STBC与VBLAST联合编码方案研究

郑玉甫,姜 雪,蒋占军,2,何美荣,张正孝

(1.兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070;2.东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096)

0 引言

MIMO系统可以实现较高的分集增益和空分复用增益,能显著提高系统频谱利用率[1],已成为下一代移动通信的核心技术之一。空时编码技术是MIMO系统中一种重要的信道编码技术,常见的有贝尔实验室提出的VBLAST和Tarokh提出的空时分组码STBC结构[2]。STBC编码是基于发端分集的传输方案,既可以有效抵抗多径衰落又可以提高系统可靠性,但数据吞吐量小,传输速率低;VBLAST是基于空间复用传输方案,具有较高频谱利用率,数据吞吐量大以较小的射频链路和较低的系统复杂度获得较大数据传输速率。在MIMO系统中,空时分组码与分层空时码(LAST)编码结构的结合折衷考虑了系统的分集和复用增益,既保证了系统传输速率的同时又增加了系统的可靠性[3,4],因此具有广阔的应用前景。为了能够更好地改善通信系统性能,在天线选择的系统下,提出块分组编码[5]与VBLAST联合编码方案,使系统具有了更好的分集增益,系统误码率性能得到较大改善。

1 STBC与VBLAST联合编码模型

1.1 传统STBC-VBLAST联合编码模型

文献[6]提出了一种STBC与VBLAST混合编码系统结构模型。数据流经串并转换后分解为N+2路并行数据流,2路数据流进行Alamouti空时编码,发射天线数Mt=N+4,其中N为VBLAST信号,4为Alamouti空时分组码信号,对应的发射信号矩阵为:

接收端采用VBLAST中的基于QR分解的干扰抑制和消除方法逐层将信号解出。方案中利用2层数据流的Alamouti编码来提高发射分集同时利用了VBLAST编码提高系统容量的优点,误码率性能比VBLAST编码系统有较大幅度的提高。

1.2 块分组编码与VBLAST联合编码模型

块分组编码与VBLAST联合编码方案如图1所示,发射端Mt根天线,混合结构将数据流经串并转换,调制后分解为2Ns+Nv路并行子流,其中Ns为块编码器的个数,Nv路数据流进行VBLAST编码,2Ns路数据流进行块分组编码。块分组编码结构如图2,数据流码字符号送给块分组编码器,每2个码字符号为1块,对2块码字进行块正交编码。

图1 块分组编码与VBLAST混合编码结构模型

图2 块分组编码结构

发射码字矩阵为:

式中,UmNs×n为经过块编码后的码字;VNv×n为未经空时编码的符号;m和n分别为发射一个块编码器编码符号需天线数和时间周期。该研究是针对NS=1,4个发射天线的块分组编码器下的编码方案做深入研究,即m=4,n=2,并假设信道矩阵 H在n个时间内保持恒定。

2 模型分析与解码算法

根据信道矩阵 H,每次去掉1根发射天线,计算其信道容量,还原矩阵H的第1个天线后去掉第2根天线计算系统容量,依此步骤选取使信道容量最大的那根天线,下一步,去掉此根天线后得到新的信道矩阵H(1),同理可选择出第2个容量最小的天线,依次步骤选出4Ns个对系统容量贡献最小的发送天线,并将其序号从小到大排列的数列作为反馈信息反馈回发送端。发送端根据这些低容量天线发送块分组编码信号,然后发射天线把发射信号X发送给接收端。经天线选择算法之后信道矩阵可以写为:

对应的发射符号矩阵为:

将n个时刻的发射信号罗列为一个向量记为:

在混合编码系统的接收端,接收的信号矩阵为:

式中,N为Mr×1的高斯白噪声矩阵。对接收信号进行译码,首先对等效矩阵 Heff进行QR分解,即Heff=QR,其基本思想是应用一次QR分解对信道矩阵式(8)两边左乘QH得:

式中,R为上三角矩阵;N′=QHN。从最底层符号开始译码,每层符号可以表示为:

式中,φ为星座点集。

3 仿真与分析

该仿真实现以6发射6接收天线混合编码系统为例,在QPSK调制下,信道条件为准静态瑞利衰落信道,针对提出的基于天线选择的块分组编码与VBLAST联合编码方案和传统的STBC-VBLAST编码方案和6×6的VBLAST结构进行误码率仿真比较。仿真表明,采用块分组编码和VBLAST结合的联合编码方案与传统的2层数据流独立的Alamouti编码和VBLAST结合的编码方案相比,误码率性能明显改善,在误码率10-5处,信噪比有1.2 dB左右的增益。可见,块编码的引入可以使MIMO传输系统有更高的传输可靠性。联合编码系统与VBLAST系统误码性能比较如图3所示。

图3 联合编码系统与VBLAST系统误码性能比较

4 结束语

在STBC与VBLAST联合编码系统结构中,提出将块分组编码与VBLAST相结合,块分组编码对2层数据流码字符号进行编码,每2个码字符号为1对,对2块码字进行块正交编码,数据符号按层分块后交叉通过不同的天线对发射,数据流间产生了一定的交织增益,使编码获得更好的分集增益。仿真结果表明,与目前普遍采用的 2层数据流独立Alamouti编码来提高分集的STBC与VBLAST混合结构相比,块分组编码与VBLAST结合的混合编码方案具有更好的系统可靠性,并且分别在误码率为10-4和10-5时,分别约有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]王中鹏,邱忠媛.STBC和VBLAST相结合的MIMO系统[J].北京邮电大学信息工程学院电子与信息学报,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.