基于STBC的MIMO—OFDM系統(tǒng)誤碼性能仿真分析

王濤　陳善繼　胡文芳

摘 要：基于STBC方案，針對MIMO-OFDM系統(tǒng)中小區(qū)間干擾問題，研究分析了STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)模型的抑制干擾性能。在假定信道產(chǎn)生的衰落是準(zhǔn)靜態(tài)，并且信道衰落參數(shù)對于接收端是已知的條件下，采用不同調(diào)制方式和不同數(shù)目的收發(fā)天線，仿真對比分析了該系統(tǒng)模型接收端采用最大似然檢測法時(shí)的系統(tǒng)誤碼性能。仿真對比表明：綜合考慮對傳輸速率和誤碼性能的要求，調(diào)制方式適宜采用QPSK；在抑制干擾性能上，當(dāng)信噪比較大時(shí)，采用3發(fā)2收的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)優(yōu)于采用2發(fā)2收的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：空時(shí)分組編碼；多輸入多輸出；正交頻分復(fù)用；最大似然檢測

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Based on the STBC scheme，the paper analyzes anti-interference performance of the STBC-MIMO-OFDM system model，aiming to solve the inter-cell interference（ICI）in MIMO-OFDM communication systems.In condition that the fading channel is quasi-static and the fading channel parameters are known to the receiving end，by using different modulation schemes and different amounts of transmitting and receiving antennas，the paper comparatively analyzes the system BER（Bit Error Rate）performances when the receiving end of the system model adopting the ML（Maximum Likelihood）method.The simulation results show that：with full consideration of the transmission rate and BER performance，QPSK modulation method is most suitable.Under the condition of high SNR（Signal Noise Ratio），the STBC-MIMO-OFDM system with 3 transmitting antennas and 2 receiving antennas is better than that with 2 transmitting antennas and 2 receiving antennas in terms of anti-interference performance.

Keywords：STBC；MIMO；OFDM；MLD

1 引言（Introduction）

基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）被視為無線通信系統(tǒng)最重要的一種傳輸技術(shù)[1]。在當(dāng)前熱點(diǎn)研究的可見光通信技術(shù)中，文獻(xiàn)[2]通過仿真表明MIMO室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)能支持更高的數(shù)據(jù)速率。但是，S.Catreux等發(fā)現(xiàn)，如果將多天線收發(fā)技術(shù)應(yīng)用到一個(gè)存在同頻干擾的多小區(qū)中，將大大限制系統(tǒng)的頻譜效率，使系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)嚴(yán)重的干擾受限系統(tǒng)。這一結(jié)論引發(fā)起對多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中小區(qū)間干擾（Inter-Cell Interference，ICI）問題的研究。文獻(xiàn)[3]提出基于接收端的ICI抑制技術(shù)有最大似然檢測（Maximum Likelibood Detection，MLD）、線性空時(shí)檢測接收機(jī)、非線性干擾對消接收機(jī)、非線性迭代接收機(jī)等。

將空時(shí)編碼（Space-Time Block Coding，STBC）技術(shù)和OFDM技術(shù)結(jié)合在一起，能夠在接收端采取簡單的最大似然譯碼準(zhǔn)則[4-6]，信道的頻帶利用率隨著發(fā)射端口配置的天線數(shù)目的增加線性增加[7]。本文基于STBC的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型，在不同調(diào)制方式和不同收發(fā)天線條件下，對比仿真分析了該系統(tǒng)接收端采用最大似然檢測法時(shí)的系統(tǒng)誤碼性能。

2 STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)模型（STBC-MIMO- OFDM system model）

Alamouti于1998年提出了使用兩個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的空時(shí)分組編碼理論[8]。STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)將STBC編碼技術(shù)用于頻率選擇性信道，獲得最優(yōu)分集增益，既可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和信道容量，又可以有效地對抗頻率選擇性衰落，系統(tǒng)的總體性能得到進(jìn)一步提高[9]。

有T副發(fā)射天線、R副接收天線的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖如圖1所示[10]。信道具有MIMO頻率選擇性衰落，假定信號(hào)經(jīng)過該信道產(chǎn)生的衰落是準(zhǔn)靜態(tài)的，即在不同發(fā)射天線與接收天線之間的衰落互不相關(guān)，同時(shí)這種衰落在OFDM的一幀內(nèi)保持不變。當(dāng)該系統(tǒng)具有N個(gè)相互重疊的子信道時(shí)，TN個(gè)碼符號(hào)將同時(shí)在一個(gè)OFDM碼字持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)送，每個(gè)碼符號(hào)對應(yīng)在某一發(fā)射天線的某一OFDM子載波上。

假設(shè)空時(shí)編碼器對輸入的信息比特序列在時(shí)刻t進(jìn)行編碼后的輸出碼字為

式（1）中表示第i副發(fā)射天線的第k個(gè)子載波上時(shí)刻t的傳輸數(shù)據(jù)。

再分別對式（2）所示信號(hào)點(diǎn)序列進(jìn)行OFDM調(diào)制，分別映射到第i副發(fā)射天線上，最后在時(shí)刻t由T副發(fā)射天線將這些調(diào)制信號(hào)同時(shí)發(fā)射出去。

為消除碼間干擾，在發(fā)送端，OFDM系統(tǒng)還要引入循環(huán)前綴，循環(huán)前綴長度大于信道最大時(shí)延擴(kuò)展。若系統(tǒng)收發(fā)兩端完全同步，則第個(gè)接收天線上的接收信號(hào)經(jīng)符號(hào)速率采樣、去循環(huán)前綴、FFT、解調(diào)后可寫為下式：

式（3）中表示收發(fā)天線之間的信道在第k個(gè)子載波處的t時(shí)刻頻率響應(yīng)，表示接收端噪聲和干擾的復(fù)高斯隨機(jī)變量[11]。

對式（3），接收端譯碼器運(yùn)用最大似然檢測算法，在已知信道狀態(tài)信息情況下尋找使式（4）度量值最小的碼字。

最后可得譯碼器輸出如式（5）所示。

系統(tǒng)中，空時(shí)分組碼是先通過編碼器將每組信號(hào)映射成并行序列，每個(gè)并行序列的長度為d，然后在d個(gè)周期內(nèi)同時(shí)從T個(gè)天線上發(fā)射出去。接收端通過最大似然檢測法抑制干擾，使系統(tǒng)得到充分的分集增益。

3 仿真和性能分析（Simulation and performance analysis）

雖然，MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著天線數(shù)目的增多而增大，但是在實(shí)際應(yīng)用中，綜合考慮天線之間距離要求和實(shí)際情況，收發(fā)天線數(shù)目不能取得太多，一般選擇接收天線的數(shù)目不超過2根。發(fā)送端天線數(shù)越多，即發(fā)送分集越大，系統(tǒng)的誤碼率則越小，但當(dāng)發(fā)送天線數(shù)為3和4時(shí)，系統(tǒng)的性能相差不大。因此，本文中要對比分析的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的天線數(shù)目分別取2發(fā)2收和3發(fā)2收。

3.1 不同調(diào)制方式下2發(fā)2收STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的

誤碼性能仿真研究

仿真參數(shù)取值如下：子載波數(shù)目取100；傅里葉變換抽樣點(diǎn)數(shù)目取512；循環(huán)前綴長度取10；調(diào)制方式分別采用BPSK、QPSK、8PSK；發(fā)射天線數(shù)為2，接收天線數(shù)為2；信道為4多徑，添加高斯白噪聲。在仿真過程中，假定信道產(chǎn)生的衰落是準(zhǔn)靜態(tài)，即任意收發(fā)天線間的信道衰落都是相互獨(dú)立的，并且信道衰落參數(shù)對于接收端是已知的。

（1）每個(gè)接收天線的系統(tǒng)性能仿真

仿真結(jié)果如圖2所示，上下兩圖分別是采用QPSK調(diào)制方式時(shí)兩個(gè)接收天線的誤碼率仿真曲線，可以看到，這兩個(gè)接收天線上的誤碼率相差不大。

為對比分析方便，后面仿真圖中只取一個(gè)接收天線上的BER仿真曲線。

（2）在不同調(diào)制方式下的系統(tǒng)性能仿真

圖3中對BPSK、QPSK、8PSK三種調(diào)制方式下的2發(fā)2收STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)BER性能進(jìn)行了仿真對比。如圖3所示，當(dāng)信噪比達(dá)到14dB時(shí)，BPSK系統(tǒng)的BER在10-3以下；QPSK系統(tǒng)的信噪比大于16dB時(shí)，BER在10-3以下；而8PSK系統(tǒng)的信噪比為18dB時(shí)，BER還不到10-2。

2發(fā)2收STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)中，采用BPSK調(diào)制方式時(shí)BER性能最好，采用8PSK調(diào)制方式時(shí)BER性能最差，采用QPSK調(diào)制方式時(shí)系統(tǒng)的BER性能介于上面二者之間；當(dāng)然，從另一個(gè)角度比較，采用8PSK的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率最快，采用QPSK次之，采用BPSK最慢。

3.2 3發(fā)2收系統(tǒng)與2發(fā)2收系統(tǒng)在抑制干擾性能上的比較

仿真參數(shù)取值如下：子載波數(shù)目取100；傅里葉變換抽樣點(diǎn)數(shù)目取512；循環(huán)前綴長度取10；信道為4多徑，添加高斯白噪聲，根據(jù)圖3仿真結(jié)果，綜合考慮對傳輸速率和誤碼性能的要求，調(diào)制方式采用QPSK。在仿真過程中，假定信道產(chǎn)生的衰落是準(zhǔn)靜態(tài)，并且信道衰落參數(shù)對于接收端是已知的。

仿真結(jié)果如圖4所示，2發(fā)2收（QPSK）系統(tǒng)在信噪比約為17dB時(shí)，BER達(dá)到10-3；而3發(fā)2收（QPSK）系統(tǒng)在信噪比為16dB時(shí)，BER達(dá)到10-3，相比減少1dB。仿真結(jié)果顯示，理想衰落信道下3發(fā)2收STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于2發(fā)2收STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能。

4 結(jié)論（Conclusion）

論文在三種不同的調(diào)制方式下和不同的收發(fā)天線數(shù)目下，對STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究分析，通過仿真比較，得出結(jié)論：接收端采用最大似然檢測法時(shí)，對于BPSK、QPSK、8PSK三種調(diào)制方式，系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制時(shí)誤碼性能最好，采用QPSK調(diào)制時(shí)次之，采用8PSK調(diào)制時(shí)誤碼性能最差；當(dāng)信噪比較大時(shí)，采用3發(fā)2收的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)在抗干擾性能上優(yōu)于采用2發(fā)2收的STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)，有1dB的改善。

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作者簡介：

王 濤（1976-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：移動(dòng)通信，可見光通信.

陳善繼（1970-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：信號(hào)處理，通信技術(shù).

胡文芳（1978-），女，本科，一級教師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù).