[论文解读] Low ML-Decoding Complexity, Large Coding Gain, Full-Rate, Full-Diversity STBCs for 2 X 2 and 4 X 2 MIMO Systems

K. Pavan Srinath, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Sep 3, 2008

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新型全速率、全分集空时块编码（STBC），适用于2×2和4×2 MIMO系统，显著降低了最大似然（ML）译码复杂度，同时保持或提升了编码增益。对于2×2 MIMO，所提编码将ML复杂度从黄金码的M⁴降低至平方QAM的M²√M和一般QAM的M³，性能与黄金码相当但复杂度更低。对于4×2 MIMO，新编码在编码增益方面优于DjABBA码，且将ML复杂度从M⁷降低至M⁵，在高信噪比下表现出更优的误码性能。

ABSTRACT

This paper (Part of the content of this manuscript has been accepted for presentation in IEEE Globecom 2008, to be held in New Orleans) deals with low maximum likelihood (ML) decoding complexity, full-rate and full-diversity space-time block codes (STBCs), which also offer large coding gain, for the 2 transmit antenna, 2 receive antenna ($2 imes 2$) and the 4 transmit antenna, 2 receive antenna ($4 imes 2$) MIMO systems. Presently, the best known STBC for the $2 imes2$ system is the Golden code and that for the $4 imes2$ system is the DjABBA code. Following the approach by Biglieri, Hong and Viterbo, a new STBC is presented in this paper for the $2 imes 2$ system. This code matches the Golden code in performance and ML-decoding complexity for square QAM constellations while it has lower ML-decoding complexity with the same performance for non-rectangular QAM constellations. This code is also shown to be \emph{information-lossless} and \emph{diversity-multiplexing gain} (DMG) tradeoff optimal. This design procedure is then extended to the $4 imes 2$ system and a code, which outperforms the DjABBA code for QAM constellations with lower ML-decoding complexity, is presented. So far, the Golden code has been reported to have an ML-decoding complexity of the order of $M^4$ for square QAM of size $M$. In this paper, a scheme that reduces its ML-decoding complexity to $M^2\sqrt{M}$ is presented.

研究动机与目标

• 设计适用于2×2和4×2 MIMO系统的全速率、全分集STBC，以降低ML译码复杂度。
• 与现有最先进编码（如黄金码和DjABBA码）相比，保持或提升编码增益。
• 在不损失分集增益或码率的前提下，实现简化的ML译码。
• 通过基于权矩阵和星座整形的系统化方法，将2×2的设计方法扩展至4×2 MIMO。
• 证明在非矩形及正方形QAM调制下，可实现更低的ML复杂度且不造成性能损失。

提出的方法

• 采用受Biglieri、Hong和Viterbo启发的新设计方法，通过优化权矩阵构造出ML译码复杂度更低的2×2 STBC。
• 所提2×2编码在一般QAM下实现M³复杂度，在正方形QAM下实现M²√M复杂度，显著低于黄金码的M⁴复杂度。
• 对于4×2 MIMO，该方法被扩展以设计出ML复杂度为M⁵的编码，低于DjABBA码的M⁷复杂度。
• 所设计编码确保无信息损失，并在分集-复 multiplexing gain（DMG）权衡上达到最优，保证全分集和高谱效率。
• 通过穷举搜索计算4-QAM和16-QAM的最小行列式，以确保较大的编码增益，同时对所有编码进行平均码字能量归一化。
• 在瑞利衰落信道下，使用4-QAM和16-QAM调制星座，通过码字误码率（CER）评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种2×2 MIMO的全速率、全分集STBC，其ML译码复杂度低于黄金码，同时保持相同性能？
• RQ2 能否在4×2 MIMO系统中将ML译码复杂度降低至M⁷以下，同时实现优于DjABBA码的编码增益？
• RQ3 2×2 MIMO中全速率、全分集STBC的最低可实现ML译码复杂度是多少？是否可对所有调制方式实现M²复杂度？
• RQ4 该设计方法能否推广至2^a个发射天线（a > 2）？其复杂度与码率之间的权衡如何？
• RQ5 能否为4×2 MIMO构造一种两组可译码的STBC，实现M⁴译码复杂度、全速率与全分集？

主要发现

• 所提2×2 STBC在正方形QAM下将ML译码复杂度降低至M²√M，相比黄金码的M⁴复杂度有显著改进。
• 对于一般QAM调制，2×2编码实现M³译码复杂度，低于黄金码的M⁴，同时保持相同的编码增益和性能。
• 4×2 STBC在高信噪比下的码字误码率性能优于DjABBA码，16-QAM下最小行列式为10.24，是DjABBA码的两倍。
• 4×2编码将ML译码复杂度从DjABBA码的M⁷降低至M⁵，显著降低了实际译码复杂度。
• 所提编码为无信息损失且DMG权衡最优，确保全分集和高谱效率。
• 穷举搜索证实，4×2编码在16-QAM下的最小行列式为10.24，表明其编码增益优于DjABBA码和BHV码。