MIMO技術在船舶通信平臺的技術研究及仿真

王紅梅

(廣東科學技術職業學院， 廣東 珠海 519090)

MIMO技術在船舶通信平臺的技術研究及仿真

王紅梅

(廣東科學技術職業學院， 廣東 珠海 519090)

摘要：在現有的船舶通信平臺中，多輸入輸出系統(MIMO)平臺已經得到廣泛研究。但是在船舶MIMO通信系統中，由于海面噪聲及多徑干擾的影響，利用基于陸面無線通信的一些技術，如頻分復用、多進制相移調制調解技術以及傳統的信道編解碼并不能滿足通信系統對容錯性能的要求。本文在研究了現有的MIMO通信系統的基礎上，設計了一個兩發射天線的MIMO船舶通信平臺，通過特定的時空及信道編碼及正交頻分復用技術，較好地解決了海面噪聲及多徑干擾問題。

關鍵詞：頻分復用技術；空時編碼；MIMO

0引言

MIMO通信平臺在發射端和接收端部署了多個天線，同一時刻進行傳輸多路信號的發射和接收。在傳輸信道中，利用了多路信號的疊加原理，使之能夠在同一頻帶中傳輸。在不增加頻譜資源的同時，有效地增加了整個通信系統容量；同時，利用多路信號的統計獨立性以及正交復用技術，最終接收信號的信噪比并沒有增加，通信質量能夠滿足現代通信系統的要求。

在船舶通信平臺中，由于海面噪聲及多徑干擾的影響，其利用陸面MIMO通信系統中的一些技術，如Huffman時空編碼、卷積信道編碼已經不能滿足通信系統的性能要求。這就要求針對特定環境下的海面通信MIMO通信系統進行研究。

本文在研究了海面通信系統的基礎上，設計了一種利用Alamouti時空編碼、RS信道編碼的正交頻分復用MIMO通信平臺。最后通過Matlab進行仿真，結果表明該系統具有較好的信噪比，在海面通信系統中有較好的利用價值。

1MIMO通信系統及編碼技術

1.1　MIMO通信系統模型

圖1　MIMO通信系統模型Fig.1　The structure of MIMO communication system

MIMO通信系統原理如圖1所示。圖中，MIMO通信系統的發射端有Nt個發射天線，其發射信號用xi(i=1,2,…Nt)表示；接收端有Nr個接收天線，其接收信號用ri(i=1,2,…Nr)表示；MIMO通信信道矩陣用H表示，其中元素hij為第i個發射天線至第j個接收天線的信道衰減系數。接收信號有如下表達式：

(1)

式中ni為i個發射天線信號xi混入的噪聲，且噪聲均值為0的高斯計量并且與本身的信號不相關聯。

1.2　Alamouti時空編碼

時空編碼是隨著近代無線通信技術發展起來的一種編碼技術，作為無線通信系統中抗多徑衰落一種主要技術得到快速發展。在海面信號傳輸中，其多徑傳輸穩定性較差，這里選取了Alamouti方案進行編碼，利用最大似然估計實現MIMO通信系統的分集增益、一定程度緩解了海面通信系統的多徑干擾。Alamouti編碼模型如圖2所示。

圖2　Alamouti編碼模型Fig.2　The structure of Alamouti space time coding

(2)

(3)

Alamouti編碼利用最大似然估計，則編碼后經過MPSK調制信號，具有如下判斷準則：

(4)

2海面MIMO正交頻分復用通信平臺

2.1　正交頻分復用-OFDM數學模型

在MIMO無線通信傳輸系統中，信號在多徑信道中傳播會引起在時域及頻域的衰落拓展性。如果周期信號時長小于相干時間，并且各信號之間正交，則多徑衰落影響最小。

完整的OFDM系統包括通信技術中的調制調解、載波數、調制復用后信號周期帶寬、信號采集周期以及頻域變化。OFDM系統將多徑信道映射為相應的互補關聯的正交子信道，將MIMO天線發射的信號調制到這些正交子信道中，而接收天線無需對重疊信號進行分離，只需要利用DFT(離散傅里葉變換)及IDFT(離散傅里葉逆變換)對信號進行解析，很大程度降低了接收系統的復雜度。完整的正交頻分復用通信系統如圖3所示。

圖3　正交頻分復用通信系統結構圖Fig.3　The structure of orthogonal frequency division multiplexing　communication system

設MIMO天線攜帶的信號符號周期Ts，基帶信號符號時長寬B，符號傳輸速度R， 信號在信道中傳輸延遲時間Δm>Ts。圖3所示，將多徑信道分為正交的N個子信道，信道在子信道中的傳輸速率為R/N，同時信號符號周期拓展為NTs，然后利用多進制信號調制MPSK對互相正交的子載波信號進行調制，調制后信號有如下公式：

(5)

經過MPSK調制后的信號周期變為MTs，則各子信道載波正交的條件為：

(6)

式中f0為第一個子信道的頻率。

OFDM系統由于各子信道載波的正交性，則在最終的接收基站中，能夠利用DFT(離散傅里葉變換)及IDFT(離散傅里葉逆變換)積分電路有效的分離各子信道：

(7)

2.2　海面MIMO-OFDM通信平臺設計

已知本次MIMO-OFDM通信平臺的2個關鍵技術為Alamouti時空編碼和正交頻分復用(OFDM)技術。

在本系統中，利用Alamouti時空編碼能有效的提高信號符號在信道中的傳輸利用率及速度，同時使各信號互補相關，增加了信道的頻譜利用率。所以，利用Alamouti時空編碼增加了整個通信平臺的系統容量及實效性。

同樣，在第1.2節介紹的正交頻分復用技術結合MPSK調制技術，將復雜的海面通信多徑信道分解為多個互補干擾的正交子信道，同時在獨立的子信道內利用MPSK對信號實現調制，有效消除各信號之間的符號耦合及噪聲干擾，這對消除海面的強噪聲疊加起到很好的抑制作用。所以，在進行海面通信平臺設計時候，本文將Alamouti時空編碼及正交頻分復用(OFDM)技術相結合，發揮各自在抗多徑干擾及消除噪聲的特點。分別設計兩發射天線、一接收天線MIMO-OFDM通信平臺及兩發射天線、兩接收天線的MIMO-OFDM通信平臺，并分別進行實驗仿真。

MIMO-OFDM通信平臺的兩天線發射機結構如圖4所示。

圖4　兩天線發射機結構Fig.4　The structure of the two antenna transmitter

如圖4所示，在MIMO-OFDM通信平臺中，發射端混入海洋噪聲的初始信號經過信道編碼、時空編碼后串并轉換，注意信號轉換個數與MPSK調制中多進制個數正相關，后經過離散傅里葉變換對信號進行OFDM調制，使信號調制到正交的子載波中，最后在發射前對信號進行前置循環，消除各比特流之間的耦合。

MIMO-OFDM通信平臺的接收機模型如圖5(1部接收天線)所示。

圖5　一天線接收機結構Fig.5　The structure of the an antenna receiver

圖5為MIMO-OFDM通信平臺一天線接收機結構圖。由圖5可知，其對信號的處理過程與發射端一一對應。先對接收信號進行去前綴處理，得到的信號進行串并轉換，在通過傅里葉變換，對中頻信號進行解調，得到基帶信號，最后通過時空譯碼及信道譯碼，消除由于噪聲干擾造成的信號錯誤，輸出原始信號數據。兩天線接收機的原理和一天線一樣，下面給出MIMO-OFDM通信平臺兩天線接收機結構圖。

圖6　兩天線接收機結構Fig.6　The structure of the two antennas receiver

3海面MIMO通信平臺系統仿真

3.1　仿真模型

在本次對海面MIMO-OFDM通信平臺的系統仿真模型中，采用8進制MPSK調制方式，信道模型假設為理想的衰落模型，海洋噪聲為ni，RS(7,3)為通信系統發射端的信道編碼格式，整個實驗對兩發射天線、一接收天線及兩發射天線、兩接收天線通信系統進行模擬。

首先構造基于8PSK-Alamouti的原理圖如圖7所示。

圖7　8PSK-Alamouti的原理圖Fig.7　The schematic diagram of 8PSK-Alamouti

圖7中，每3個串行bit組成1組，映射至8PSK-Alamouti星座圖上，映射后相鄰的并行信號再次組成1組，進入Alamouti時空編碼器中，合成2×2的信號矩陣。初始串行信號為011000，通過8PSK調制映射為j和1兩個符號，組合進入Alamouti時空編碼器中，生成矩陣如下：

(8)

在時域Alamouti時空編碼器，將矩陣進行分離，通過2部天線進行周期發送。第1個周期發送的信號為[j,-1]， 第2個周期發送的信號為[1,-j]， 以x1,x2進行標識：

x1=[j-1]，

x2=[1-j]。

(9)

同時，經過時空編碼后進行信道編碼，采用RS(7,3)，使得相鄰符號位角度等間距。在混入海洋噪聲的情況下，使得各符號之間的耦合性變小，最終恢復信號信噪比較低。

3.2　仿真結果

在實驗中，假設海面多徑信道系數相互獨立，同時接收端已知各信道參數。系統采用8PSK調制技術，對2發1收通信平臺及2發2收通信平臺同時進行仿真，通過對分別對有RS(7,3)信道編碼及無RS(7,3)信道編碼進行仿真。整個海面MIMO-OFDM通信平臺仿真結果如圖8所示。

分析圖8可知，采用RS(7,3)信道編碼最后恢復出的信號誤碼率優于無RS(7,3)信道編碼的誤碼率；同樣，2發2收通信平臺的性能也較2發1收

系統性能有所提高。

圖8　仿真結果圖Fig.8　The result diagram of the simulation

4結語

本文在研究了現有的MIMO通信系統的基礎上，針對海洋噪聲干擾大，多徑信道不穩定的特性，設計基于MIMO-OFDM海面通信平臺，最后對2發2收及2發1收的模型進行了仿真，仿真結果表明此模型在海面通信系統中的有效性。

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Research on the MIMO technology for ship communication platform

WANG Hong-mei

(Guangdong Institute of Science and Technology,Zhuhai 519090,China)

Abstract：In the ship communication platform, MIMO communication system has been extensively researched. Because of the influence of sea surface noise and multipath interference, some technologies of wireless communication on land can’t meet the requirements of marine communication system. At last, this paper use alamouti space time coding and frequency division multiplexing technology to design a two antenna MIMO ship communication platform.

Key words：frequency division multiplexing technology; space time coding;MIMO

作者簡介：王紅梅( 1966 - ) ，女，碩士，高級工程師，主要從事通信技術、圖像處理技術方面的教學與研究工作。

收稿日期：2014-03-25； 修回日期： 2014-11-17

文章編號：1672-7649(2015)02-0212-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.048

中圖分類號：TN919;TN929

文獻標識碼：A