韓 沖, 張效民, 李通旭, 陳 瑜

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一種改進的有限反饋準正交空時編碼方案

韓 沖1, 張效民1, 李通旭1, 陳 瑜2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 浙江大學(xué) 城市學(xué)院, 浙江 杭州, 310015)

針對廣義正交空時編碼利用反饋信道改善系統(tǒng)性能時, 由于反饋量的增加導(dǎo)致復(fù)雜度較高而失去空時碼自身優(yōu)勢的問題, 提出了一種改進的有限反饋準正交空時分組編碼(QOSTBC)方案, 該方案在對編碼矩陣對角化重構(gòu)的同時引入了等效子信道適度旋轉(zhuǎn)設(shè)計。結(jié)合水聲信道模型理論和仿真分析表明, 該方案在峰均功率比、實數(shù)乘、實數(shù)加計算復(fù)雜度等方面有較為明顯的改進, 同時進一步提高了系統(tǒng)的信道容量, 降低了系統(tǒng)誤碼率。

空時編碼; 準正交空時分組編碼; 信道增益; 誤碼率

0 引言

在多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)無線系統(tǒng)中, 空時編碼是一種能夠提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的有效帶寬傳輸技術(shù)[1]。正交空時分組碼以其特殊的正交結(jié)構(gòu)來保證全分集, 同時能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的線性(如最大似然)譯碼, 從而成為諸多空時編碼中最具吸引力的編碼方式之一。最具代表性的正交空時分組編碼(orthogonal space- time block codes, OSTBC)是由lamouti提出的雙發(fā)射天線方案。隨后, 大量文章如文獻[2]~ [4], 對該方案提出了改進方法, 然而由于其系統(tǒng)自身構(gòu)造特點使得該類OSTBC具有較低的編碼速率(在大于2個天線情況下, 不高于3/4)。

基于此, 筆者提出了一種基于有限反饋的廣義正交空時編碼方案。該編碼將各部分正交空時分組碼的各支路信號角度適度旋轉(zhuǎn), 然后對該編碼矩陣進行對角化重構(gòu), 使得重構(gòu)后的編碼矩陣具有正交性, 從而使得系統(tǒng)在提升性能的基礎(chǔ)上降低了系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度, 實現(xiàn)譯碼更加簡單。仿真結(jié)果分析驗證了該方案較前述QOSTBC方案有更好的性能指標(biāo)。

1 系統(tǒng)模型

在塊衰落信道下, 假設(shè)一個MIMO傳輸系統(tǒng)具有個發(fā)射天線和個接收天線[11]。接收端信號矩陣

針對編碼矩陣, 本文提出了改進QOSTBC的系統(tǒng)模型, 如圖1所示。

圖1 廣義空時編碼系統(tǒng)模型

其中,為對角方陣, 且

2 改進算法原理

假設(shè)在每個傳輸時隙內(nèi)信道保持不變, 即在塊衰落信道下, 對式(1)變換所得接收信號表示為

由式(10)可知

假設(shè)接收端有個天線, 則對于任意接收天線上的信號進行信道匹配濾波, 得

由上述可知, 改進的算法實現(xiàn)對于接收端的分組線性譯碼, 避免了最大似然(maximum likelihood, ML)等大運算量的譯碼算法, 降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

3 仿真結(jié)果與分析

表1 水聲信道模型參數(shù)

且

對比試驗的仿真參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為8PSK調(diào)制、發(fā)射天線數(shù)目為4、接收天線數(shù)目為1。由表2可知, 改進方案的峰均功率比為2.71, 相對于其他經(jīng)典算法較低。根據(jù)Mindet的結(jié)果, 僅有文獻[14]中的算法與改進算法具有較高的編碼增益。從算法復(fù)雜度的結(jié)果可知, 由于文獻[13]~[15]所用算法的數(shù)乘與數(shù)加運算中都與發(fā)射天線數(shù)的3次方成正比, 而正交空時碼與改進算法的復(fù)雜度與發(fā)射天線數(shù)成單次冪線性關(guān)系, 因而改進算法相對文獻[13]~[15]具有較低的計算復(fù)雜度。

表2 算法性能對比結(jié)果

圖2給出了5種空時編碼方案的誤碼率性能仿真對比結(jié)果, 仿真采用發(fā)射天線數(shù)目為8, 2個擴展空時編碼器。由圖2可知, 文獻[13]~[15]算法, 由于在水聲多徑衰落信道下分集增益與編碼增益無法滿足最大化, 故在圖中表現(xiàn)為, 誤碼率(bit error ratio, BER)曲線斜率比較平坦。由圖中可以看出, 本文提出的改進算法比其他算法信噪比低4 dB以上。與此同時, 雖然改進算法引入了適當(dāng)?shù)姆答佇畔? 但對其他幾個算法繁瑣的運算復(fù)雜度而言, 該改進算法總體上還是顯著優(yōu)于其他算法性能。

圖2 算法誤碼率性能對比結(jié)果

4 結(jié)束語

基于編碼矩陣對角化理論與等效子信道適度旋轉(zhuǎn)設(shè)計, 本文針對傳統(tǒng)空時編碼編碼增益低、譯碼復(fù)雜度較高的問題, 結(jié)合水聲信道多徑衰落特性, 提出了一種有限反饋準正交空時碼。它在對編碼矩陣對角化重構(gòu)的同時, 引入等效子信道適度旋轉(zhuǎn)設(shè)計, 使得整個系統(tǒng)復(fù)雜度在引入有限反饋量的條件下得到了明顯的降低, 緩解了譯碼階段的壓力; 與此同時, 由于子信道適度旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度, 增加了系統(tǒng)的等效信道增益, 從而提升了系統(tǒng)的性能。隨后將準備海上試驗驗證算法的實用性、有效性, 并開展可靠性研究。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

An Improved Scheme for Limited Feedback QOSTBC

HAN Chong,ZHANG Xiao-min, LI Tong-xu,CHEN Yu

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. College of City, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China)

The quasi orthogonal space-time block code(QOSTBC) scheme uses feedback channel to improve system performance. Because the increase in amount of feedback results in higher complexity, the space-time code loses its own advantage. In this paper, an improved limited feedback QOSTBC scheme is proposed based on the diagonalizti- on reconstruction of encoding matrix and the adequate rotation of equivalent sub-channels. Combining the theory of un- derwater acoustic channel model and the simulation analysis, it shows that the proposed scheme is significantly improved in such parameters as peak power ratio, computation complexity of real numbers multiplication and real numbers addition. In addition, the system complexity is reduced, the equivalent channel gain is increased, and the bit error rate of system is lowered. Simulation results demonstrate the effectiveness and reliability of the proposed scheme.

space-time coding;quasi orthogonal space-time block code(QOSTBC); channel gain; bit error rate

TJ630.34; TN911.7

A

1673-1948(2014)03-0189-05

2013-10-31;

2014-01-02.

西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC20110210).

韓 沖(1983-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為寬帶MIMO高速通信.