STBC-VBLAST混合系統的研究

代霜春，黃明實，莊銘杰，李淼鑫

(1.集美大學航海學院，福建 廈門 361021;2.中國移動福建公司南安分公司，福建 泉州 362021;3.華僑大學工學院，福建 泉州 362021)

0 引言

隨著社會進步和移動通信技術的發展，人們對移動通信技術的要求越來越高，希望隨時隨地獲取除語音之外的數據、視頻和圖像等多媒體業務，這些都要求人們尋找頻譜利用率更高和信道容量更大的移動通信系統。多發多收天線技術(又稱多輸入多輸出技術，MIMO)是指在發射端通過多個天線傳送信號，在接收端使用多個天線接收信號的無線通信技術。它是近代數字通信技術中最顯著的技術突破，該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率［1，2］，是新一代移動通信系統的關鍵技術之一，因此，MIMO技術是解決未來移動通信業務容量瓶頸和提高數據傳輸速率的有效手段，它已受到人們越來越多的關注［3］。

空時編碼(STC)是研究多天線MIMO配置下，如何實現發送信息流到天線之間的映射，以獲得最大的編碼增益和分集增益。所謂空時編碼就是發射端利用多根天線，利用時間和空間兩維信號來構造碼字，達到有效抵消衰落，提高功率效率，并且能夠在傳輸信道中實現并行的多路傳送，提高頻譜效率?？諘r編碼方式主要有3種，分別為貝爾分層空時結構(BLAST)［4］、空時格型編碼(STTC)［5］和空時分組碼(STBC)［6］。STTC具有較高的分集增益和編碼增益，但是編譯碼復雜度較高，難以付諸應用;BLAST可將高速的數據業務分成為低速的并行數據業務，編譯碼簡單，數據傳輸速率較高，可以獲得空間復用增益，提高頻帶利用率，但抗衰落性能比較差;STBC由于碼字之間的正交性，可以獲得很好的分集增益，抗衰落性能非常好，但數據傳輸速率比較低。

由于BLAST和STBC各有優缺點，為了克服BLAST和STBC的缺陷，在抗衰落性能和速率兩者間取折中，使系統既具有比較高的傳輸速率，又具有良好的抗衰落性能，文獻［7，8］提出了將他們結合的混合系統，結合兩者的優點，提高了系統的性能。因此層空時碼與空時分組碼的混合系統成為了人們關注的焦點。

1 STBC-VBLAST混合系統

1.1 分層空時碼

分層空時碼俗稱貝爾實驗室分層空時結構(BLAST)，其基本思想:在準靜態信道和信道之間相互獨立條件下，利用多根發射天線把串行高速數據業務分接為若干低速數據業務，通過普通的并行信道編碼器編碼后，對其進行并行的分層編碼，因而能極大地提高信息傳輸率的方法［4］。根據編碼構造方式的不同，BLAST可分為水平結構(HBLAST)、垂直結構(VBLAST)和對角結構(DBLAST)［1，9～11］。V-BLAST與D-BLAST中的數據子流與天線對應關系，如圖1所示。由圖1(a)可以看出，數據流先進行串并轉換，分成為多路子信息流。如圖1(b)所示，雖然DBLAST經過編碼調制模塊編碼，有比較好的空時結構，但有冗余信息，結構、譯碼復雜，難以實際應用;由圖1(c)知，VBLAST與HBLAST不同的是信息流不經過編碼調制模塊編碼，直接向對應天線發射，并且比HBLAST的空時特性好，譯碼簡單。VBLAST系統以其簡單實用的結構和極高的頻譜利用率而受到人們廣泛的關注。

圖1 V-BLAST與D-BLAST中的數據子流與天線對應關系

1.2 STBC-VBLAST

BLAST的最大優點是其頻帶利用率隨著發射天線的增加線性增加，但它是以部分分集增益為代價來換取高頻帶利用率，無法達到最大分集增益，因而BLAST的抗衰落性能比較差。BLAST最先檢測層是沒有獲得分集增益，因此其檢測性能非常差;尤其是在最先檢測層出現誤碼，這也會導致后面的檢測出現誤碼傳播。STBC源于由Alamouti［2］提出一種利用兩發射天線的發射分集方案為基礎，根據廣義正交設計原理提出的。接收時采用最大似然檢測算法進行解碼，由于碼字之間的正交性，STBC可以使接收機解碼后獲得滿分集增益。引入STBC，能保證最先檢測層的性能，從而改善整個系統的性能。

STBC-VBLAST混合結構結合了VBLAST和STBC的技術優點，能夠最大限度地實現分集增益和復用增益。目前對STBC-VBLAST混合系統的研究主要從系統設計方案和接收端譯碼方法兩方面展開。系統設計方案的關鍵在于能否提高VBLAST的分集增益，因此要求首層必須是STBC。方案主要有三種。

(1)僅首層采用STBC編碼的VBLAST結構［12］。發射端的結構模型，如圖2所示，輸入信號首先經過一個串并轉換器變成n路并行數據，然后只對第一組數據進行空時分組編碼，其他支路不變。由于最先譯碼的符號沒有分集增益，譯碼的性能可能最差。因此，通過此編碼方案來提高第一層的分集度，從而保護了最有可能出錯的信息，提高了系統的性能。

圖2 STBC-VBLAST混合發射模型一

(2)所有發送天線分成不同的層，層內要求使用相同的STBC獨立編碼，層之間滿足VBLAST結構［12］。發射端的結構模型，如圖3所示，先將輸入信息流經串并變換器分成n路，然后每路運用STBC方法進行獨立的編碼，但整體上具有類似分層的結構。與第1種結構相比，此系統具有更好的分集效果，但復用增益降低，該方案要求發射天線數目必須是偶數。

圖3 STBC-VBLAST混合發射模型二

(3)所有發送天線分成不同的層，層內要求使用不同的STBC獨立編碼，層之間滿足VBLAST結構［12］。發射端的結構模型，如圖4所示，將發射天線進行分組編碼發射，在每層上完全采用了獨立的STBC結構，可以將編碼器看成是一系列的q個編碼器在相同信道下并行工作。

圖4 STBC-VBLAST混合發射模型三

實際中應選擇哪種結構，主要是考慮通信系統的具體要求。另外，上述的三種結構的調制方式也可以按照系統的具體要求進行來調整。文獻［13］中提涉的預編碼結構，首先必須知道信道狀態信息。也可考慮STBC或者VBLAST編碼器之后加入了預編碼器。

2 STBC-VBLAST系統譯碼算法的研究

2.1 VBLAST 的譯碼算法

基于MIMO技術的各種BLAST通信系統性能實現的關鍵是接收機所采用的譯碼算法，傳統的VBLAST系統的譯碼算法主要有迫零法(ZF)、最大似然法(ML)、最小均方誤差法(MMSE)、球形譯碼法、對角QR分解法和連續干擾抵消法(SIC)等。近年來，還出現了很多改進的譯碼方法，如MMSE-SIC或優化MMSE-SIC(OMMSE-SIC)、OZF-SIC、QR-SIC、排序QR譯碼(SQRD)、分組干擾抑制、奇異值分解、擴展高斯抵消(EGE)、排序擴展高斯抵消(EGEOSD)、基于載波組(SGD)的檢測方法、等對角QR分解的幾何均值分解(GMD)算法和矩陣重構結合STBC-VBLAST譯碼方案等。以上改進方法大都是針對某一方面進行改進，如在提高性能或者減少復雜度方面［14］。

2.1.1 QR 算法

當VBLAST通信系統滿足發射天線M不大于接收天線N時，信道矩陣H就可以進行QR分解［15］。即H=QR，其中Q是N×N的酉矩陣，R是N×M的上三角矩陣。則接收矩陣方程yt=Rxt+vt就可展開為

式中，xt是發送符號矢量;vt是接收端的噪聲矢量。即t時刻每一接收分量為

根據系數矩陣的上三角特性，可以采用迭代方法從下至上逐次解出各個發射信號分量。

2.1.2 基于QR分解的循環迭代算法

上面QR算法分析知，將信道傳輸矩陣H進行QR分解，使得發送符號向量的檢測變得容易。但其存在兩個方面的問題:首先，QR分解檢測算法性能取決于最先檢測層性能，如果最先檢測層出現錯誤，則此錯誤將會影響到下一檢測層的符號判決，故差錯會發生傳遞;其次，采用QR分解譯碼算法時，最先檢測層的分集增益最低，文獻［16］研究表明，最先檢測層的分集增益為N－M+1，而最后檢測層的分集增益為N，當發送天線數N和接收天線數M相同時，則最先檢測層不存在分集增益，這意味著最先檢測層性能必是最差的。為克服最先檢測層性能差而導致的誤碼傳播，文獻［17］提出了基于QR分解的循環迭代算法，它的基本思路是在接收到符號向量后，首先采用QR分解算法對接收向量進行檢測判決，僅保留最后檢測層的判決符號，其他各層判決符號被丟棄;循環調整信道傳輸矩陣的行向量，使最后保留符號對應下一次最先檢測層;隨后對調整后信道矩陣再次使用QR分解檢測算法進行檢測判決，同理，仍保留最后檢測層判決符號。重復該過程直至所有層符號檢測滿足指標要求，基于QR分解的循環迭代算法與其他算法的性能比較曲線，如圖5所示;迭代使系統性能得到提升。迭代算法的關鍵是從第二次QR分解檢測開始無需對最先檢測層符號進行判決，而直接使用上次檢測的保留符號。

圖5 QR分解的迭代算法與其他算法性能曲線［17］

2.2 STBC-VBLAST 的譯碼算法

STBC-VBLAST在接收端譯碼方面，主要是在接收端如何準確的分離各個STBC碼組，使其結構不受影響從而可以利用STBC的最大似然譯碼方法簡單的將信號恢復。所以混合系統的譯碼算法:首先是分離各個STBC碼組，讓其各自組成子系統，直接用最大似然法進行譯碼;將譯碼結果帶回原來的系統中，消除子系統符號的影響;最后直接用VBLAST的傳統譯碼方案對剩下的符號進行譯碼［18］。

2.3 仿真結果及分析

若發送信號的調制方式為BPSK，信道為準靜態瑞利衰落，接收天線數和發射天線數為4。采用混合系統時，首層使用Alamouti方案的空時分組碼。VBLAST系統和STBC-VBLAST混合系統的性能比較，如圖6、圖7所示。

圖6表明:混合系統明顯降低了系統誤碼率，提高了系統性能。圖7給出了采用不同循環迭代次數時，STBC-VBLAST系統性能比較。圖中示出:隨著迭代次數的增加，系統誤碼率性能得到進一步改善，但當迭代次數超過一定界限值后，其誤碼性能改善不明顯。各種譯碼算法的比較如圖8所示，可以看出基于QR分解的循環迭代算法在混合編碼系統的性能得到了進一步提高，在比特誤碼率為10－2時，比QR分解提高了大約6 dB，比迫零算法提高了大約10 dB;并且可以發現循環迭代算法與分層ML算法無限接近幾乎平行重合，而且其算法復雜度比分層ML小。

圖8 各種譯碼算法的混合系統性能比較

3 STBC-VBLAST系統的挑戰與應用

隨著STBC-VBLAST混合系統的研究深入，實際系統中要達到理論上的容量和誤碼率性能仍有許多的技術難點。這些難點和挑戰也是目前研究STBC-VBLAST混合系統的熱點。

3.1 充分考慮信道模型

研究STBC-VBLAST混合系統時必須考慮信道模型。實現STBC-VBLAST混合系統的關鍵在于建立更準確的信道模型，在對STBC-VBLAST混合系統進行研究時，通常都是假設信道服從平坦瑞利衰落，且信道間具有良好獨立性，并令接收端完全已知信道狀態信息。但在實際應用中，我們遇到的信道可能是不獨立的、相關的，當系統數據速率增加時，信道可能是頻率選擇性的;由于移動環境是隨機的、時變的，在一個空時編碼的完整幀內信道是快時變的，所有這些都將影響到系統的性能。因此，了解實際環境中信道的建模是STBC-VBLAST混合系統應用的一個挑戰和研究熱點。

3.2 優化系統的混合結構

1.2節給出了STBC-VBLAST系統發射端的3種混合結構。在實際應用中，可根據信道狀況和用戶服務需求，對混合結構中的STBC位置、結構和數目及每個發射天線鏈路上的調制選擇進行靈活調整，得到符合客戶要求的新混合方案。當信道特性好時，STBC模塊可減少，STBC可采用僅雙天線的Alamouti方案，可利用自適應編碼調制技術來提高數字調制階數和選擇高效率信道編碼，如Turbo碼、LDPC碼和多重格狀碼調制(MTCM)等。而當信道特性差時，情況則相反，應盡可能采用多發射天線的STBC模塊、低階調制和低碼率的信道編碼。若用戶對通信速率和服務質量有要求時，也利用同樣方法對混合方案進行合理調整。若將STBC-VBLAST技術應用于OFDM寬帶無線通信系統時，系統發射機可根據各天線信道好壞，合理地進行頻帶自適應分配和調制方式選擇。另外，若系統發射機已知信道的狀態信息，可融合天線選擇技術和發射天線功率優化分配技術來進一步提高系統性能。

3.3 研究高效的譯碼算法

移動通信系統性能好壞很大程度決定于所采用的譯碼算法。第2部分已總結了BLAST結構和STBC-VBLAST混合結構的通信系統的各種譯碼算法。由于QR分解算法結構簡單，受到廣泛的關注，但其譯碼的誤碼性能差。分析知，導致QR法性能下降原因是第一層譯碼時的分集增益低。為此，引入了循環迭代來改善QR法的不足。因此，在QR算法基礎上，進一步研究高性能的譯碼算法很有必要的，如將STBC引入第一譯碼層;采用排序法，將最優信道放在第一譯碼層;將排序法與迭代法混合使用等。

3.4 混合系統在移動通信中的應用

據報道，朗訊公司已研制出了BLAST芯片［19］。STBC-VBLAST結構是新一代無線寬帶通信系統的有效解決方案，已被IEEE 802.11n標準協議的采納［20］。所有這些均有助于STBC-VBLAST混合技術的應用、推廣到哪些需要應用多天線技術的服務終端和個人終端的無線通信系統中?？梢灶A測:STBC-VBLAST技術必定是未來長時不斷演進移動通信系統的候選方案，這包括諸如:無線體域網、無線個域網、無線局域網、4G系統和WiMAX等。

4 結語

為了提高BLAST系統的抗衰落性能，論文重點研究將STBC引入VBLAST結構組成STBC-VBLAST混合系統。分析了3種目前常見的STBC-VBLAST系統的混合結構。介紹了層空時碼的數據流結構，總結了一些常見的譯碼算法及改進方法。論文重點介紹了適用于VBLAST系統的QR分解算法及基于循環迭代QR分解算法，并將它們引入STBC-VBLAST系統中。仿真結果表明:適當的QR分解迭代次數，就可大大地提高系統誤碼性能。最后，展望了STBC-VBLAST 混合系統未來研究方向和應用［21～24］?？傊?，采用循環迭代算法的STBC-VBLAST混合系統在不增加系統復雜度的情況下，在保證BLAST系統成倍地增加信道容量和頻譜利用率同時，能獲得相當好的空間分集增益，是一種有前途和競爭力的通信技術之一。

［1］FOSCHINI G J.Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas［J］.Bell Laboratories Technical Journal，1996，1(2):41-59.

［2］ALAMOUTI S M.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1998，16(10):1451-1458.

［3］任立剛，宋梅，郗松楠，等.移動通信中的MIMO技術［J］.現代電信科技，2004(1):42-45.

［4］WOLNIANSKY P W，FOSCHINI G J，et al.V-blast:An Architecture for Realizing Very High Data Rates Over the Rich-Scattering Wireless Channel［C］//URSI International Symposium on Signals，Systems，and Electronics(ISSSE)，1998，295-300.

［5］TAROKH V，SESHADRI N，CALDERBANK A R.Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication:Performance Analysis and Code Construction［J］.IEEE Trans.Inform.Theory，1998，44(3):744-765.

［6］TAROKH V，JAFARKHANI H，CALDERBANK A R.Space-Time Block Codes From Orthogonal Designs［J］.IEEE Trans.Information Theory，1999，45(6):1456-1467.

［7］ZHAO LI，DUBEY V K.Detection Schemes for Spacetime Block Code and Spatial Multiplexing Combined System［J］.IEEE Communication Letters，2005，9(1):49-51.

［8］MAO TIANYU，MOTANI MEHUL.STBC-VBLAST for MIMO Wireless Communication Systems［C］//in Proc.of Int.Conf.on Communications，2005，4:2266-2270.

［9］FOSCHINI G J，GANS M J.On Limits of Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas［J］.Wireless Personal Communications，1998，6(3):311-335.

［10］PAULRAJ A J，GORE D A，NADAR R U，et al.An Overview of MIMO Communications-A Key to Gigabit Wireless［J］.Proceed IEEE，2004，92(2):198-218.

［11］LI X，HUANG H，FOSCHINI G J，et al.Effects of Iterative Detection and Decoding on the Performance of BLAST［C］//In Proc.IEEE Global Telecommun.Conf.，2000，2:1061-1066.

［12］張麗，李鴻林.STBC與V-BLAST結合的MIMO系統解碼算法及性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2008.

［13］劉海濤，李元柳，王勇，等.基于STBC-VBLAST系統的預編碼傳輸方案［J］.中國民航大學學報，2010(01):14-17.

［14］王坤.STBC-VBLAST系統在空間相關信道下的性能研究［J］.吉林師范大學學報(自然科學版)，2008(01):109-112.

［15］BRANKA VUCETIC，JINHONG YUAN.空時編碼技術［M］.王曉海，等，譯.北京:機械工業出版社，2004.

［16］CHOJ W J，NEGI R，CIOFFI J M.Combined ML and DEF Decoding for the V-BLAST System［C］//IEEE International Conference on Communications，2000，3:1243-1248.

［17］劉海濤，孫宇昊，李冬霞，等.基于QR分解的循環迭代檢測算法［J］.電波科學學報，2005，20(05):575-579.

［18］蘭洋，程時昕.結合STBC的一種分層空時編碼結構模型［J］.電路與系統學報，2004，9(1):22-25.

［19］LUCENT'S，BLAST Chips to Take off in Wireless Market［EB/OL］.EETimes.com(2002-10-16).

［20］CHIN W H，WU Y，FUNG P，et al.Performance Analysis of Hybrid STBC in MIMO-OFDM-based Wireless LANs［C］//IEEE 65th Vehicular Technology Conference.Dublin Ireland:IEEE，2007:2460-2464.

［21］張劍，呂鋒.基于SQRD方法的STBC-VBLAST系統［J］.武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2006(07):148-151.

［22］戰金龍，盧光躍，姜暉.STBC-VBLAST系統發射天線選擇算法研究［J］.西安郵電學院學報，2011(02):13-16.

［23］JIANG Y，LI J，HAGER W.Joint Transceiver Design for MIMO Communications Using Geometric Mean Decomposition［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2005，53(10):3791-3803.

［24］JIANG Y，LI J，HAGER W.Uniform Channel Decomposition for MIMO Communications［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2005，53(11):4283-4294.