STBC與VBLAST聯合編碼方案研究

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系統可以實現較高的分集增益和空分復用增益,能顯著提高系統頻譜利用率[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可靠性,但數據吞吐量小,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,數據吞吐量大以較小的射頻鏈路和較低的系統復雜度獲得較大數據傳輸速率。在MIMO系統中,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的分集和復用增益,既保證了系統傳輸速率的同時又增加了系統的可靠性[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性能,在天線選擇的系統下,提出塊分組編碼[5]與VBLAST聯合編碼方案,使系統具有了更好的分集增益,系統誤碼率性能得到較大改善。

1 STBC與VBLAST聯合編碼模型

1.1 傳統STBC-VBLAST聯合編碼模型

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

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層數據流的Alamouti編碼來提高發射分集同時利用了VBLAST編碼提高系統容量的優點,誤碼率性能比VBLAST編碼系統有較大幅度的提高。

1.2 塊分組編碼與VBLAST聯合編碼模型

塊分組編碼與VBLAST聯合編碼方案如圖1所示,發射端Mt根天線,混合結構將數據流經串并轉換,調制后分解為2Ns+Nv路并行子流,其中Ns為塊編碼器的個數,Nv路數據流進行VBLAST編碼,2Ns路數據流進行塊分組編碼。塊分組編碼結構如圖2,數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分別為發射一個塊編碼器編碼符號需天線數和時間周期。該研究是針對NS=1,4個發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個對系統容量貢獻最小的發送天線,并將其序號從小到大排列的數列作為反饋信息反饋回發送端。發送端根據這些低容量天線發送塊分組編碼信號,然后發射天線把發射信號X發送給接收端。經天線選擇算法之后信道矩陣可以寫為:

對應的發射符號矩陣為:

將n個時刻的發射信號羅列為一個向量記為:

在混合編碼系統的接收端,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

該仿真實現以6發射6接收天線混合編碼系統為例,在QPSK調制下,信道條件為準靜態瑞利衰落信道,針對提出的基于天線選擇的塊分組編碼與VBLAST聯合編碼方案和傳統的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結合的聯合編碼方案與傳統的2層數據流獨立的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傳輸系統有更高的傳輸可靠性。聯合編碼系統與VBLAST系統誤碼性能比較如圖3所示。

圖3 聯合編碼系統與VBLAST系統誤碼性能比較

4 結束語

在STBC與VBLAST聯合編碼系統結構中,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,數據符號按層分塊后交叉通過不同的天線對發射,數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[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.