多入多出系統(tǒng)中的自適應比特交織編碼調制概要

1、V ol. 17 No. 12系統(tǒng)仿真學報Dec. 2005 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION3065 多入多出系統(tǒng)中的自適應比特交織編碼調制唐嵐1,王樹勛1，梁應敞22(1 吉林大學通信工程學院，長春 130025; I nstitute for In formation ResearchSin gapore, SINGAPORE, 119613摘要：提出一種多入多出(MIMO )系統(tǒng)中的自適應空時比特編碼調制方案(ST-ABICM )。本方案結合功率、比特分配及比特交織，在滿足發(fā)射端吞吐量和總功率要求的條件 下，使系統(tǒng)的誤碼率最小。為解決在快衰落信道中比特交織時延和

2、可變速率編碼之 間的矛盾，提出與刪除碼結合的空時多層交織器，在實現(xiàn)比特交織的同時，不破壞編碼比特位和刪除位的位置。在接收端，我們提出一種比特連續(xù)干擾抵消(SIC)檢測算法，這種算法相比最大似然算法大大降低了運算復雜度。關鍵詞：MIMO ;自適應比特編碼調制；多層交織器；連續(xù)干擾抵消算法文章編號：1004-731X (2005 12-3065-05中圖分類號：TN911文獻標識碼：AAdaptive Bit-i nterleaved Coded Modulation in MIMO SystemTANG La n1, WANG Shu-xu n1, LIANG Yin g-cha ng2(1Co

3、mmunication Engineering Department, Jilin University, Changchun 130025, Chi na;In stitute for In formati on Research Sin gapore. Sin gapore, 119613弓丨 言 Abstract: An adaptive space-time bit interleaving coded modulation (ST- BICM scheme was proposed in MIMO system. Combining with power allocation, bi

4、t allocation, and bit interleaving, this system minimized the system BER under constant data throughput. An ST multilevel pun cturi ng scheme was adopted to solve the problem of symbol-by-symbol adaptive pun cturi ng and in terleav ing. In receiver, a successive in terfere nee can cellati on (SIC re

5、ceiver was proposed, which has a lower computer complexity compari ng to ML.Key words: MIMO; adaptive ST-BICM; multilevel in terleaver; successivein terfere nee can cellati on由子信道條件決定，然而，在快衰落信道中，編碼后的比特在經(jīng)過交織器后， 信道條件可能已經(jīng)發(fā)生了變化，因此發(fā)射符號的編碼調制方式可能與目前的信道狀 態(tài)并不匹配。另一方面，如果在交織后再利用刪除碼進行可變速率編碼，由于交織 將比特排列順序打亂了，所以很難分

6、辯出編碼比特和刪除比特。為了解決這個問 題，6中提出一種多層交織方案。在本文中，我們將這一方案擴展到MIMO系統(tǒng)中，提出一種空時自適應比特編碼調制方案。在接收端，先利用導頻信號估計信道 狀態(tài)，然后計算相應的發(fā)射模式，包括每天線的比特及功率分配，并將這些信息反 饋回發(fā)射端，同時采用連續(xù)比特干擾抵消算法對接收信號進行檢測。這種比特干擾 抵消算法的計算復雜度低于最大似然算法，并能獲得比迫零算法更好的性能。在發(fā) 射端，根據(jù)反饋信息進行每天線的比特和功率分配，并通過刪除碼9實現(xiàn)可變速率編碼。該方案在總頻帶利用率一定的條件下，最小化系統(tǒng)的誤碼率。仿真結果標 明該系統(tǒng)相比自適應編碼調制系統(tǒng)，誤碼性能有很大提

7、高，并且在相關信道中具有 魯棒性。1,2多入多出(MIMO )系統(tǒng)能通過空間復用技術巨大地提高系統(tǒng)的傳輸速率最近，自適應編碼調制、自適應功率分配、天線選擇等鏈路自適應技術已被運用到MIMO系統(tǒng)中，以進一步提高系統(tǒng)的頻帶利用率3。在4中，為提高系統(tǒng)的誤碼性能，采用了每天線的速率 和功率控制方案，根據(jù)信道條件自適應地為每天線分配功率及比特數(shù)。在衰落信道中，比特交織通過消除傳輸符號比特間的相關性，進一步增加了編 碼分集增益。6中提出一種每符號自適應的可變速率比特編碼調制方案，解決 了快衰落信道中的自適應系統(tǒng)的比特交織問題。最近，比特交織編碼調制（BICM ）技術已被運用到MIMO系統(tǒng)中7,8。在這兩

8、篇文章中，在接收端分別 采用了最大似然（ML ）和迫零（ZF ）檢測算法。顯然，當發(fā)射端采用高進制調 制方式和發(fā)射端天線個數(shù)增加時，采用ML將會使接收復雜度大大增加。ZF比特檢測算法雖然簡單，但很難獲得理想的誤碼性能。本文將自適應比特交織編碼調制技術運用到 MIMO系統(tǒng)中，主要研究在快衰 落信道中，空時自適應比特交織編碼調制系統(tǒng)的性能。在自適應 MIMO系統(tǒng)中， 編碼調制方式1系統(tǒng)模型該方案的系統(tǒng)模型如圖1所示。系統(tǒng)由Kt個發(fā)射天線和Kr個接收天線構 成。在經(jīng)過天線選擇后，M T個發(fā)射天線被使用。發(fā)射比特流先通過一個固定速率 的編碼器進行編碼，然后進入空時多層交織器。每層交織器進行獨立的比特交

9、織。最后，用格 林映射將比特映射為發(fā)射符號。用 bi和p i分別表示每天線的比特數(shù)及功率值，i =1, , M T，系統(tǒng)總頻收稿日期：2004-10-21修回日期：2005-03-05基金項目：國家自然科學基金（60272065作者簡介:唐嵐（1980-,女，重慶人,碩士 ,研究方向為MIMO系統(tǒng)的空時處理技 術;王樹勛（1946-,男,長春人,碩士 ,教授,研究方向為通信中的信號處理技術。3066 V ol. 17 No. 12系統(tǒng)仿真學報Dec. 2005BER i =C exp（-1.5 x G c Xp i （42b i -1譜利用率和發(fā)射功率滿足以下約束條件：刀b i =b T ,刀

10、p i =P T在接收端，除了采用SIC比特解碼方進行比特檢ii其中，C為常數(shù)，G c為來自可變速率編碼和比特交織的增益。令A為可用發(fā)射天線集合，本方案的優(yōu)化問題可用下式表示：min max BER i (5測，接收機還要根據(jù)相應準則確定發(fā)射端的發(fā)射模式。這些信息被反饋到發(fā)射 端，以調整發(fā)射端的發(fā)射模式。在本文中，忽略反饋信道的傳輸時延和傳輸錯誤。同時滿足以下限制條件:Ebii=b T ,Ep=P T (6在系統(tǒng)優(yōu)化設計中，應盡量保證每個子信道有相同的誤碼率，否則，誤碼率最大的子信道將嚴重破壞系統(tǒng)性能。因此，我們要求：BER i =BER con i =1,M T (7-1.5G c P T圖

11、1 MIMO自適應比特編碼調制系統(tǒng)框圖從(3-(7式，可得到:ln( BER /C <i2 cn(wii(2-1b i與各天線發(fā)射模式對應的符號從各個天線同時發(fā)射。每幀數(shù)據(jù)由L個發(fā)射符號組構成。每次的發(fā)射符號組可視為由M T個符號組成的超符號，第I次的發(fā)射超符號可表示為x (I =x 1(1 , , x M T (I 。發(fā)射符號經(jīng)過多徑瑞麗平坦衰落信i =arg min為最小化誤碼率上界，每天線比特數(shù)可按如下原則分配Xw1 A21(2b i -1 (9道后，在接收端得到Kr 1的接收信號向量同時，我們可得到每天線的分配功率P i =P T w i2r (I =H (I x (I +n (

12、I , I =1, , L (1其中，H (I =(2b i -1 (2-1b i(w1 A2(10i證畢。同時，可算得對于平均功率為p i的方形QAM星座圖，星座點間的最小歐幾里德距離可表示為：d i =6p i 2-1b i不變，J表示多徑數(shù)目，B表示衰落增益，9 R ,和0 T ,分別表示和第j條路 徑相關的到達角及發(fā)射角，a R ( 0 R和n是Kr K的aT ( 0 T分別表示陣列舵矢量及陣列響應矢量。2I零均值復高斯噪聲向量，且 E (nn H = c n Kr2自適應發(fā)射接收機結構設計2.1速率及功率控制發(fā)射端發(fā)送導頻序列，接收端根據(jù)接收信息進行信道估計，并計算最佳發(fā)射參 數(shù)，然

13、后將其反饋回發(fā)射端。結論：在滿足系統(tǒng)要求的功率及頻譜利用率的條件下，這是解碼需要用到的重要參數(shù)。每天線所分配的比特數(shù)及功率b i , P i被反饋到發(fā)射端，然后，發(fā)射端進行相 應的比特、功率分配及比特交織。1個通過刪除碼核心速率為1/2的編碼器(g=(133, 171被采用，實現(xiàn)可變速率編碼，編碼序列被按照一定規(guī)則放到交織器的不同層中，從交織 器中取出的比特按相應的發(fā)射模式映射成發(fā)射符號，從不同的天線發(fā)射出去。下面 列出發(fā)射端可能采用的發(fā)射模式：模式 1: rate-1/2+4QAM, b i =2 (無刪除比特 模式 2: rate-3/4+16QAM, b i =4 (2 個 刪除比特，4

14、個編碼比特模式3: rate-5/6+64QAM , b i =6 (4個刪除比特,6個編碼比特其中的編碼比特和刪除比特來自交織器的不同層，編碼比特映射成發(fā)射符號， 而刪除比特被丟掉。為使系統(tǒng)誤碼率最小，發(fā)射端的比特、功率分配方案如下：b i =arg min 刀 w i1 A2(2b i -1 ,P T w i (2b i -1 (2P i =刀(w i (2b i -11 A證明：令I為信道矩陣H (l的列重排矩陣，列的排列順假序為比特流檢測順序。令第i個數(shù)據(jù)流的迫零向量為w i，設前i -1個數(shù)據(jù)流的檢測結果均正確，第i 個數(shù)據(jù)流檢測后的信噪比可表示為：p i =P i2<rnw

15、i2(32.2多層空時交織器交織和解交織的主要作用是隨機化接收比特，使由于深第i個數(shù)據(jù)流的比特錯誤率可表示為V ol. 17 No. 12Dec. 2005唐嵐，等：多入多出系統(tǒng)中的自適應比特交織編碼調制衰落所導致的錯誤盡可能的不相關。在單入單出系統(tǒng)中，比特交織器將比特重排主要是為了避免由多徑信道的時變特性所導致的突發(fā)錯誤。然而，當錯誤長度超過解碼器所能糾 碼的最大長度時，交織將無法提供高編碼增益。在 MIMO系統(tǒng)中，我們可利用系 統(tǒng)的空間特性進一步增加系統(tǒng)的抗突發(fā)干擾的能力。因此，空時交織器能提供比時 域交織器更好的誤碼性能。在本文中，通過刪除碼實現(xiàn)可變速率編碼。然而，在快衰落信道中，很難同

16、時 實現(xiàn)動態(tài)比特刪除和交織。如果比特刪除后再交織，當編碼比特從交織器中取出 時，信道狀態(tài)已經(jīng)變化了，編碼模式可能已經(jīng)不適合于當前的信道狀態(tài)了。另一方 面，如果交織后進行比特刪除，則很難分清刪除比特和交織比特，有可能從交織器 里取出被映射為發(fā)射符號的比特是應該刪除的比特。為了解決這個問題，我們采用多層比特刪除交織器。不同于其它自適應系統(tǒng)中 的每個天線一個編碼調制器，本方案只使用一個編碼器。我們采用速率可兼容的刪 除碼，每層交織器容納不同刪除位的比特，每個交織器進行獨立的比特交織。以3層的交織器為例，如圖2所示，第一層交織器包含不被刪除的編碼比特，第二層交 織器包含與刪除模式1對應的刪除比特，第三

17、層交織器包含與刪除模式 2對應的刪 除比特（不包括第二層交織器里的比特）。n =arg min G i j j ?k 1, , k i - 13067 果2中的比特用完，就從3中取，直到所有交織器內的比特被取完。對于一個N層的交織器，就編碼發(fā)射比特而言，第一層交織器內的比特具有 最高的優(yōu)先權，其次是第N層交織器，依次遞減直至第二層交織器；就刪除比特 而言，第二層交織器內的比特具有最高優(yōu)先權，從第二層到第N層優(yōu)先權依次減弱。2.3 SIC檢測算法對于基于比特編碼機制的信道維特比解碼，最大似然準則可表示如下kv n 12<rn(min kx X (b n =0r -H x -min kx X

18、 (b n =1r -H x (13k其中，vn表示在發(fā)射超符號中來自第n個發(fā)射天線符號的k =i表示第n個發(fā)射天線符號的第k個比特的度量值。X (b n第k個比特等于i的超符號集合，ML算法的復雜度將隨著調制方式和發(fā)射天 線個數(shù)的增加而指數(shù)增長。采用本文提出的SIC算法可大大降低算法復雜度，SIC檢測算法是一個迭代算法，具體算法如下：初始化：計算信道矩陣的廣義逆 G仁H (I +, i =1迭代步驟：2(14w n =(G i n (w n為G i的第n個列向量(15H r (I (16 n =w n xn可得第n個發(fā)射符號的第k個比特的軟判決準根據(jù)x圖2多層交織器的結構則為8kv n 12

19、<rn(p i x D (x n , k (17設第i個交織器的結構為m i Xi，每個交織器內的比特重排方式定義如下：i =(Lb T x /m i (k mod m i +floor (k /m i ,其中，p可從(3)式得到，D (x n , k可近似表示為一套線性函數(shù)8x n , I ? D k (?, k =1, , b i (18 D (x n , k =? D1(x n , Q k -b i ? 2?k =0, 1, , xLb T -1 (12其中，floor (?表示不超過括號內參數(shù)的最大整數(shù)，x表示各個交織器內的比 特占一幀總比特數(shù)的百分比。交織器1內的比特是必須映射

20、成發(fā)射符號，從各個天線發(fā)射出去的；而其他交 織器內的比特可能是發(fā)射的編碼比特，也可能是被刪除的比特。通過這種分層交織 的方式，我們可以實現(xiàn)先比特交織后比特刪除的編碼方法，從而實現(xiàn)在快衰落信道 中的自適應比特編碼調制。通過接收端的反饋信息，適當?shù)木幋a發(fā)射比特和刪除比 特從相應的交織器內取出，編碼比特通過格林映射映射成不同的發(fā)射符號，從各個 天線發(fā)射出去，而刪除比特則不被發(fā)射。以3層交織器為例，如果根據(jù)接收端的反饋信息，天線1和2被使用，并分別采則從交織器1內取出10用16QAM和 64QAM的調制方式，比特，分別分配4比特給天線1,分配6比特給天線2,如果交織器1內的編 碼比特被取完，就從交織器

21、2中取，并以此類推；同時從交織器 2內取出6比特作 為被刪除比特，如n , Q =? (x n。其中，x在自適應系統(tǒng)中，D k (x n , I = ? (x n , x是經(jīng)過修改的 和d i有關的線性函數(shù)：對于 4QAM, D 1(x =4x (19 對于 16QAM, D 1(x =4x , D 2(x =8d i -4x (20 對于 64QAM, D 1(x =4x , D 2(x =16d i -4x ,D 3(x =8d i -4x -4d i (21k轉換為二進制序列 通過符號函數(shù)將v nn =sgn(v n , k =1, , b i (22k映射為相應符合,將v nk ?n

22、=mapp ing n x (23?n相關的部分,從接收信號中去除與x?n (H n (24 r i +1(1 =r i (l -x3068 V ol. 17 No. 12系統(tǒng)仿真學報Dec. 2005+(25 G i +仁H 圖 5 為 b T =10bits/channel use寸，ABICM 系統(tǒng)和 ACM 系統(tǒng)所能 獲得的互信息。和圖3相比，ABICM和ACM系統(tǒng)的互信息曲線的距離變大，同 時，增加發(fā)射天線或接收天線的個數(shù)對系統(tǒng)的互信息有更大的影響。圖6為b T=10?n表示解碼后的編碼比特構成的第 n根天線上的發(fā)射符號x的估計值。對(14-(25進行迭代運算，直到所有發(fā)射比特被3解

23、碼。SIC算法的復雜度近似為o (M R，當發(fā)射端天線個相比ML算法，數(shù)增加，和高進制 QAM調制方式被采用時，復雜度大大降bits/cha nnel use時，系統(tǒng)的誤碼性能曲線。顯然，當系統(tǒng)的傳輸速率增加時，誤碼性能會有一定程度的惡化。但 ABICM系統(tǒng)的性能仍明顯由于 ACM系統(tǒng)的性圖7為b T =10bits/channel use時，ABICM系統(tǒng)在不同交織深度時的誤碼性能。顯然，交織深度越大，系統(tǒng)的誤碼1520rriRn EMRfriFh 2TK4RXABICM-V* mRXACM* 4BCJRXABICM+ABICM47)(t6RXACM富sn 一鈕匚 匚.?_elu3w-e3?

24、e3仿真結果與分析在本節(jié)，主要通過mon te-carlo仿真來評價我們所提出的空時自適應比特編碼調制系統(tǒng)的性能。主要考慮在快衰落信道中的系統(tǒng)性能。每幀數(shù)據(jù)包含540個字節(jié)的信息比特。在舵矢量a T ( 9 T，和相應矢量a R ( 9 R中的物理角度的范圍分別為?T (- n /6, n /R, & (- n /2, n/2首先，我們比較自適應比特交織編碼(ABICM )系統(tǒng)和自適應編碼調制系統(tǒng) (ACM )所能獲得的互信息，然后比較在相同條件下系統(tǒng)的誤碼性能。比特交織 系統(tǒng)所能獲得的互信息的表達式如下所示9I (b 入;r |H =H (b 入-H (b 入 |r , H=1- &

25、#163; b 入Iog2刀 b 気(0,1p (r |b 入，H(26圖3不同天線配置條件下的ABICM系統(tǒng)和ACM系統(tǒng)的互信息其中，p (r |b 入,H = X (b 入 x刀 p (r |x , HX (b入A(b T =8bits/cha nnel use在快衰落信道中，遍歷信道的平均互信息可表示為I ABICM =H I (b入；r |H (27圖3比較了不同天線配置條件下ABICM系統(tǒng)和ACM系統(tǒng)所能獲得的平均互 信息，即在隨機變化的信道條件下的互信息的均值。對于不同的信道條件，發(fā)射端 也相應地選擇不同的天線和不同調制方式的發(fā)射符號。其中，系統(tǒng)的總頻帶利用率 為b T =8bit

26、s/channel use從圖3中，我們可以看出，雖然I BICM總是小于I CM，但曲線間的差別非常小。而且，增加發(fā)射天線的個數(shù)比增加接收天線的個數(shù) 更有利于系統(tǒng)互信息的增加，因為天線選擇可以為系統(tǒng)提供額外的增益。將圖中 9dB15dB的曲線區(qū)域放大，我們可以看到 2發(fā)射天線4接收天線的ABICM和 ACM系統(tǒng)的互信息曲線的差別大概是 0.5dB，當發(fā)射天線的個數(shù)增加到4時，雖 然系統(tǒng)的互信息增加了，但同時兩種系統(tǒng)的互信息曲線之間的距離大約增至 1dB。當接收天線的個數(shù)增加到6時，系統(tǒng)的互信息略有提高，同時，兩系統(tǒng)的互 信息曲線的差別減小為圖4不同天線配置條件下的ABICM系統(tǒng)和ACM系統(tǒng)的

27、誤碼性能(b T =8bits/cha nnel usemsan NRfrlFI(msn二buunlq Un-二mEoJU -ErunEP 2TX,4RX ABICM v 2TX.4PXACM -e 4T<,jpxabicm © 4TKRXACM + 4TXb6F?XABICM 4IXh6RXACM0.7dB。雖然比特編碼調制系統(tǒng)的互信息略低于編碼調制系統(tǒng)的互信息，但從 圖4中我們可看出，互信息的輕微損失換來的是系統(tǒng)誤碼性能的巨大提高。圖4為在系統(tǒng)在總頻帶利用率 b T =8bits/channel use的條件下的誤碼性能。顯 然，相比無比特交織的自適應系統(tǒng)，比特交織系統(tǒng)的誤

28、碼率曲線斜率更大，表明在 快衰落信道中，比特交織能提供更大的分集增益。圖5不同天線配置條件下的ABICM系統(tǒng)和ACM系統(tǒng)的互信息b T = 10bits/cha nnel useV ol. 17 No. 12Dec. 2005唐嵐，等：多入多出系統(tǒng)中的自適應比特交織編碼調制相比ACM系統(tǒng)獲得最大的分集階數(shù)。306910°£1010101u+ 2TX.4RXA0ICM“4 2TX,4RXykCM-G- 4TXl4RX>eiCM G- 4TX.4RX.ACIM 4TX.6RXABICM4TX,BRX>CMi-6810121416mean SNR(dB)4結論在本文中

29、，我們提出一種空時自適應比特交織編碼調制方案(ST-ABICM )，以實現(xiàn)在快衰落信道中的動態(tài)比特刪除編碼及比特交織。首先由發(fā)射 端發(fā)導頻信號，接收機根據(jù)導頻信號估計信道狀態(tài)信息，計算相應的發(fā)射參數(shù)，并 將這些參數(shù)反饋到發(fā)射端。在發(fā)射端，編碼后的比特流進入多層交織器，交織后的 比特按一定規(guī)則從交織器的不同層中被取圖6不同天線配置條件下的ABICM系統(tǒng)和ACM系統(tǒng)的誤碼性能(b T =10bits/cha nnel use1L1010104B 8101214 IEmean SNR(dB)2T-4RX,ABICM 2IX.4RXACM 4TX.4RXABICM 4TX,4RXACM4TX.6RX.

30、ABICM4IX.6RXACM2+-e-出。這些比特或映射成符號，或作為刪除比特被去掉。最后，接收端采用比特 干擾抑制算法完成比特檢測。結果表明ST-ABICM算法用微弱的互信息損失換來了巨大的信噪比增益，在快衰落及 相關信道中均能獲得好的性能。參考文獻：1G J Fosch ini, M J Gans. On limits of wireless com muni cati ons in a fadi ngen vir onment whe n using multiple antennas J. Wireless Pers. Commun, 1998, 6: 311335. 2 3E Te

31、latar. Capacity of multi-a ntenna Gaussia n cha nn els J. AT&T Bell LabsIn ternal Tech. Memo, 1995.Shengli Zhou, Georgios B Giannakis. Adaptive modulation for multi- antenna transmission with channel mean feedback C. in Proc. ICC 03, 2003, 2282285.圖7 ABICM系統(tǒng)在不同交織深度時的誤碼性能aC£)T- 2TX,4RX,ABICM “I TD(14RX(ACM -G- mRX.ABlCM 4TX.4RX.ACM千 m.GRX.ABlCM p 41X,6RX(ACM2 I"mean SNRfdB)4 Hairuo Zhua ng, Lin Dai, Shido ng Zhou. Low complexity per-a ntenna rate and power con trol approach for closed-loop V-BLAST J. IEEE Trans. Commun, 2003, 51(11: 1783-1787.6E Zehavi. 8-PSK trellis codes for r