[论文解读] On Interleaving Techniques for MIMO Channels and Limitations of Bit Interleaved Coded Modulation

D.M. Ionescu, D.N. Doan+1 more|ArXiv.org|Oct 24, 2005

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文提出坐标交织（CI）作为MIMO信道中比特交织编码调制（BICM）的推广，证明在使用最优信号映射时，CI实现的互信息高于BICM。与SISO系统不同，在MIMO系统中，CM与BICM的互信息曲线发生分离，而CI通过跨多根天线对实部与虚部进行协调交织，实现了更优的分集增益和受限容量。

ABSTRACT

It is shown that while the mutual information curves for coded modulation (CM) and bit interleaved coded modulation (BICM) overlap in the case of a single input single output channel, the same is not true in multiple input multiple output (MIMO) channels. A method for mitigating fading in the presence of multiple transmit antennas, named coordinate interleaving (CI), is presented as a generalization of component interleaving for a single transmit antenna. The extent of any advantages of CI over BICM, relative to CM, is analyzed from a mutual information perspective; the analysis is based on an equivalent parallel channel model for CI. Several expressions for mutual information in the presence of CI and multiple transmit and receive antennas are derived. Results show that CI gives higher mutual information compared to that of BICM if proper signal mappings are used. Effects like constellation rotation in the presence of CI are also considered and illustrated; it is shown that constellation rotation can increase the constrained capacity.

研究动机与目标

• 为解决在多输入多输出（MIMO）衰落信道中，BICM无法实现与SISO系统中编码调制（CM）相同的互信息这一局限性。
• 开发一种广义交织技术——坐标交织（CI），将分量交织从单天线系统推广至多天线系统。
• 利用等效并行信道模型，分析CI在MIMO信道中相对于BICM与CM的互信息性能。
• 研究星座旋转对基于CI的MIMO系统受限容量的影响。
• 证明通过坐标级汉明距离控制，CI可实现高于BICM的互信息，从而提升分集增益。

提出的方法

• 提出坐标交织（CI）作为独立交织多根发射天线复符号实部与虚部分量的方法，保持正交性并实现分集增益。
• 将带有CI的MIMO信道建模为等效并行信道，以推导互信息表达式，从而实现与BICM和CM的分析比较。
• 利用条件概率与交织分量的边缘化，推导CI在MIMO系统中的互信息表达式，考虑信噪比与信道状态信息。
• 采用代数数论框架，分析星座旋转对最小坐标级汉明距离与受限容量的影响。
• 考虑非均匀输入分布，推导接收符号、交织分量与信道状态的联合概率表达式，以评估性能。
• 证明当使用合适的信号映射时，CI优于BICM，尤其在结合星座旋转以增强分集增益时。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MIMO信道中，比特交织编码调制（BICM）是否与编码调制（CM）实现相同的互信息，如同在SISO系统中一样？
• RQ2 坐标交织（CI）能否推广至MIMO系统，以在BICM基础上进一步提升分集增益与互信息？
• RQ3 星座旋转如何影响基于CI的MIMO系统的受限容量？
• RQ4 在MIMO衰落信道中，CI相对于BICM与CM的互信息性能如何？
• RQ5 能否通过CI设计控制最小坐标级汉明距离，以增强系统分集增益与可靠性？

主要发现

• 在MIMO信道中，CM与BICM的互信息曲线不再重合，与SISO系统不同，表明BICM在MIMO中为次优。
• 当使用合适的信号映射时，坐标交织（CI）实现的互信息高于BICM，尤其在结合星座旋转时更为显著。
• 通过交织器设计，CI可控制最小坐标级汉明距离，从而在不依赖编码冗余的情况下增强分集增益。
• 在CI存在的情况下，星座旋转通过提升接收端的有效信号分离能力，提高了MIMO系统的受限容量。
• CI的等效并行信道模型可准确推导互信息表达式，证实其在衰落MIMO环境中优于BICM。
• 通过互信息分析，定量证明了CI相对于BICM的性能增益，尤其在非均匀输入分布与衰落条件下。