張麗娜，錢博，馮永新

（沈陽(yáng)理工大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)工程中心，沈陽(yáng)110159）

基于MATLAB/GUI的MIMO通信仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張麗娜，錢博，馮永新?

（沈陽(yáng)理工大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)工程中心，沈陽(yáng)110159）

為滿足采用不同調(diào)制方式和空時(shí)編碼類型的MIMO（Multiple Input Multiple Output）通信的性能分析需求，在深入研究MIMO通信機(jī)理和空時(shí)編譯碼機(jī)理基礎(chǔ)上，基于MATLAB/GUI軟件環(huán)境進(jìn)行MIMO通信仿真軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同參數(shù)條件下MIMO通信系統(tǒng)性能分析的可視化、可交互性。仿真結(jié)果表明DBLAST（Diagonal Bell-Labs Layered Space-Time）在4FSK（Frequency Shift Keying）和QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）調(diào)制方式下性能較優(yōu)，利用設(shè)計(jì)的仿真軟件可對(duì)MIMO通信的參數(shù)優(yōu)化配置提供指導(dǎo)。

多輸入多輸出，空時(shí)編碼，仿真，極大似然，譯碼

0　引言

MIMO技術(shù)是無(wú)線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，該技術(shù)在信道的發(fā)送端和接收端分別采用多天線，將天線陣列處理和空時(shí)編碼技術(shù)相結(jié)合，為不同天線上輸入的信號(hào)引入了空間和時(shí)間的相關(guān)性［1］。MIMO技術(shù)能夠有效地接近無(wú)線通信系統(tǒng)信道容量，利用空間資源來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸率以及增加鏈路的傳輸質(zhì)量［2］。MIMO技術(shù)在4G通信中得到了應(yīng)用，同時(shí)也是5G通信中的核心技術(shù)之一。

目前，文獻(xiàn)［3］研究了MIMO通信中幾種常見空時(shí)編碼類型，并對(duì)其性能進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［4］提出了空時(shí)編碼的一種盲識(shí)別算法，在MIMO盲檢測(cè)方面得到應(yīng)用。由于目前MIMO通信的研究是在正向通信或MIMO檢測(cè)算法分析的基礎(chǔ)上，在軟件仿真設(shè)計(jì)方面有所欠缺，所以更加需要仿真界面的直觀可視化。界面設(shè)計(jì)可以更清晰地體現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的整體過(guò)程，所以基于GUI的軟件設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用工程意義［5］。

本文基于MATLAB/GUI進(jìn)行MIMO通信仿真軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真模型，顯示系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的信號(hào)時(shí)域坐標(biāo)圖，便于觀察MIMO通信過(guò)程，能夠直觀地反映源信號(hào)與接收信號(hào)的差異以及誤碼性能等。

1　MIMO通信機(jī)理研究

MIMO通信過(guò)程框圖如圖1所示。MIMO通信過(guò)程有多根收發(fā)天線，輸入的信息源通過(guò)編碼、調(diào)制等轉(zhuǎn)換成幾路并行的子碼流，通過(guò)不同的發(fā)射天線發(fā)送出去。不同的子碼流同時(shí)同頻帶地發(fā)送，接收方利用不少于發(fā)送天線數(shù)目的天線組進(jìn)行接收。

圖1　MIMO通信過(guò)程框圖

假設(shè)xi（t）代表t時(shí)刻從第i根天線發(fā)射的信號(hào)，對(duì)應(yīng)于該時(shí)間間隔的第j根天線的接收符號(hào)為

其中，i=1，2，…，Nt，j=1，2，…，Nr；hij代表第i根發(fā)射天線和第j根接收天線之間的信道系數(shù)，信道滿足瑞利或者萊斯衰落模型，信道在時(shí)刻t內(nèi)是準(zhǔn)靜態(tài)衰落的，并且不同子信道是相互獨(dú)立的。nj（t）代表t時(shí)刻第j根接收天線上的高斯噪聲。

MIMO通信技術(shù)的譯碼器任務(wù)是根據(jù)多個(gè)接收天線上接收到的信號(hào)進(jìn)行譯碼的過(guò)程，經(jīng)常采用的方法是極大似然譯碼算法。已知hj，i（i=1，2，…，Nt， j=1，2，…，Nr）表示傳輸信道矩陣的估計(jì)，表示在t時(shí)間內(nèi)，第j根接收天線上的信號(hào)，輸出的支路為代表發(fā)射天線i上發(fā)送的信號(hào)，則對(duì)支路的衡量為:

MIMO接收機(jī)的譯碼器根據(jù)判決度量D，選擇式（2）中具有最小分支度量的分支作為譯碼器的輸出，完成接收信號(hào)的譯碼。

空時(shí)編碼是MIMO通信中空時(shí)處理的重要組成部分，空時(shí)編碼利用MIMO通信的多天線特性，大大地提高了MIMO通信容量及其傳輸速率。幾種常用的空時(shí)編碼方式如下:

1）分層空時(shí)碼（Bell-Labs Layered Space-Time，BLAST）的編碼思想是將輸入的符號(hào)序列串并轉(zhuǎn)換成多個(gè)獨(dú)立的星座符號(hào)序列。以兩根發(fā)射天線的DBLAST為例，DBLAST將星座符號(hào)序列按對(duì)角線方式進(jìn)行編碼，編碼方案如圖2所示。

圖2　DBLAST的編碼方案

2）空時(shí)分組碼（Space-Time Block Coding，STBC）是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，編碼器每一次編碼時(shí)都將兩個(gè)星座符號(hào)x1和x2作為一個(gè)分組，并將這個(gè)分組編碼成一個(gè)矩陣，通過(guò)兩個(gè)天線調(diào)制后發(fā)射出去。

式（3）中*代表共軛，4個(gè)數(shù)據(jù)將在兩個(gè)相鄰時(shí)刻內(nèi)通過(guò)兩根天線發(fā)射。

3）空時(shí)格形碼（Space-Time Trellis Coding，STTC）的編碼思想類似于卷積碼，其中存在一個(gè)確定編碼符號(hào)從不同天線元素發(fā)射的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。式（4）為M狀態(tài)的STTC編碼矩陣:

設(shè)經(jīng)過(guò)交織、星座映射后的MIMO星座符號(hào)序列為:

式（5）中，s（t）為t時(shí)刻的星座符號(hào)。根據(jù)STTC編碼規(guī)則，首先通過(guò)輸入數(shù)據(jù)S的相鄰時(shí)刻的兩位數(shù)據(jù)［s（t）s（t+1）］來(lái)選擇編碼矩陣中的元素，被選中的元素對(duì)所在位置為［s（t）s（t+1）］，選擇的元素為［cs（t）s（t+1）（1）cs（t）s（t+1）（2）］。

通過(guò)對(duì)MIMO通信機(jī)理以及空時(shí)編譯碼機(jī)理的研究，可為MIMO通信仿真軟件設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。下面對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證此軟件設(shè)計(jì)的正確性。

2　基于GUI的MIMO通信仿真設(shè)計(jì)

2.1功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)MIMO通信過(guò)程的研究，確立MIMO通信仿真軟件包含的功能如表1所示。在發(fā)送端包括空時(shí)編碼、調(diào)制等仿真軟件功能。經(jīng)過(guò)信道傳輸后，在接收端顯示接收信號(hào)，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，利用估計(jì)的信道信息對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譯碼，界面中使用坐標(biāo)軸、靜態(tài)控件等元素對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。在接收端的最后為誤碼性能分析，空時(shí)編碼性能可以直觀地顯示出來(lái)；文中討論的空時(shí)編碼方式有DBLAST、STBC、STTC，調(diào)制方式有4FSK、QPSK、4QAM，通過(guò)下拉菜單來(lái)選擇編碼類型和調(diào)制方式，功能按鈕來(lái)控制信號(hào)的發(fā)送與接收。

表1　MIMO通信仿真功能

表1中的MIMO通信功能設(shè)計(jì)需要底層m文件支持，并且需要在GUI中對(duì)功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，通過(guò)與界面的結(jié)合實(shí)現(xiàn)表中的功能，對(duì)數(shù)據(jù)、圖形等進(jìn)行顯示。

2.2界面設(shè)計(jì)

用戶界面是用戶和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交流的工具，如果向用戶提供應(yīng)用程序，進(jìn)行某種技術(shù)、方法演示，實(shí)現(xiàn)可視化界面主要有兩種方法:一是通過(guò)編輯M腳本文件產(chǎn)生界面，二是通過(guò)圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE，簡(jiǎn)稱GUI）來(lái)形成相應(yīng)的文件。本文采用GUI來(lái)設(shè)計(jì)MIMO通信仿真軟件，可以使仿真結(jié)果更直觀地展現(xiàn)在用戶面前，MIMO通信界面控件功能如圖3所示。

圖3　MIMO通信仿真軟件GUI界面控件功能框圖

在MATLAB/GUI控制面板中選擇Static Text控件、Axes控件、Push Button控件和Pop-up Menu控件添加到設(shè)計(jì)窗口，并按照MIMO通信的功能設(shè)計(jì)將控件的位置進(jìn)行調(diào)整。各個(gè)控件的作用與表1的功能設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)。

2.3仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在界面設(shè)計(jì)完成之后，需要完成底層m文件的編寫，根據(jù)MIMO通信的功能設(shè)計(jì)，以及在MATLAB/GUI仿真平臺(tái)上的界面設(shè)計(jì)，程序數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。具體的MIMO通信軟件仿真設(shè)計(jì)程序過(guò)程如下所述:

圖4　程序流程圖

Step1:啟動(dòng)MATLAB/GUI，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

Step2:讀取輸入?yún)?shù)，對(duì)MIMO通信中的采樣頻率、訓(xùn)練序列、幀長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行讀??；

Step3:利用下拉菜單的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空時(shí)編碼類型選擇；

Step4:同Step3，對(duì)調(diào)制方式進(jìn)行選擇，發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生；

Step5:在信號(hào)產(chǎn)生后，確定是否按下發(fā)送按鈕，若未按下則跳轉(zhuǎn)到Step2，按下則通過(guò)發(fā)送端的多根天線發(fā)射信號(hào)；

Step6:發(fā)送信號(hào)通過(guò)信道進(jìn)行傳輸；

Step7:信號(hào)傳輸后，需要確定是否進(jìn)行接收信號(hào)，確認(rèn)接收則通過(guò)極大似然對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譯碼，否則跳轉(zhuǎn)到Step6，信號(hào)繼續(xù)發(fā)送；

Step8:對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行極大似然譯碼；

Step9:用戶若更改參數(shù)則跳轉(zhuǎn)到Step3，若停止處理則結(jié)束仿真。

3　仿真分析

在MATLAB/GUI仿真軟件平臺(tái)下對(duì)MIMO通信的性能進(jìn)行驗(yàn)證仿真。經(jīng)過(guò)星座映射后獲得星座符號(hào)數(shù)據(jù)流，用1、i、-1、-i來(lái)表示4種星座位置。具體采用的采樣頻率為100 MHz，載波頻率為10 MHz，信息碼速率為1 MHz，天線數(shù)目為2×2，信道中的信噪比為10 dB。調(diào)制方式和空時(shí)編碼類型可以通過(guò)控制按鈕選擇。首先利用MATLAB/GUI仿真軟件平臺(tái)對(duì)MIMO通信過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖5所示。

圖5　MIMO通信過(guò)程界面仿真

在圖5的界面窗口中，控制面板中包含多個(gè)子模塊的設(shè)定及編碼類型選擇、調(diào)制方式選擇等參數(shù)設(shè)置的功能按鈕。仿真軟件平臺(tái)結(jié)果顯示為數(shù)據(jù)顯示和圖形顯示，數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以看到MIMO通信中部分星座符號(hào)數(shù)據(jù)及譯碼信息，可以清楚地進(jìn)行對(duì)比，更準(zhǔn)確地了解仿真參數(shù)變化；圖形顯示區(qū)域直觀清晰地看到經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制的兩路發(fā)射信號(hào)以及接收到的仿真曲線。利用設(shè)計(jì)的仿真軟件對(duì)不同調(diào)制方式的空時(shí)編碼性能進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6　不同調(diào)制方式下的空時(shí)編碼誤碼性能

從圖6中可以看出，在3種空時(shí)編碼類型下，QPSK調(diào)制方式相對(duì)于4FSK和4QAM的系統(tǒng)性能明顯有較低的誤碼率，其次是4FSK調(diào)制方式，性能較差的是4QAM調(diào)制方式。這正是因?yàn)镼PSK調(diào)制方式具有低誤碼率、高頻帶利用率和抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。例如在圖6（b）中當(dāng)誤碼率為10-1時(shí)，采用QPSK調(diào)制方式比4FSK調(diào)制方式的性能較優(yōu)7 dB，比采用4QAM調(diào)制方式的性能較優(yōu)11 dB。

4　結(jié)論

本文針對(duì)MIMO空時(shí)編碼的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了MATLAB/GUI仿真軟件平臺(tái)，可以為仿真軟件設(shè)計(jì)創(chuàng)造出較好的開發(fā)環(huán)境。借助于這個(gè)仿真軟件平臺(tái)，操作人員可以在較短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)MIMO通信的整體設(shè)計(jì)，能夠清晰地了解MIMO的通信過(guò)程，不需要了解繁瑣的編程代碼，可使系統(tǒng)的時(shí)域分析和性能分析等變得簡(jiǎn)單、直觀。并在利用此軟件對(duì)3種空時(shí)編碼在不同調(diào)制方式下進(jìn)行性能分析，判斷每種空時(shí)編碼在何種調(diào)制方式下性能最優(yōu)。通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證，在2×2收發(fā)天線數(shù)目下，BLAST在4FSK和QPSK調(diào)制方式下性能較優(yōu)，STBC和STTC在QPSK調(diào)制方式下有較低的誤碼傳輸性能。

［1］謝志強(qiáng).MIMO系統(tǒng)中空時(shí)編碼的性能分析［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2013.

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Design and Implementation of MIMO Communication Simulation Software Based on MATLAB GUI

ZHANG Li-na，QIAN Bo，F(xiàn)ENG Yong-xin?
（Shenyang Ligong University，Communication and Network Institution，Shenyang 110159，China）

In order to meet with performance analysis needs of MIMO communication using different modulation mode and space-time coding type，on the basis of further research of MIMO communication mechanism and space-time coding-decoding mechanism，MIMO communication simulation software based on MATLAB/GUI software environment is designed.Further，visualization and interoperability of MIMO communication system performance analysis is realized under the different parameters.Simulation result shows that the performance of DBLAST using 4FSK and QPSK modulation is better，and using the designed simulation software can provide guidance to optimize parameters configuration of MIMO communication.

multiple input multiple output，space-time coding，simulation，maximum likelihood，decoding

TN914

A

1002-0640（2016）06-0137-04

2015-05-05

2015-06-12

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（NECT-11-1013）

張麗娜（1991-），女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生。研究方向：自適應(yīng)信號(hào)處理。

馮永新（?1975-），女，遼寧沈陽(yáng)人，教授，博士。研究方向：擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真。