一種多輸入多輸出變換域通信系統的設計及其抗干擾性能研究

張 軼， 任清華， 褚振勇

(空軍工程大學電訊工程學院，西安 710077)

0 引言

在無線頻譜資源相對匱乏的今天，多輸入多輸出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)無線通信系統已經體現出其優越性。垂直分層空時(Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST)結構作為一種MIMO系統，已經被證明能在瑞利衰落信道中使系統容量隨著收發天線數的最小值呈線性增長［1］。

然而，面對復雜的無線電環境，如何有效地抑制干擾，避免己方通信的互擾，提高己方通信的有效性和可靠性才是急需解決的問題［2］。因此，將變換域通信系統(Transform Domain Communication System，TDCS)引入基于V-BLAST結構的MIMO系統，設計了一種多輸入多輸出變換域通信系統(MIMO-TDCS)，旨在使MIMO系統具備較強的干擾抑制能力。

1 MIMO-TDCS模型

1.1 MIMO信道模型

假設系統發射端有NT根發射天線，接收端有NR根接收天線并能很好地估計出信道狀態信息(Channel State Information，CSI)［3］。收發端采用 V-BLAST 結構，這樣每根天線可以獨立地收發信號。接收端用迫零(Zero Forcing，ZF)檢測法對信號進行處理。

假設發射信號x為NT×1的矩陣，傳輸信道H為NR×NT的矩陣，信道中存在高斯白噪聲n和干擾j，則接受信號y為NR×1的矩陣為

1.2 TDCS收發信機模型

傳統的抗干擾通信系統(如直擴、跳頻)只是在系統的接收端被動地處理干擾，與之不同，TDCS能使收發雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括敵方實施干擾以及己方正使用的頻譜)進行信號的傳輸，從而實現抗干擾［4－5］。其發端、收端的基本工作原理見圖1、圖2。

圖1 TDCS發射機原理框圖Fig.1 Transmitter architecture of TDCS

圖2 TDCS接收機原理框圖Fig.2 Receiver architecture of TDCS

1.3 系統模型［6］

收發信機對電磁環境進行采樣，估計出干擾在變換域中的位置。根據這個估計產生基函數(Basis Function)，基函數與干擾的變換域波形相互正交。利用基函數對發射信號進行M元循環移位鍵控(Cycle Shift Keying，CSK)調制，再對調制信號進行串并變換并通過MIMO信道發射到接收機。接收端先對接收信號進行迫零檢測，目的是為了消除碼間干擾，然后利用接收端基函數解調數據。MIMO-TDCS原理如圖3所示。

圖3 MIMO-TDCS原理框圖Fig.3 Architecture of MIMO-TDCS

2 抗干擾機制

2.1 干擾信號模型［7］

在抗干擾性能分析及仿真中，干擾信號通常建模為離散信號

干擾信號也采用對稱譜，其頻譜可表示為

其中:Jm為頻譜幅度;ejθm為負信號;θm為在［0，2π］上均勻分布的隨機譜相位;NF為干擾信號功率譜矢量的長度。由Jm的不同取值，可以分別得到單音、多音、部分頻帶干擾信號。在單音、多音干擾中，信號的總功率一致且功率平均分配，而部分頻帶干擾各頻率分量的功率并不一致。

2.2 抗干擾原理［8］

收發信機使用自己產生的基函數進行調制解調。由于基函數與通信信道中的所有干擾在變換域中是正交的，因此信號在傳輸過程中不會受到干擾影響，所以TDCS是一種主動式干擾躲避系統。

圖4 頻譜估計及幅度譜成型Fig.4 Estimated spectrum and spectrum magnitude shape

抗干擾的基本實現過程是:動態地在給定的系統帶寬內對電磁環境進行采樣，并在變換域對采樣信號進行譜估計。圖4a描述了一個代表性的環境譜估計結果，其中有3個單音干擾(或其他窄帶用戶)。將估計得到的幅度譜向量A(ω)與一選定的門限相比較，確定系統帶寬內哪些譜已被干擾，哪些譜未被干擾可以用于信號傳輸。通過特定的閾值處理把干擾有效抑制后，得到“純凈”的幅度譜向量A′(ω)(即不存在干擾譜或正在被占用的譜)，這個過程稱為幅度譜成型(Spectrum Magnitude Shape)。

圖4b為一成型后的幅度譜A′(ω)。將向量A′(ω)與隨機相位映射器(random phase map)產生的等長度的復隨機相位向量 ejθ(ω)做數量積得到 Bb(ω)，目的是為了給每個可用頻點加載一個隨機相位，使時域通信信號具有類似噪聲的特性，以便于后面的數據調制、多用戶接入以及系統LPI特性的實現。再進行幅度調整(magnitude scale)以保證有一定的發射功率，得到基函數的頻域形式B(ω)

式中:C為幅度調整因子。最后通過逆傅里葉變換得到基函數的時域形式

現有的TDCS系統都假定發射機和接收機處在相同的電磁環境中，因此得到的譜估計是相同的。然而，由于譜估計是在不同幾何位置上獨立進行的，因此估計一般都不會完全相同，這將會影響系統的傳輸性能，導致檢測信噪比降低，增加誤碼率。一種解決辦法是在發射機和接收機之間建立專門的反饋信道，這條信道被用來傳送接收機的頻譜環境信息和前向鏈路性能給發射機［9］;另一種是建立控制信道，即信令傳輸信道，用來將發射機產生的基函數信息傳送到接收端［10］。

3 仿真結果及分析

在Matlab仿真平臺里，傳輸信號經過二元CSK調制后從每根天線獨立地發送出去，并在信道中受到3種窄帶干擾:單音干擾、多音干擾(7個)和30%部分頻帶干擾。信噪比(SNR)為6 dB，干信比(J/S)變化范圍是0～10 dB，信道為瑞利衰落信道。假設發射端不知道信道狀態信息，這樣總的發射功率將被平均分配到每根發射天線上。仿真采取兩發兩收(2×2)和四發四收(4×4)這兩種MIMO-TDCS模型，并與傳統MIMO系統在有干擾、無干擾兩種情況下作性能比較。不同窄帶干擾下的誤碼率如圖5～圖7所示。

圖5 單音干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.5 The BER of MIMO-TDCS under single-tone interference

通過仿真結果可以看到，傳統MIMO系統由于沒有采用抗干擾機制，在受到干擾影響時誤碼率隨著干信比增大而顯著增加;而MIMO-TDCS的收發端利用變換域技術抑制干擾，因此無論面對單音、多音還是30%部分頻帶干擾，誤碼率性能與理論值基本保持一致，即使干信比為10 dB，誤碼率的增加也不到1‰;2×2收發系統的誤碼率性能要略好于4×4系統，這是由于不同數目的天線的分集度不同所造成的，與傳統采用V-BLAST結構的MIMO系統的結果類似［11］。

圖6 多音干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.6 The BER of MIMO-TDCS under

圖7 30%部分頻帶干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.7 The BER of MIMO-TDCS under 30%partial-band interference

4 結論

為了解決傳統MIMO系統無法有效解決信號的抗干擾問題，設計了一種基于V-BLAST結構的多輸入多輸出變換域通信系統。通過軟件仿真和結果分析，MIMO-TDCS可以有效地抑制窄帶干擾，使傳輸信號的誤碼率性能較傳統MIMO系統有很大的改善，因此驗證了MIMO-TDCS是一種有效應對窄帶干擾的通信系統。

本文尚有許多不足之處，仍要做的工作有:1)對MIMO-TDCS的理論可行性作更深層次的探討;2)MIMO-TDCS應對非平穩干擾(如掃頻干擾)時的信號處理問題;3)收發電磁環境不一致時的可靠傳輸問題。

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