[论文解读] A Low-decoding-complexity, Large coding Gain, Full-rate, Full-diversity STBC for 4 X 2 MIMO System

K. Pavan Srinath, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Jun 11, 2008

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型全速率、全分集空时块码（STBC），适用于4×2 MIMO系统，在保持低解码复杂度（复杂度阶数为M⁵）的同时，相较于现有码本如DjABBA和BHV，提供了更优的编码增益和误码性能。该码基于坐标交织正交设计（CIODs），并通过结构化分解实现高效的球形解码，在QAM调制星座图下，其分集增益与误码率性能均优于以往方法。

ABSTRACT

This paper proposes a low decoding complexity, full-diversity and full-rate space-time block code (STBC) for 4 transmit and 2 receive ($4 imes 2$) multiple-input multiple-output (MIMO) systems. For such systems, the best code known is the DjABBA code and recently, Biglieri, Hong and Viterbo have proposed another STBC (BHV code) which has lower decoding complexity than DjABBA but does not have full-diversity like the DjABBA code. The code proposed in this paper has the same decoding complexity as the BHV code for square QAM constellations but has full-diversity as well. Compared to the best code in the DjABBA family of codes, our code has lower decoding complexity, a better coding gain and hence a better error performance as well. Simulation results confirming these are presented.

研究动机与目标

• 设计一种适用于4×2 MIMO系统的全速率、全分集STBC，其解码复杂度低于现有码本。
• 克服BHV码的局限性，该码虽解码复杂度低于DjABBA，但缺乏全分集特性。
• 在QAM调制星座图下，改进DjABBA码，实现更低的解码复杂度与更优的编码增益。
• 通过结构化实值球形解码降低维度，实现高效的最大似然解码。
• 提供一种在误码率与分集增益方面全面优于所有已知4×2 STBC的码本，适用于QAM信号传输。

提出的方法

• 所提出的STBC采用坐标交织正交设计（CIODs）以确保全分集与全速率特性。
• 码结构允许将解码过程分解为对符号x₅至x₈的8维实值球形解码，随后并行执行四组2维实值球形解码（对应x₁至x₄）。
• 所有复数调制星座图下的解码复杂度降低至O(M⁵)，对于方形QAM亦为O(M⁵)，显著低于DjABBA码（O(M⁷)）与BHV码（方形QAM下为O(M⁶)）。
• 采用矩阵分解方法，将信道矩阵转换为结构化的上三角矩阵R，从而实现高效的串行解码。
• 在变换后的信号模型上应用实值球形解码，利用R的块结构实现符号组的解耦。
• 该方法确保每个符号的实部与虚部被高效处理，仅在符号内部存在交叉耦合，而符号之间无交叉耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种适用于4×2 MIMO系统的全速率、全分集STBC，其解码复杂度低于DjABBA码？
• RQ2 所提出的码是否在性能上优于BHV码（BHV码解码复杂度较低但缺乏全分集）？
• RQ3 能否在保持全分集与全速率的前提下，将所有QAM调制星座图下的解码复杂度降低至O(M⁵)？
• RQ4 是否可通过提升编码增益，实现优于最佳已知DjABBA码的编码字误码率（CER）性能？
• RQ5 由于具备全分集与增强的编码增益，该码是否能在高信噪比（SNR）区域优于现有码本？

主要发现

• 所提出的STBC在4-QAM下最小行列式为0.64，显著高于DjABBA码（0.04）与BHV码（0），表明其具有更优的编码增益。
• 所有复数调制星座图下的解码复杂度为O(M⁵)，低于DjABBA码（O(M⁷)）与BHV码（方形QAM下为O(M⁶)）。
• 在方形QAM调制下，所提码的最坏情况解码复杂度为4M⁵，远低于BHV码的2M⁷，实现显著降低。
• 仿真结果表明，由于具备全分集与更高的编码增益，所提码在高信噪比下优于DjABBA与BHV码。
• 在16-QAM调制下，所提码在高信噪比区域的CER性能优于BHV码，且略优于DjABBA码，验证了其更优的误码性能。
• 该码是目前针对4×2 MIMO系统中QAM调制星座图性能最优的已知STBC，兼具低解码复杂度、全分集、全速率与优异的误码性能。