多入多出系统中的自适应比特交织编码调制概要

1、V ol. 17 No. 12系统仿真学报Dec. 2005 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION3065 多入多出系统中的自适应比特交织编码调制唐岚1,王树勋1，梁应敞22(1 吉林大学通信工程学院，长春 130025; I nstitute for In formation ResearchSin gapore, SINGAPORE, 119613摘要：提出一种多入多出(MIMO )系统中的自适应空时比特编码调制方案(ST-ABICM )。本方案结合功率、比特分配及比特交织，在满足发射端吞吐量和总功率要求的条件 下，使系统的误码率最小。为解决在快衰落信道中比特交织时延和

2、可变速率编码之 间的矛盾，提出与删除码结合的空时多层交织器，在实现比特交织的同时，不破坏编码比特位和删除位的位置。在接收端，我们提出一种比特连续干扰抵消(SIC)检测算法，这种算法相比最大似然算法大大降低了运算复杂度。关键词：MIMO ;自适应比特编码调制；多层交织器；连续干扰抵消算法文章编号：1004-731X (2005 12-3065-05中图分类号：TN911文献标识码：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由子信道条件决定，然而，在快衰落信道中，编码后的比特在经过交织器后， 信道条件可能已经发生了变化，因此发射符号的编码调制方式可能与目前的信道状 态并不匹配。另一方面，如果在交织后再利用删除码进行可变速率编码，由于交织 将比特排列顺序打乱了，所以很难分

6、辩出编码比特和删除比特。为了解决这个问 题，6中提出一种多层交织方案。在本文中，我们将这一方案扩展到MIMO系统中，提出一种空时自适应比特编码调制方案。在接收端，先利用导频信号估计信道 状态，然后计算相应的发射模式，包括每天线的比特及功率分配，并将这些信息反 馈回发射端，同时采用连续比特干扰抵消算法对接收信号进行检测。这种比特干扰 抵消算法的计算复杂度低于最大似然算法，并能获得比迫零算法更好的性能。在发 射端，根据反馈信息进行每天线的比特和功率分配，并通过删除码9实现可变速率编码。该方案在总频带利用率一定的条件下，最小化系统的误码率。仿真结果标 明该系统相比自适应编码调制系统，误码性能有很大提

7、高，并且在相关信道中具有 鲁棒性。1,2多入多出(MIMO )系统能通过空间复用技术巨大地提高系统的传输速率最近，自适应编码调制、自适应功率分配、天线选择等链路自适应技术已被运用到MIMO系统中，以进一步提高系统的频带利用率3。在4中，为提高系统的误码性能，采用了每天线的速率 和功率控制方案，根据信道条件自适应地为每天线分配功率及比特数。在衰落信道中，比特交织通过消除传输符号比特间的相关性，进一步增加了编 码分集增益。6中提出一种每符号自适应的可变速率比特编码调制方案，解决 了快衰落信道中的自适应系统的比特交织问题。最近，比特交织编码调制（BICM ）技术已被运用到MIMO系统中7,8。在这两

8、篇文章中，在接收端分别 采用了最大似然（ML ）和迫零（ZF ）检测算法。显然，当发射端采用高进制调 制方式和发射端天线个数增加时，采用ML将会使接收复杂度大大增加。ZF比特检测算法虽然简单，但很难获得理想的误码性能。本文将自适应比特交织编码调制技术运用到 MIMO系统中，主要研究在快衰 落信道中，空时自适应比特交织编码调制系统的性能。在自适应 MIMO系统中， 编码调制方式1系统模型该方案的系统模型如图1所示。系统由Kt个发射天线和Kr个接收天线构 成。在经过天线选择后，M T个发射天线被使用。发射比特流先通过一个固定速率 的编码器进行编码，然后进入空时多层交织器。每层交织器进行独立的比特交

9、织。最后，用格 林映射将比特映射为发射符号。用 bi和p i分别表示每天线的比特数及功率值，i =1, , M T，系统总频收稿日期：2004-10-21修回日期：2005-03-05基金项目：国家自然科学基金（60272065作者简介:唐岚（1980-,女，重庆人,硕士 ,研究方向为MIMO系统的空时处理技 术;王树勋（1946-,男,长春人,硕士 ,教授,研究方向为通信中的信号处理技术。3066 V ol. 17 No. 12系统仿真学报Dec. 2005BER i =C exp（-1.5 x G c Xp i （42b i -1谱利用率和发射功率满足以下约束条件：刀b i =b T ,刀

10、p i =P T在接收端，除了采用SIC比特解码方进行比特检ii其中，C为常数，G c为来自可变速率编码和比特交织的增益。令A为可用发射天线集合，本方案的优化问题可用下式表示：min max BER i (5测，接收机还要根据相应准则确定发射端的发射模式。这些信息被反馈到发射 端，以调整发射端的发射模式。在本文中，忽略反馈信道的传输时延和传输错误。同时满足以下限制条件:Ebii=b T ,Ep=P T (6在系统优化设计中，应尽量保证每个子信道有相同的误码率，否则，误码率最大的子信道将严重破坏系统性能。因此，我们要求：BER i =BER con i =1,M T (7-1.5G c P T图

11、1 MIMO自适应比特编码调制系统框图从(3-(7式，可得到:ln( BER /C <i2 cn(wii(2-1b i与各天线发射模式对应的符号从各个天线同时发射。每帧数据由L个发射符号组构成。每次的发射符号组可视为由M T个符号组成的超符号，第I次的发射超符号可表示为x (I =x 1(1 , , x M T (I 。发射符号经过多径瑞丽平坦衰落信i =arg min为最小化误码率上界，每天线比特数可按如下原则分配Xw1 A21(2b i -1 (9道后，在接收端得到Kr 1的接收信号向量同时，我们可得到每天线的分配功率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证毕。同时，可算得对于平均功率为p i的方形QAM星座图，星座点间的最小欧几里德距离可表示为：d i =6p i 2-1b i不变，J表示多径数目，B表示衰落增益，9 R ,和0 T ,分别表示和第j条路 径相关的到达角及发射角，a R ( 0 R和n是Kr K的aT ( 0 T分别表示阵列舵矢量及阵列响应矢量。2I零均值复高斯噪声向量，且 E (nn H = c n Kr2自适应发射接收机结构设计2.1速率及功率控制发射端发送导频序列，接收端根据接收信息进行信道估计，并计算最佳发射参 数，然

13、后将其反馈回发射端。结论：在满足系统要求的功率及频谱利用率的条件下，这是解码需要用到的重要参数。每天线所分配的比特数及功率b i , P i被反馈到发射端，然后，发射端进行相 应的比特、功率分配及比特交织。1个通过删除码核心速率为1/2的编码器(g=(133, 171被采用，实现可变速率编码，编码序列被按照一定规则放到交织器的不同层中，从交织 器中取出的比特按相应的发射模式映射成发射符号，从不同的天线发射出去。下面 列出发射端可能采用的发射模式：模式 1: rate-1/2+4QAM, b i =2 (无删除比特 模式 2: rate-3/4+16QAM, b i =4 (2 个 删除比特，4

14、个编码比特模式3: rate-5/6+64QAM , b i =6 (4个删除比特,6个编码比特其中的编码比特和删除比特来自交织器的不同层，编码比特映射成发射符号， 而删除比特被丢掉。为使系统误码率最小，发射端的比特、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证明：令I为信道矩阵H (l的列重排矩阵，列的排列顺假序为比特流检测顺序。令第i个数据流的迫零向量为w i，设前i -1个数据流的检测结果均正确，第i 个数据流检测后的信噪比可表示为：p i =P i2<rnw

15、i2(32.2多层空时交织器交织和解交织的主要作用是随机化接收比特，使由于深第i个数据流的比特错误率可表示为V ol. 17 No. 12Dec. 2005唐岚，等：多入多出系统中的自适应比特交织编码调制衰落所导致的错误尽可能的不相关。在单入单出系统中，比特交织器将比特重排主要是为了避免由多径信道的时变特性所导致的突发错误。然而，当错误长度超过解码器所能纠 码的最大长度时，交织将无法提供高编码增益。在 MIMO系统中，我们可利用系 统的空间特性进一步增加系统的抗突发干扰的能力。因此，空时交织器能提供比时 域交织器更好的误码性能。在本文中，通过删除码实现可变速率编码。然而，在快衰落信道中，很难同

16、时 实现动态比特删除和交织。如果比特删除后再交织，当编码比特从交织器中取出 时，信道状态已经变化了，编码模式可能已经不适合于当前的信道状态了。另一方 面，如果交织后进行比特删除，则很难分清删除比特和交织比特，有可能从交织器 里取出被映射为发射符号的比特是应该删除的比特。为了解决这个问题，我们采用多层比特删除交织器。不同于其它自适应系统中 的每个天线一个编码调制器，本方案只使用一个编码器。我们采用速率可兼容的删 除码，每层交织器容纳不同删除位的比特，每个交织器进行独立的比特交织。以3层的交织器为例，如图2所示，第一层交织器包含不被删除的编码比特，第二层交 织器包含与删除模式1对应的删除比特，第三

17、层交织器包含与删除模式 2对应的删 除比特（不包括第二层交织器里的比特）。n =arg min G i j j ?k 1, , k i - 13067 果2中的比特用完，就从3中取，直到所有交织器内的比特被取完。对于一个N层的交织器，就编码发射比特而言，第一层交织器内的比特具有 最高的优先权，其次是第N层交织器，依次递减直至第二层交织器；就删除比特 而言，第二层交织器内的比特具有最高优先权，从第二层到第N层优先权依次减弱。2.3 SIC检测算法对于基于比特编码机制的信道维特比解码，最大似然准则可表示如下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表示在发射超符号中来自第n个发射天线符号的k =i表示第n个发射天线符号的第k个比特的度量值。X (b n第k个比特等于i的超符号集合，ML算法的复杂度将随着调制方式和发射天 线个数的增加而指数增长。采用本文提出的SIC算法可大大降低算法复杂度，SIC检测算法是一个迭代算法，具体算法如下：初始化：计算信道矩阵的广义逆 G仁H (I +, i =1迭代步骤：2(14w n =(G i n (w n为G i的第n个列向量(15H r (I (16 n =w n xn可得第n个发射符号的第k个比特的软判决准根据x图2多层交织器的结构则为8kv n 12

19、<rn(p i x D (x n , k (17设第i个交织器的结构为m i Xi，每个交织器内的比特重排方式定义如下：i =(Lb T x /m i (k mod m i +floor (k /m i ,其中，p可从(3)式得到，D (x n , k可近似表示为一套线性函数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 (?表示不超过括号内参数的最大整数，x表示各个交织器内的比 特占一帧总比特数的百分比。交织器1内的比特是必须映射

20、成发射符号，从各个天线发射出去的；而其他交 织器内的比特可能是发射的编码比特，也可能是被删除的比特。通过这种分层交织 的方式，我们可以实现先比特交织后比特删除的编码方法，从而实现在快衰落信道 中的自适应比特编码调制。通过接收端的反馈信息，适当的编码发射比特和删除比 特从相应的交织器内取出，编码比特通过格林映射映射成不同的发射符号，从各个 天线发射出去，而删除比特则不被发射。以3层交织器为例，如果根据接收端的反馈信息，天线1和2被使用，并分别采则从交织器1内取出10用16QAM和 64QAM的调制方式，比特，分别分配4比特给天线1,分配6比特给天线2,如果交织器1内的编 码比特被取完，就从交织器

21、2中取，并以此类推；同时从交织器 2内取出6比特作 为被删除比特，如n , Q =? (x n。其中，x在自适应系统中，D k (x n , I = ? (x n , x是经过修改的 和d i有关的线性函数：对于 4QAM, D 1(x =4x (19 对于 16QAM, D 1(x =4x , D 2(x =8d i -4x (20 对于 64QAM, D 1(x =4x , D 2(x =16d i -4x ,D 3(x =8d i -4x -4d i (21k转换为二进制序列 通过符号函数将v nn =sgn(v n , k =1, , b i (22k映射为相应符合,将v nk ?n

22、=mapp ing n x (23?n相关的部分,从接收信号中去除与x?n (H n (24 r i +1(1 =r i (l -x3068 V ol. 17 No. 12系统仿真学报Dec. 2005+(25 G i +仁H 图 5 为 b T =10bits/channel use寸，ABICM 系统和 ACM 系统所能 获得的互信息。和图3相比，ABICM和ACM系统的互信息曲线的距离变大，同 时，增加发射天线或接收天线的个数对系统的互信息有更大的影响。图6为b T=10?n表示解码后的编码比特构成的第 n根天线上的发射符号x的估计值。对(14-(25进行迭代运算，直到所有发射比特被3解

23、码。SIC算法的复杂度近似为o (M R，当发射端天线个相比ML算法，数增加，和高进制 QAM调制方式被采用时，复杂度大大降bits/cha nnel use时，系统的误码性能曲线。显然，当系统的传输速率增加时，误码性能会有一定程度的恶化。但 ABICM系统的性能仍明显由于 ACM系统的性图7为b T =10bits/channel use时，ABICM系统在不同交织深度时的误码性能。显然，交织深度越大，系统的误码1520rriRn EMRfriFh 2TK4RXABICM-V* mRXACM* 4BCJRXABICM+ABICM47)(t6RXACM富sn 一鈕匚 匚.?_elu3w-e3?

24、e3仿真结果与分析在本节，主要通过mon te-carlo仿真来评价我们所提出的空时自适应比特编码调制系统的性能。主要考虑在快衰落信道中的系统性能。每帧数据包含540个字节的信息比特。在舵矢量a T ( 9 T，和相应矢量a R ( 9 R中的物理角度的范围分别为?T (- n /6, n /R, & (- n /2, n/2首先，我们比较自适应比特交织编码(ABICM )系统和自适应编码调制系统 (ACM )所能获得的互信息，然后比较在相同条件下系统的误码性能。比特交织 系统所能获得的互信息的表达式如下所示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图3不同天线配置条件下的ABICM系统和ACM系统的互信息其中，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，遍历信道的平均互信息可表示为I ABICM =H I (b入；r |H (27图3比较了不同天线配置条件下ABICM系统和ACM系统所能获得的平均互 信息，即在随机变化的信道条件下的互信息的均值。对于不同的信道条件，发射端 也相应地选择不同的天线和不同调制方式的发射符号。其中，系统的总频带利用率 为b T =8bit

26、s/channel use从图3中，我们可以看出，虽然I BICM总是小于I CM，但曲线间的差别非常小。而且，增加发射天线的个数比增加接收天线的个数 更有利于系统互信息的增加，因为天线选择可以为系统提供额外的增益。将图中 9dB15dB的曲线区域放大，我们可以看到 2发射天线4接收天线的ABICM和 ACM系统的互信息曲线的差别大概是 0.5dB，当发射天线的个数增加到4时，虽 然系统的互信息增加了，但同时两种系统的互信息曲线之间的距离大约增至 1dB。当接收天线的个数增加到6时，系统的互信息略有提高，同时，两系统的互 信息曲线的差别减小为图4不同天线配置条件下的ABICM系统和ACM系统的

27、误码性能(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。虽然比特编码调制系统的互信息略低于编码调制系统的互信息，但从 图4中我们可看出，互信息的轻微损失换来的是系统误码性能的巨大提高。图4为在系统在总频带利用率 b T =8bits/channel use的条件下的误码性能。显 然，相比无比特交织的自适应系统，比特交织系统的误

28、码率曲线斜率更大，表明在 快衰落信道中，比特交织能提供更大的分集增益。图5不同天线配置条件下的ABICM系统和ACM系统的互信息b T = 10bits/cha nnel useV ol. 17 No. 12Dec. 2005唐岚，等：多入多出系统中的自适应比特交织编码调制相比ACM系统获得最大的分集阶数。306910°£1010101u+ 2TX.4RXA0ICM“4 2TX,4RXykCM-G- 4TXl4RX>eiCM G- 4TX.4RX.ACIM 4TX.6RXABICM4TX,BRX>CMi-6810121416mean SNR(dB)4结论在本文中

29、，我们提出一种空时自适应比特交织编码调制方案(ST-ABICM )，以实现在快衰落信道中的动态比特删除编码及比特交织。首先由发射 端发导频信号，接收机根据导频信号估计信道状态信息，计算相应的发射参数，并 将这些参数反馈到发射端。在发射端，编码后的比特流进入多层交织器，交织后的 比特按一定规则从交织器的不同层中被取图6不同天线配置条件下的ABICM系统和ACM系统的误码性能(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。这些比特或映射成符号，或作为删除比特被去掉。最后，接收端采用比特 干扰抑制算法完成比特检测。结果表明ST-ABICM算法用微弱的互信息损失换来了巨大的信噪比增益，在快衰落及 相关信道中均能获得好的性能。参考文献：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.图7 ABICM系统在不同交织深度时的误码性能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