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(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yán)重的高信噪比環(huán)境中才能充分發(fā)揮復(fù)用能力，而D-BLAST復(fù)用效果不佳卻在低信噪比環(huán)境中表現(xiàn)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(tài)信息(CSI)，發(fā)射端動態(tài)調(diào)整空時碼元映射方式，從而使系統(tǒng)可以適應(yīng)更為廣泛的衰落信道環(huán)境并同時獲得可觀的復(fù)用能力和抗衰落能力。仿真結(jié)果表明，該BLAST方案在傳統(tǒng)的V-BLAST和D-BLAST系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)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(shù)之一，最初應(yīng)用在BLAST結(jié)構(gòu)[1,2]中，對角BLAST(D-BLAST)最先提出，后來出現(xiàn)了垂直BLAST(V-BLAST)[4]。在實(shí)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(huán)境[6,7]。V-BLAST雖然易于獲得較高的復(fù)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(guān)的衰落信道中才能充分發(fā)揮它的復(fù)用能力。而如果環(huán)境信噪比很低且存在空間相關(guān)性，則D-BLAST表現(xiàn)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(tǒng)能夠適應(yīng)更加多樣的衰落信道環(huán)境并同時獲得可觀的復(fù)用增益和分集增益，本文在傳統(tǒng)BLAST結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(shù)據(jù)流分割為多路低速率數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流進(jìn)行空時編碼，并送至多根天線同時發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送分集[1]。在接收端，采用多個天線分集接收，通過信道估計(jì)，獲得信道狀態(tài)信息，并由線性判決反饋均衡器實(shí)現(xiàn)分層判決反饋干擾抵消，然后進(jìn)行空時譯碼，最后完成信道譯碼[1]。

在BLAST系統(tǒng)中，首先將輸入的高速數(shù)據(jù)流串并變換分成 路低速數(shù)據(jù)流，分別輸入 個信道編碼器進(jìn)行獨(dú)立編碼，其輸出信號經(jīng)調(diào)制后使用相同頻率的載波由 個不同天線同步發(fā)射出去。 個矢量編碼器對已編碼數(shù)據(jù)流的空時編碼過程，實(shí)質(zhì)上是一種空間映射。根據(jù)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(shè) ，即有4根發(fā)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(jìn)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(fā)射天線同時發(fā)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(jìn)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(fā)射天線同時發(fā)送[4]。

可見，D-BLAST具有較好的層次結(jié)構(gòu)和空時特性，但具有 個符號的傳輸冗余；V-BLAST的層次結(jié)構(gòu)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(shí)際的MIMO環(huán)境不能總是適應(yīng)傳統(tǒng)的非自適應(yīng)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?yàn)樗梢猿浞掷枚嗦窂揭詫?shí)現(xiàn)空間復(fù)用。但是，如果接收機(jī)信噪比很低或者信道衰落具有空間相關(guān)性，它的復(fù)用能力也會受到影響，甚至導(dǎo)致嚴(yán)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(fù)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(nèi)的接收信號信噪比判斷出當(dāng)前信道狀態(tài)，發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來的信道狀態(tài)信息(CSI)，動態(tài)調(diào)整下一個空時碼元的映射方式。

傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)具有良好的空時特性，可靠性較強(qiáng)，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(fā)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(tǒng)上運(yùn)用適當(dāng)?shù)难舆t技術(shù)，通過犧牲復(fù)用增益提高可靠性，再結(jié)合兩種“極端”方案，構(gòu)成完整的可切換、自適應(yīng)的BLAST系統(tǒng)。

圖1 折衷BLAST編碼格式

假設(shè)BLAST系統(tǒng)為4×4對稱MIMO系統(tǒng)，折衷方案的編碼格式如圖1所示。

折衷方案中，模式1相當(dāng)于D-BLAST方案，第二、三、四根發(fā)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(fù)用增益；模式4相當(dāng)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(fù)用增益；模式2和模式3所示的碼字映射方案，采用了區(qū)別于D-BLAST方案的延遲結(jié)構(gòu)，在V-BLAST和D-BLAST之間實(shí)現(xiàn)了分集特性和復(fù)用增益的折衷。

3 仿真及結(jié)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(jìn)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(diǎn)，并通過循環(huán)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(tǒng)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(tǒng)容量在SNR較低的范圍內(nèi)（大約5dB以下）接近于D-BLAST系統(tǒng)，在SNR較高的范圍內(nèi)（大約15dB以上）逐漸向V-BLAST系統(tǒng)靠近。

3.2 性能仿真

圖3給出了天線組合為4×4的BLAST系統(tǒng)的ZF檢測誤碼性能曲線。

結(jié)果表明，在SNR較低的范圍內(nèi)（大約5dB以下），折衷方案的性能曲線接近D-BLAST系統(tǒng)。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(tǒng)?？梢姡岢龅恼壑苑桨冈谛阅苌弦矊?shí)現(xiàn)了D-BLAST和V-BLAST之間的折衷。

4 結(jié)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(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了容量和性能的折衷，使系統(tǒng)能適應(yīng)更加多樣的衰落信道，可同時在較高和較低的信噪比環(huán)境中獲得可觀的復(fù)用能力和抗衰落能力，從而從整體上改善通信的容量和質(zhì)量。與傳統(tǒng)的BLAST系統(tǒng)相比，該方案的信道自適應(yīng)能力在實(shí)際應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢。

[1] David Gesbert,Mansoor Shafi, Da-shan Shiu, et al. From Theory to Practice：An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless Systems[J].IEEE Journal On Selected Areas in Communications,April 2003, 21(3)：1-9.

[2] 3 N.Prasad,M.K.Varanasi.An optimization approach to decision feedback detection under modulation constraints for MIMO fading channels[J].Wireless Communications,IEEE Transactions,2008,7(12)：4927-4937.

[3] R.Heath,A.Paulraj.Linear Dispersion Codes for MIMO Systems Based on Frame Theory[J].IEEE Transactions on Signal Processing,October 2002,50(10)：2429-2441.

[4] C.Rao,B.Hassibi.Analysis of Multiple-Antenna Wireless Links at Low SNR[J].IEEE Transactions on Information Theory,September 2003,49(9)：2123-2130.

[5] M.Moustafa.Switched-mode BLAST technique for MIMO communications[C] ICACT 2009 11th International Conference,Feb. 2009,3(15)：1499-1502.

[6] 宋揚(yáng),常永宇,楊大成.單天線功率受限的自適應(yīng)調(diào)制VBLAST系統(tǒng)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào),2008(03)：1-4.

[7] 劉兆利.一種改進(jìn)的閉環(huán)V-BLAST系統(tǒng)自適應(yīng)方案[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(03)：1-4.

[8] G.Foschini,D.Chizhik,M.Gans,et al.Analysis and Performance of Some Basic Space-Time Architectures[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2003,21(3)：48-5.

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(xué)基金（2008BB2168）

王雪萍（1978 -），女，講師，碩士，研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)、信息傳輸、移動通信等。