸效率。而V-BLAST不具有任何冗余信息，傳輸效率最高，但是空時特性不如D-BLAST。折衷BLAST的編碼思想就是改變D-BLAST各天線信號發送的延遲程度，通過犧牲可靠性提高傳輸效率，同時在V-BLAST系統上運用適當的延遲技術，通過犧牲復用增益提高可靠性，再結合兩種“極端”方案，構成完整的可切換、自適應的BLAST系統。

圖1 折衷BLAST編碼格式

假設BLAST系統為4×4對稱MIMO系統，折衷方案的編碼格式如圖1所示。

折衷方案中，模式1相當于D-BLAST方案，第二、三、四根發射天線的信號均有延遲冗余，因此具有相對最好的分集特性和最小的復用增益；模式4相當于V-BLAST，沒有任何冗余信息，因此具有最差的分集特性和最大的復用增益；模式2和模式3所示的碼字映射方案，采用了區別于D-BLAST方案的延遲結構，在V-BLAST和D-BLAST之間實現了分集特性和復用增益的折衷。

3 仿真及結果分析

在MATLAB中，用蒙特卡洛方法對D-BLAST、V-BLAST以及所提出的折衷BLAST方案進行了基帶仿真，其中包括容量仿真和性能仿真。仿真采用了8000個點，并通過循環20次而獲得平均值。

3.1 容量仿真

圖2給出了天線組合為2×2、4×4、8×8的三種對稱BLAST系統的歸一化容量隨接收端平均信噪比變化而變化的曲線，其中中斷概率P=0.01。

圖2 BLAST容量比較

由圖2可見，折衷BLAST方案的系統容量在SNR較低的范圍內（大約5dB以下）接近于D-BLAST系統，在SNR較高的范圍內（大約15dB以上）逐漸向V-BLAST系統靠近。

3.2 性能仿真

圖3給出了天線組合為4×4的BLAST系統的ZF檢測誤碼性能曲線。

結果表明，在SNR較低的范圍內（大約5dB以下），折衷方案的性能曲線接近D-BLAST系統。隨著信噪比的增大，分集增益逐漸減小，在SNR較高時（大約15dB以上）逐漸接近于V-BLAST系統。可見，所提出的折衷方案在性能上也實現了D-BLAST和V-BLAST之間的折衷。

4 結論

圖3 三種BLAST性能比較(ZF算法)

本文提出的折衷BLAST方案在基于對稱MIMO信道的V-BLAST和D-BLAST系統之間實現了容量和性能的折衷，使系統能適應更加多樣的衰落信道，可同時在較高和較低的信噪比環境中獲得可觀的復用能力和抗衰落能力，從而從整體上改善通信的容量和質量。與傳統的BLAST系統相比，該方案的信道自適應能力在實際應用中具有很大優勢。

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TN929.5

A

1009-0134(2010)09-0134-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.41

2010-04-23

重慶市自然科學基金（2008BB2168）

王雪萍（1978 -），女，講師，碩士，研究方向為無線通信系統、信息傳輸、移動通信等。