一种折衷的分层空时编码方案

王雪萍，罗 文，张永照

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

（1. 重庆工业职业技术学院，重庆 400050；2. 长江重庆航道局，重庆 401147；3. 重庆移动公司，重庆 400010）

一种折衷的分层空时编码方案

A compromise scheme of layered space-time coding

王雪萍1，罗 文2，张永照3

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

（1. 重庆工业职业技术学院，重庆 400050；2. 长江重庆航道局，重庆 401147；3. 重庆移动公司，重庆 400010）

V-BLAST和D-BLAST的性能受到信道衰落多样性的极大限制，V-BLAST只在衰落不太严重的高信噪比环境中才能充分发挥复用能力，而D-BLAST复用效果不佳却在低信噪比环境中表现出良好的抗衰落特性。本文提出了一种折衷的分层空时编码方案，通过从接收端反馈信道状态信息(CSI)，发射端动态调整空时码元映射方式，从而使系统可以适应更为广泛的衰落信道环境并同时获得可观的复用能力和抗衰落能力。仿真结果表明，该BLAST方案在传统的V-BLAST和D-BLAST系统之间实现了容量和性能的折衷。

多输入多输出；分层空时编码；对角BLAST；垂直BLAST；折衷BLAST

0 引言

分层空时编码是最早的MIMO技术之一，最初应用在BLAST结构[1,2]中，对角BLAST(D-BLAST)最先提出，后来出现了垂直BLAST(V-BLAST)[4]。在实际中，V-BLAST和D-BLAST的总体性能在很大程度上取决于所处的MIMO信道环境[6,7]。V-BLAST虽然易于获得较高的复用增益，但是其抗衰落特性较差，只能在具有高信噪比且空间不相关的衰落信道中才能充分发挥它的复用能力。而如果环境信噪比很低且存在空间相关性，则D-BLAST表现出更好的误码性能，但其成倍增大通信容量的效果不明显[7]。

为了使系统能够适应更加多样的衰落信道环境并同时获得可观的复用增益和分集增益，本文在传统BLAST结构基础上提出了一种折衷的分层空时编码方案。

1 分层空时编码

分层空时编码基本思想是将高速率数据流分割为多路低速率数据流，将它们通过多个并行信道编码器，对从信道编码器输出的所有子数据流进行空时编码，并送至多根天线同时发送，从而实现发送分集[1]。在接收端，采用多个天线分集接收，通过信道估计，获得信道状态信息，并由线性判决反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消，然后进行空时译码，最后完成信道译码[1]。

在BLAST系统中，首先将输入的高速数据流串并变换分成 路低速数据流，分别输入 个信道编码器进行独立编码，其输出信号经调制后使用相同频率的载波由 个不同天线同步发射出去。 个矢量编码器对已编码数据流的空时编码过程，实质上是一种空间映射。根据映射方式的不同，分层空时编码主要分为D-BLAST、V-BLAST等，下面简述其编码原理。

1.1 对角分层空时编码

假设 ，即有4根发射天线 。在D-BLAST编码器中，并行矢量编码器的输出信号按码元矩阵的对角线方向进行空时编码。右下方输出 个“0”码元以后，一般地，第 个信道编码器输出的第 批 个码元排在第 条对角线。编码以后的空时码元矩阵中的每一列通过 根发射天线同时发送出去[4]。

1.2 垂直分层空时编码

在V-BLAST编码器中，并行矢量编码器的输出信号按码元矩阵的垂直方向进行空时编码。一般地，第 个信道编码器输出的第 批 个码元排在第列。编码以后空时码元矩阵中的每一列通过 根发射天线同时发送[4]。

可见，D-BLAST具有较好的层次结构和空时特性，但具有 个符号的传输冗余；V-BLAST的层次结构和空时特性比D-BLAST差，但没有冗余，传输效率好于对角分层空时编码。

实际的MIMO环境不能总是适应传统的非自适应的分层空时方案[3]。在瑞利衰落信道中，V-BLAST能够大大提高频谱效率[8]，因为它可以充分利用多路径以实现空间复用。但是，如果接收机信噪比很低或者信道衰落具有空间相关性，它的复用能力也会受到影响，甚至导致严重的性能误差。另一方面， D-BLAST能够最大化分集增益以降低误码率，但是它的复用增益不高，故对通信容量的提升能力有限。

2 折衷的分层空时编码

对此，本文提出了一种折衷的分层空时编码方案。在接收端，检测器由上一个空时码元间隔内的接收信号信噪比判断出当前信道状态，发送端根据接收端反馈回来的信道状态信息(CSI)，动态调整下一个空时码元的映射方式。

传统的D-BLAST的一个空时码元中，各个编码器的输出信号在空时码元矩阵中看起来呈“对角”排列，这样的结构具有良好的空时特性，可靠性较强，但是由于冗余信号的存在而降低了传输效率。而V-BLAST不具有任何冗余信息，传输效率最高，但是空时特性不如D-BLAST。折衷BLAST的编码思想就是改变D-BLAST各天线信号发送的延迟程度，通过牺牲可靠性提高传输效率，同时在V-BLAST系统上运用适当的延迟技术，通过牺牲复用增益提高可靠性，再结合两种“极端”方案，构成完整的可切换、自适应的BLAST系统。

图1 折衷BLAST编码格式

假设BLAST系统为4×4对称MIMO系统，折衷方案的编码格式如图1所示。

折衷方案中，模式1相当于D-BLAST方案，第二、三、四根发射天线的信号均有延迟冗余，因此具有相对最好的分集特性和最小的复用增益；模式4相当于V-BLAST，没有任何冗余信息，因此具有最差的分集特性和最大的复用增益；模式2和模式3所示的码字映射方案，采用了区别于D-BLAST方案的延迟结构，在V-BLAST和D-BLAST之间实现了分集特性和复用增益的折衷。

3 仿真及结果分析

在MATLAB中，用蒙特卡洛方法对D-BLAST、V-BLAST以及所提出的折衷BLAST方案进行了基带仿真，其中包括容量仿真和性能仿真。仿真采用了8000个点，并通过循环20次而获得平均值。

3.1 容量仿真

图2给出了天线组合为2×2、4×4、8×8的三种对称BLAST系统的归一化容量随接收端平均信噪比变化而变化的曲线，其中中断概率P=0.01。

图2 BLAST容量比较

由图2可见，折衷BLAST方案的系统容量在SNR较低的范围内（大约5dB以下）接近于D-BLAST系统，在SNR较高的范围内（大约15dB以上）逐渐向V-BLAST系统靠近。

3.2 性能仿真

图3给出了天线组合为4×4的BLAST系统的ZF检测误码性能曲线。

结果表明，在SNR较低的范围内（大约5dB以下），折衷方案的性能曲线接近D-BLAST系统。随着信噪比的增大，分集增益逐渐减小，在SNR较高时（大约15dB以上）逐渐接近于V-BLAST系统。可见，所提出的折衷方案在性能上也实现了D-BLAST和V-BLAST之间的折衷。

4 结论

图3 三种BLAST性能比较(ZF算法)

本文提出的折衷BLAST方案在基于对称MIMO信道的V-BLAST和D-BLAST系统之间实现了容量和性能的折衷，使系统能适应更加多样的衰落信道，可同时在较高和较低的信噪比环境中获得可观的复用能力和抗衰落能力，从而从整体上改善通信的容量和质量。与传统的BLAST系统相比，该方案的信道自适应能力在实际应用中具有很大优势。

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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

重庆市自然科学基金（2008BB2168）

王雪萍（1978 -），女，讲师，硕士，研究方向为无线通信系统、信息传输、移动通信等。