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MIMO系统中低复杂度空时编码技术研究

刘伟  
【摘要】: 空时编码(Space-Time Coding)技术能够充分利用MIMO信道中多个独立的传输通路获得空间分集增益,从而大幅提高无线系统抗衰落的能力。本文围绕低复杂度利于实现的空时编码技术开展研究,利用多维代数网格信号设计思想,提出了四种新的编码设计方案。 满足广义正交约束(GOC)条件的空时码能把MIMO信道等效成若干个并行的虚拟SISO信道,消除信号间的耦合。目前以提高可靠性为目的设计的空时码中,满足GOC条件的已有正交空时码(Orthogonal Space-Time Block Code,OSTBC)和约束满秩单符号可译设计(Restricted Full-rank Single-symbol Decodable Design,RFSDD),但前者码速率很低,后者虽然码速率有所提高,但具有功率分布不平衡的缺点,而且码速率仍然有限。本文构造了一种新的满足GOC条件的全分集空时码——GOC-STBC,它在OSTBC的基础上通过放松对权矩阵满秩的要求从而获得码速率的提升,利用多维实网格星座来获得全分集,并系统地分析了该码的编码增益、码速率、译码复杂度等问题。GOC-STBC不但比OSTBC大幅提高了码速率,还解决了RFSDD功率分布不平衡的缺陷。与另一类典型的低译码复杂度的准正交空时码(Quasi-Orthogonal STBC,QSTBC)相比,GOC-STBC利用现有的代数网格理论来设计全分集和最大化编码增益,因而节省了设计开销,而且在相同译码复杂度的情况下比QSTBC具有相等或者更优的性能。 基于GOC-STBC构造,研究了有限比特反馈的闭环系统中GOC-STBC的全分集方案,提出了一种自适应的GOC-STBC设计。该设计只需2~4比特反馈信息来指导发送端自适应地选择预编码码本,通过改善码的等效虚拟信道特性,使得自适应GOC-STBC用简单的迫零(ZF)译码就能获得全分集,而且性能与最大似然(ML)译码完全等价。即使用ML译码也具备最低的译码复杂度——单符号可译。自适应GOC-STBC在两种译码下都是星座自由的,对于任意发送天线数目时都能达到码速率1。与另一种码速率为1且用ZF译码也具有全分集的自适应QSTBC(Adaptive-QSTBC,A-QSTBC)比较,本文提出的码采用2比特反馈时就已经与使用完全反馈(无限比特)的A-QSTBC性能相当,采用大于2比特反馈时的性能统统优于完全反馈的A-QSTBC。 码速率1的QSTBC编码增益的上界由星座的最小欧氏距离决定。在不增加星座能量的前提下,当前复数星座(如4QAM、16QAM)的最小欧氏距离很难进一步提高。为了改善QSTBC的编码增益,本文将码速率为1的4×4和8×8-QSTBC通过一定的结构变形,使其适合采用多维复网格星座这种信号设计形式,提出了一种基于多维复分圆网格的QSTBC(CL-QSTBC),并证明了CL-QSTBC编码增益的上界由网格间的最小欧氏距离决定,且该上界是可达到的,从而让CL-QSTBC的编码增益直接取决于多维网格星座的最小欧氏距离。最后,利用网格球形封装原理最大化该最小欧氏距离,从而达到最大化编码增益的目的。这样,CL-QSTBC的编码增益不再受传统复数星座的限制。经比较,CL-QSTBC的编码增益高于传统QSTBC编码增益的上界,获得了更好的性能,而且保持同样的译码复杂度。 空时编码一个重要的设计思路是开发空间分集,在获得全部空间分集之后,再通过提高编码增益来一步步改善性能。然而,编码增益的对性能的影响总是有限的,对空时编码性能起主导作用的仍然是分集增益。空时编码系统假设信道是“块状衰落”的,即在一个码字时间内保持不变,在不同码字之间可独立地变化。考虑到时域上的独立衰落具有提供时间分集的潜力,论文提出了一种基于多维网格的联合正交空时编码方案(Joint-OSTBC)。该方案充分利用了OSTBC等效信道模型并结合多维代数网格抗衰落的特性,采用时域上多个码字联合编码,在确保全部空间分集的前提下能获得额外的时间分集。然后推导了Joint-OSTBC的符号成对错误概率的Chernoff界,证明了在块状独立衰落信道中Joint-OSTBC获得的分集增益等于发送天线数、接收天线数和联合码字的个数三者的乘积。换而言之,M个码字联合编码可使原来OSTBC的分集增益放大M倍。仿真表明成对码字联合的Joint-OSTBC,其性能已显著优于QSTBC甚至目前性能最好的Golden码,而且译码复杂度低很多。


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