基于MSK與MIMO技術的高速移動通信圖像傳輸系統性能研究

辛 秀 方澤凱 楊芷華

（五邑大學信息工程學院，廣東 江門529020）

0 引言

近來，由于高速交通工具的發展，人們對在享用快速交通的同時又可實時的觀看圖像視頻資料有了很大的需求。

在高速移動通信系統中的關鍵技術之一是調制技術。MSK調制技術是最小頻移鍵控(MSK,Minimum Shift Keying)調制技術。MSK調制信號與其他調制信號相比較，具有信號功率譜密度集中、頻帶利用率很高、頻帶較窄等優點。采用很包絡與“1”碼及“0”碼的信號波形正交，有利于構成最佳接收系統來降低誤碼率[1]。高速移動通信系統的另一關鍵技術之一是MIMO(multiple input multiple output)技術.采用MIMO技術可以提高系統容量、可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者利用MIMO信道提供的空間分集增益[2]。

由于無線通信系統在高速移動的條件下，有多普勒頻移等復雜因素影響系統通信質量，而與高速移動系統相適應的調制與MIMO技術是提高通信系統的方案之一。為了獲得MSK和MIMO技術在高速移動通信系統的優點，本文設計了基于MSK與MIMO技術的高速移動圖像傳輸通信系統，并對該系統通過仿真實驗，獲得圖像傳輸的性能結果。

1 系統原理

1.1 基于MSK與MIMO技術的高速移動通信圖像傳輸系統模型

圖1 基于MSK與MIMO技術高速移動通信系統方框圖

圖1所示為基于MSK與MIMO技術高速移動通信系統方框圖，在該MIMO系統中有發信與收信天線Mt，Mr根。發信端將信源數據流進行MSK調制獲得符號流=(s1s2…sMt)，在經過串并轉換形成發射向量X=[s1s2…sMt]T。接收端通過信道接收到的信號為：

式（1）中，Y，n均為Mr維列向量。Y=[y1y2…yMr]，n=[n1n2…nMr]，ni(i∈{1,2,…Mr})是復高斯隨機變量ni∈CN(0,σ2)；H為Mr×Mt的信道增益矩陣：

1.2 MIMO高速移動信道模型設計

如圖2所示，為一基站與高速移動用戶。移動用戶配置有Mr根接收天線，基站有Mt根發射天線，該用戶與基站進行通信。基站小區半徑為R，基站到用戶運行方向的最小距離為dmin，移動用戶的行進距離為dm。現基站有Mt根發射天線，基站與用戶水平運動方向夾角，為φ[3]。

圖2 基站與高速移動用戶相對位置

現假設有一用戶收機接收信號，基站天線間的信道增益相關，hij是H中的第j行第i列的元素，表示從基站的發射天線i到接收天線j的信道萊斯衰落；

其中Kj表示基站到接收天線之間的物理信道的萊斯因子。夾角計算公式如下：

其中d表示兩發射天線間距不大于半波長，fc表示載波頻率。c為光速，bji(t)服從N(0,1)，即為bji(t)～CN(0,1)，φ表示的是基站與水平方向的夾角，計算公式為：

1.3 MSK調制

MSK調制是用基帶信號對載波的頻率進行鍵控使得調制信號的相位連續、包絡恒定并且占用帶寬最小的二進制調制方式[4-5]。

MSK調制器可以分解為一個卷積碼編碼器（稱為相位編碼器D）和一個無記憶波形映射[6]，如圖4為兩種經典的MSK編碼調制。其中調制器的輸入為二進制碼元，相位編碼器的輸出為二元(a,b)，其中a,b∈{0,1}。“MSK映射1”的映射準則為：

“MSK映射2”的映射準則為：

圖3 兩種經典的MSK編碼調制

1.4 維特比判決譯碼

維特比判決是一種基于最大似然序列檢測（MLSD,Maximum likelihood sequence detection）的順序網格搜索算法，MLSD算法通過最小歐氏距離的路徑進行符號判決。最大似然檢測準則為：

維特比算法譯碼是根據網格圖搜索路徑，在每一級搜索各路徑時，計算歐氏距離，然后保留最小路徑，這樣每一次搜索路徑的數量會減小一半，降低了運算量。維特比判決法在搜索最小路徑時,充分利用了MSK信號前后碼元間的相關性,一定程度上提高了誤碼性能。

2 仿真實驗

假設實驗條件為Mr=2，Mt=2，其中載波頻率fc=2GHz，萊斯因子k=6，最小距離dmin=30m，基站半徑R=3Km，用戶運行速度v=360Km/h，測量周期設定為Ts=500ms。

圖4 誤碼性能曲線

分別采用MSK調制、BPSK調制和QPSK調制（采用QPSK調制時，兩根天線發的符號相同），通過仿真實驗，比較三種調制方式的誤碼曲線。從圖4可以看出在發送同比特的情況下，MSK調制的抗干擾性能優于QPSK和BPSK，提高了系統的傳輸性能，降低了誤碼率。在誤碼率為10-4時，采用MSK調制方式比BPSK調制方式的通信系統有6dB的增益。

圖5左是原圖像和在信噪比snr=4的情況下，分別采用MSK，QPSK，BPSK調制后的圖像，可以看到采用MSK調制的圖像清晰度明顯高于BPSK調制與QPSK調制。

圖5右是snr=14的情況下，分別采用MSK，QPSK，BPSK調制后的圖像。MSK的圖像最清晰，抗干擾性最強。并且MSK調制在snr=14比snr=4的圖片效果好很多。

圖5 SNR=4.0dB（左）與SNR=14.0dB（右）接收到的圖片效果比較

3 結論

高速移動通信系統中，由于高速移動而產生多普勒頻移等一系列復雜因素，嚴重影響通信系統的通信質量，然而采用MIMO技術和MSK技術能使系統獲得很好通信效果，因此對MSK技術和MIMO技術的研究很有必要。

為了提高高速移動通信的通信質量，本文設計了一個基于MSK和MIMO技術的高速移動通信圖片傳輸系統并對其進行了仿真實驗。實驗結果表明，采用MSK和MIMO技術在整體上提高了系統的傳輸性能，降低了誤碼率，并改善了傳輸圖片的質量，使整個通信系統具有較強的抗干擾能力。

［1］吉利萍.MSK調制技術研究[J].電腦知識與技術,2009,5(18).

［2］Telatar E.Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].European transactions on telecommunications,1999,10(6)：585-595.

［3］Cheng M,Fang X.Location information-assisted opportunistic beamforming in LTE system for high-speed railway [J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2012,2012(1)：1-7.

［4］樊昌信.曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業出版社,2008.

［5］Anderson J B,Offer E.Reduced-state sequence detection with convolutional codes[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1994,40(3)：965-972.

［6］Rimoldi B E.A decomposition approach to CPM[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1988,34(2)：260-270.