姜筱彤（通訊作者），高 歡，李日淼，劉世順，李 萍

（大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 大連 116034）

1 引言

MIMO技術(shù)是通過(guò)在發(fā)射和接收端連接多個(gè)天線來(lái)阻抑信道間衰落[1]，能夠加倍地增加整個(gè)系統(tǒng)的信道容量與性能。OFDM技術(shù)可以有效地降低無(wú)線通信傳輸過(guò)程中遇到的衰落[2]，干擾和噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，從而大范圍提升無(wú)線通信系統(tǒng)中信道容量與傳輸速度。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快,用戶對(duì)通訊數(shù)據(jù)的傳輸速度和系統(tǒng)性能要求逐漸變得嚴(yán)格起來(lái),因此如何在無(wú)線通信中將系統(tǒng)性能和信道容量提升變得愈發(fā)重要[3]。MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合能夠提升系統(tǒng)頻譜利用率和容量，多個(gè)平坦的衰落子信道中能抑制干擾和改善信道的衰落。本文對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，在MATLAB軟件的Simulink庫(kù)仿真MIMO-OFDM系統(tǒng)，研究系統(tǒng)的誤碼性能。

2 OFDM技術(shù)原理

正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是多載波調(diào)制技術(shù)的一個(gè)分支，基本實(shí)現(xiàn)方法通過(guò)把高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗦废鄬?duì)低速并行子數(shù)據(jù)流然后把調(diào)制后的數(shù)據(jù)放到每一個(gè)子信道中傳輸，從而使符號(hào)脈沖寬度增大，整個(gè)系統(tǒng)的抗多徑衰落性能得到了提升。為了防止出現(xiàn)載波間干擾（ICI）,即為子信道之間的相互干預(yù)，接收端使用相應(yīng)的技術(shù)把正交信號(hào)分離。假設(shè)每一個(gè)子信道為平坦信道，子信道信號(hào)帶寬比相關(guān)帶寬小能使符號(hào)間干擾(ISI)降低[4]。由于每個(gè)子信道信號(hào)帶寬為原始信號(hào)帶寬的其中一部分，信道間的均衡總的來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單些。

OFDM技術(shù)減小和消除碼之間串?dāng)_是為了抑制信道頻率選擇性衰落，基本原理為把信號(hào)分成的N個(gè)子信號(hào)調(diào)制到相互正交的次載波上，由于次載波頻譜重疊進(jìn)而頻譜效率也會(huì)得到提升[5]。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理框圖Figure1.Schematicdiagram of OFDM system

發(fā)射端是由串并變換和映射組成的，通過(guò)串并變換的方法將信息序列轉(zhuǎn)變?yōu)镹個(gè)并行的符號(hào),在每個(gè)分支路單獨(dú)調(diào)制后并行的符號(hào)合成N個(gè)不一樣的次載波信號(hào)。由多個(gè)次載波信號(hào)合成的OFDM也被稱為頻分復(fù)用方式。一個(gè)OFDM符號(hào)用數(shù)學(xué)方式表達(dá)可以表示為：

3 MIMO-OFDM系統(tǒng)

MIMO的主要技術(shù)是空時(shí)編碼技術(shù)，可以大大提升整個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)的信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)也可以降低系統(tǒng)的頻譜效率與功耗。

MIMO技術(shù)是在發(fā)射與接收兩端采用若干個(gè)天線，即使傳輸速率得到了很大的提升但帶寬沒(méi)有增大。它能夠通過(guò)多個(gè)天線抑制信道的衰落。多變量系統(tǒng)（MIMO）和傳統(tǒng)的單變量系統(tǒng)（SISO）相比，還包括單輸入多輸出系統(tǒng)（SIMO）和多輸入單輸出系統(tǒng)（MISO）。輸入的信息流通過(guò)空時(shí)編碼技術(shù)轉(zhuǎn)變成N個(gè)信息子流，發(fā)送端的N個(gè)天線將信息子流發(fā)送到自由空間信道后由接收端的M個(gè)天線接收[6]。MIMO技術(shù)因?yàn)槔每諘r(shí)編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)子流區(qū)分和解碼，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行最佳處理。

MIMO系統(tǒng)在具備抗多徑衰落優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也存在多徑干擾的頻率響應(yīng)呈現(xiàn)周期性衰落的缺陷，而OFDM的總帶寬能夠分成無(wú)數(shù)個(gè)窄帶子載波，剛好能夠彌補(bǔ)MIMO技術(shù)的缺陷。在無(wú)線通信系統(tǒng)中系統(tǒng)的傳輸速度隨著OFDM載波數(shù)的增大而提升,但同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)增大帶寬也會(huì)被占用。MIMO技術(shù)則能在不加大帶寬的同時(shí)得到更多信道容量，系統(tǒng)的容量與頻譜效率增大了一倍，它是使空間資源轉(zhuǎn)換成頻譜資源[7]。兩個(gè)技術(shù)的結(jié)合能夠使系統(tǒng)頻譜利用率和容量得到提高，多個(gè)平坦的衰落子信道中能抑制干擾和改善信道的衰落。圖2為MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖。

圖2 STBC-OFDM系統(tǒng)框圖Figure 2. block diagram of STBC-OFDM system

4 空時(shí)編碼技術(shù)

空時(shí)編碼技術(shù)(STC)能夠?qū)崿F(xiàn)空分多址從而提高信道容量?？諘r(shí)編碼技術(shù)的運(yùn)用是使系統(tǒng)得到最大正交發(fā)射天線分集，保證信道流量不變并且誤碼率降低。通常它分為空時(shí)格碼(STTC)和空時(shí)分組碼(STBC)。而空時(shí)格碼的傳輸速率增大，它的譯碼復(fù)雜度也會(huì)越來(lái)越高，因此本文討論的內(nèi)容主要是空時(shí)分組碼。在1998年Alamouti為了降低譯碼的難度，提出兩發(fā)兩收天線的傳輸方式，譯碼難度遠(yuǎn)低于空時(shí)格碼且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，所以稱之為Alamouti碼。

Alamouti碼的碼字每行每列必須彼此正交因此接收端采用最簡(jiǎn)易的線性解碼就能還原信號(hào)，接收端解碼部分利用最大概似估計(jì)（ML）檢測(cè)算法。圖3是Alamouti空時(shí)編碼發(fā)送端原理框圖。

圖3 Alamouti空時(shí)編碼發(fā)送端原理框圖Figure 3. schematic diagram of Alamouti space-time code sending end

假設(shè)在調(diào)制的方案中使用M進(jìn)制調(diào)制。那么在整個(gè)方案中首先信息源將信號(hào)傳出，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制后信號(hào)x1和x2分為一組，按照空時(shí)碼字矩陣對(duì)其編碼。

并且整個(gè)系統(tǒng)的平均傳輸速率為1，信道容量并沒(méi)有因此而降低。

在接收端使用極大似然譯碼作為譯碼方式，解碼準(zhǔn)則為：

圖4為接收端原理框圖。

圖4 空時(shí)編碼接收端原理框圖Figure 4. schematic diagram of space-time code receiver

5 仿真研究

5.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)創(chuàng)建好的可見(jiàn)光通信MIMO-OFDM系統(tǒng)的模型，用MATLAB軟件內(nèi)Simulink器件庫(kù)搭建好整個(gè)系統(tǒng)然后對(duì)其仿真，分析其性能。在仿真的整個(gè)過(guò)程中均是無(wú)線通信環(huán)境下?，F(xiàn)對(duì)各參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)的工作頻率為4.6GHZ，OFDM次載波數(shù)為48個(gè)，調(diào)制方式采用8PSK，信道編碼為RS碼，保護(hù)間隔是800ns，仿真系統(tǒng)為多徑信道模型，系統(tǒng)的編碼方式是空時(shí)分組碼，極大似然判決法作為解碼時(shí)的算法。

5.2 仿真分析

（1）為研究調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，現(xiàn)對(duì)22STBC-OFDM系統(tǒng)仿真，考察其性能結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)誤碼性能影響Figure 5. effect of different modulation modes on the system error performance

根據(jù)圖5可以看出雖然8PSK調(diào)制方式的系統(tǒng)誤碼率最高但傳輸速率最快，BPSK的系統(tǒng)誤碼率是最低的，QPSK次之。從結(jié)果中可以看出系統(tǒng)的誤碼性能會(huì)隨著整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量上升而降低。

（2）在高斯信道環(huán)境下對(duì)單OFDM系統(tǒng)與與STBCOFDM系統(tǒng)仿真。由圖6中的結(jié)果可以得出高斯信道環(huán)境中系統(tǒng)的誤碼性能差距明顯，盡管兩個(gè)系統(tǒng)在信噪比逐漸變大的同時(shí)誤碼率均有所減小，但同時(shí)在誤碼率為10-2時(shí)，MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能明顯好過(guò)單OFDM系統(tǒng)3dB。由此可以看出與單OFDM系統(tǒng)相比,STBC-OFDM系統(tǒng)的整體性能得到了提升。

圖6 MIMO-OFDM系統(tǒng)與單OFDM系統(tǒng)誤碼性能比較Figure 6. comparison of MIMO-OFDM system and single OFDM system error performance

（3）在確定了信道環(huán)境與調(diào)制方式一致的情況下，改變MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射和接收天線的數(shù)量并對(duì)其進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同天線數(shù)誤碼率比較Figure 7.comparison of bit error rates of different antennas

從仿真結(jié)果看出，調(diào)制方式和信道環(huán)境相同情況下，42 STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于21 STBC-OFDM系統(tǒng)，因此可以得出在發(fā)射天線數(shù)量不變的條件下，隨著接收天線數(shù)量的不斷增加系統(tǒng)誤碼性能也隨著降低。四發(fā)射天線SIBC-OFDM系統(tǒng)整體性能優(yōu)于兩個(gè)發(fā)射天線STBC-OFDM系統(tǒng)，由此可以得出在接收天線數(shù)一定時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率隨著發(fā)射天線數(shù)量增大而降低。分集能夠隨著發(fā)射天線數(shù)量的增大而有效的增大同時(shí)抗多徑時(shí)延能力增大系統(tǒng)的誤碼性能會(huì)下降。

由此得到信噪比斜率隨著分?jǐn)?shù)級(jí)數(shù)的增大而增大，即發(fā)射與接收的天線個(gè)數(shù)越大信噪比斜率越大，雖然系統(tǒng)的誤碼率會(huì)隨著發(fā)射和接收天線的增加而降低，但隨之成本和系統(tǒng)搭建復(fù)雜程度也會(huì)變高。在STBC-OFDM中兩發(fā)系統(tǒng)編碼速率為1，四發(fā)系統(tǒng)為1/2因此兩發(fā)系統(tǒng)傳輸速率比四發(fā)系統(tǒng)高，在實(shí)際應(yīng)用中并不是天線數(shù)越多越好，應(yīng)根據(jù)情況再確定天線數(shù)量。

（4）在整個(gè)仿真過(guò)程中，假設(shè)接收端已知信道衰落的參數(shù)且每個(gè)發(fā)射和接收天線的衰落均為獨(dú)立。圖8是RS碼對(duì)系統(tǒng)誤碼性能影響的結(jié)果圖。

圖8 MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能Figure 8.MIMO-OFDM system error performance

通過(guò)結(jié)果圖8所示，理想衰落信道環(huán)境使用RS編碼后的22MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能得到了非常大的提升，當(dāng)信噪比是17dB的時(shí)候可以看到系統(tǒng)的BER在以下。

（5）現(xiàn)對(duì)仿真的參數(shù)進(jìn)行改變，OFDM子載波數(shù)是64，保護(hù)間隔是8，不使用卷積編碼與交織。對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)和STBC-OFDM系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果為圖9。

圖9 STBC對(duì)系統(tǒng)性能影響Figure9.impactof STBCon system performance

從圖9能夠看出STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于MIMOOFDM系統(tǒng)誤碼率。因此在MIMO-OFDM系統(tǒng)中添加空時(shí)編碼技術(shù)可以提升系統(tǒng)的誤碼性能。

6 結(jié)語(yǔ)

由于無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)于通信數(shù)據(jù)的傳輸速度要求也有了一定的提高。MIMO-OFDM系統(tǒng)可以改善在可見(jiàn)光通信中存在的兩大難題：多徑信道衰落與帶寬效率的提升。本文通過(guò)對(duì)OFDM技術(shù)、MIMO-OFDM系統(tǒng)和STBC的原理闡述，在MATLAB軟件搭建STBC-OFDM系統(tǒng)后仿真。結(jié)果顯示系統(tǒng)的誤碼性能會(huì)隨著整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量上升而降低，因此在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中可以利用不同的信道估計(jì)算法改善系統(tǒng)性能；STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于單OFDM系統(tǒng)；系統(tǒng)的誤碼率隨著分集級(jí)數(shù)的增加而降低，實(shí)際應(yīng)用中不是使用越多天線越好應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇天線數(shù)量；MIMO-OFDM系統(tǒng)在理想衰落信道環(huán)境中使用RS編碼能夠使系統(tǒng)的誤碼性能得到提升；MIMO-OFDM系統(tǒng)中添加空時(shí)編碼技術(shù)可以提高系統(tǒng)的誤碼性能。