STBC與VBLAST聯(lián)合編碼方案研究

鄭玉甫,姜 雪,蔣占軍,2,何美榮,張正孝

(1.蘭州交通大學電子與信息工程學院,甘肅蘭州730070;2.東南大學移動通信國家重點實驗室,江蘇南京210096)

0 引言

MIMO系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的分集增益和空分復用增益,能顯著提高系統(tǒng)頻譜利用率[1],已成為下一代移動通信的核心技術之一。空時編碼技術是MIMO系統(tǒng)中一種重要的信道編碼技術,常見的有貝爾實驗室提出的VBLAST和Tarokh提出的空時分組碼STBC結構[2]。STBC編碼是基于發(fā)端分集的傳輸方案,既可以有效抵抗多徑衰落又可以提高系統(tǒng)可靠性,但數(shù)據吞吐量小,傳輸速率低;VBLAST是基于空間復用傳輸方案,具有較高頻譜利用率,數(shù)據吞吐量大以較小的射頻鏈路和較低的系統(tǒng)復雜度獲得較大數(shù)據傳輸速率。在MIMO系統(tǒng)中,空時分組碼與分層空時碼(LAST)編碼結構的結合折衷考慮了系統(tǒng)的分集和復用增益,既保證了系統(tǒng)傳輸速率的同時又增加了系統(tǒng)的可靠性[3,4],因此具有廣闊的應用前景。為了能夠更好地改善通信系統(tǒng)性能,在天線選擇的系統(tǒng)下,提出塊分組編碼[5]與VBLAST聯(lián)合編碼方案,使系統(tǒng)具有了更好的分集增益,系統(tǒng)誤碼率性能得到較大改善。

1 STBC與VBLAST聯(lián)合編碼模型

1.1 傳統(tǒng)STBC-VBLAST聯(lián)合編碼模型

文獻[6]提出了一種STBC與VBLAST混合編碼系統(tǒng)結構模型。數(shù)據流經串并轉換后分解為N+2路并行數(shù)據流,2路數(shù)據流進行Alamouti空時編碼,發(fā)射天線數(shù)Mt=N+4,其中N為VBLAST信號,4為Alamouti空時分組碼信號,對應的發(fā)射信號矩陣為:

接收端采用VBLAST中的基于QR分解的干擾抑制和消除方法逐層將信號解出。方案中利用2層數(shù)據流的Alamouti編碼來提高發(fā)射分集同時利用了VBLAST編碼提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點,誤碼率性能比VBLAST編碼系統(tǒng)有較大幅度的提高。

1.2 塊分組編碼與VBLAST聯(lián)合編碼模型

塊分組編碼與VBLAST聯(lián)合編碼方案如圖1所示,發(fā)射端Mt根天線,混合結構將數(shù)據流經串并轉換,調制后分解為2Ns+Nv路并行子流,其中Ns為塊編碼器的個數(shù),Nv路數(shù)據流進行VBLAST編碼,2Ns路數(shù)據流進行塊分組編碼。塊分組編碼結構如圖2,數(shù)據流碼字符號送給塊分組編碼器,每2個碼字符號為1塊,對2塊碼字進行塊正交編碼。

圖1 塊分組編碼與VBLAST混合編碼結構模型

圖2 塊分組編碼結構

發(fā)射碼字矩陣為:

式中,UmNs×n為經過塊編碼后的碼字;VNv×n為未經空時編碼的符號;m和n分別為發(fā)射一個塊編碼器編碼符號需天線數(shù)和時間周期。該研究是針對NS=1,4個發(fā)射天線的塊分組編碼器下的編碼方案做深入研究,即m=4,n=2,并假設信道矩陣 H在n個時間內保持恒定。

2 模型分析與解碼算法

根據信道矩陣 H,每次去掉1根發(fā)射天線,計算其信道容量,還原矩陣H的第1個天線后去掉第2根天線計算系統(tǒng)容量,依此步驟選取使信道容量最大的那根天線,下一步,去掉此根天線后得到新的信道矩陣H(1),同理可選擇出第2個容量最小的天線,依次步驟選出4Ns個對系統(tǒng)容量貢獻最小的發(fā)送天線,并將其序號從小到大排列的數(shù)列作為反饋信息反饋回發(fā)送端。發(fā)送端根據這些低容量天線發(fā)送塊分組編碼信號,然后發(fā)射天線把發(fā)射信號X發(fā)送給接收端。經天線選擇算法之后信道矩陣可以寫為:

對應的發(fā)射符號矩陣為:

將n個時刻的發(fā)射信號羅列為一個向量記為:

在混合編碼系統(tǒng)的接收端,接收的信號矩陣為:

式中,N為Mr×1的高斯白噪聲矩陣。對接收信號進行譯碼,首先對等效矩陣 Heff進行QR分解,即Heff=QR,其基本思想是應用一次QR分解對信道矩陣式(8)兩邊左乘QH得:

式中,R為上三角矩陣;N′=QHN。從最底層符號開始譯碼,每層符號可以表示為:

式中,φ為星座點集。

3 仿真與分析

該仿真實現(xiàn)以6發(fā)射6接收天線混合編碼系統(tǒng)為例,在QPSK調制下,信道條件為準靜態(tài)瑞利衰落信道,針對提出的基于天線選擇的塊分組編碼與VBLAST聯(lián)合編碼方案和傳統(tǒng)的STBC-VBLAST編碼方案和6×6的VBLAST結構進行誤碼率仿真比較。仿真表明,采用塊分組編碼和VBLAST結合的聯(lián)合編碼方案與傳統(tǒng)的2層數(shù)據流獨立的Alamouti編碼和VBLAST結合的編碼方案相比,誤碼率性能明顯改善,在誤碼率10-5處,信噪比有1.2 dB左右的增益。可見,塊編碼的引入可以使MIMO傳輸系統(tǒng)有更高的傳輸可靠性。聯(lián)合編碼系統(tǒng)與VBLAST系統(tǒng)誤碼性能比較如圖3所示。

圖3 聯(lián)合編碼系統(tǒng)與VBLAST系統(tǒng)誤碼性能比較

4 結束語

在STBC與VBLAST聯(lián)合編碼系統(tǒng)結構中,提出將塊分組編碼與VBLAST相結合,塊分組編碼對2層數(shù)據流碼字符號進行編碼,每2個碼字符號為1對,對2塊碼字進行塊正交編碼,數(shù)據符號按層分塊后交叉通過不同的天線對發(fā)射,數(shù)據流間產生了一定的交織增益,使編碼獲得更好的分集增益。仿真結果表明,與目前普遍采用的 2層數(shù)據流獨立Alamouti編碼來提高分集的STBC與VBLAST混合結構相比,塊分組編碼與VBLAST結合的混合編碼方案具有更好的系統(tǒng)可靠性,并且分別在誤碼率為10-4和10-5時,分別約有1.0 dB和1.2 dB的信噪比增益。

[1]PAPADIAS C B,FASCHINI G J.On the Capacity of Certain Space-time Coding Schemes[J].Eurasip Journal on Applied Signal Processing,2002(5):447-458.

[2]WANG X H.Space-time Coding[M].Beijing:China Machine Press,2004:167-170.

[3]王中鵬,邱忠媛.STBC和VBLAST相結合的MIMO系統(tǒng)[J].北京郵電大學信息工程學院電子與信息學報,2005,27(7):1098-1100.

[4]CHEN M,TUQAN J.Precoded STBC-VBLAST for MIMO Wireless Communication Systems[C].Honolulu:2007 IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,2007:337-340.

[5]AGRA W AL M,PANGTI T.Block LayeredSpace-time Code Design[C].Waltham,2006 IEEE Sensor Arrayand Multichannel Processing,2006:224-228.

[6]MAO T,MOT ANIM.STBC-VBLASTforMIMOWireless Communication Systems [C].2005 IEEE International Conference on Communications,2005:2266-2270.