可見光通信MIMO-OFDM技術研究

姜筱彤（通訊作者），高 歡，李日淼，劉世順，李 萍

（大連工業大學信息科學與工程學院 遼寧 大連 116034）

1 引言

MIMO技術是通過在發射和接收端連接多個天線來阻抑信道間衰落[1]，能夠加倍地增加整個系統的信道容量與性能。OFDM技術可以有效地降低無線通信傳輸過程中遇到的衰落[2]，干擾和噪聲對信號產生的影響，從而大范圍提升無線通信系統中信道容量與傳輸速度。隨著無線通信技術的發展越來越快,用戶對通訊數據的傳輸速度和系統性能要求逐漸變得嚴格起來,因此如何在無線通信中將系統性能和信道容量提升變得愈發重要[3]。MIMO技術與OFDM技術的結合能夠提升系統頻譜利用率和容量，多個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MIMO-OFDM系統進行分析與研究，在MATLAB軟件的Simulink庫仿真MIMO-OFDM系統，研究系統的誤碼性能。

2 OFDM技術原理

正交頻分復用技術（OFDM）是多載波調制技術的一個分支，基本實現方法通過把高速串行數據信號轉變為多路相對低速并行子數據流然后把調制后的數據放到每一個子信道中傳輸，從而使符號脈沖寬度增大，整個系統的抗多徑衰落性能得到了提升。為了防止出現載波間干擾（ICI）,即為子信道之間的相互干預，接收端使用相應的技術把正交信號分離。假設每一個子信道為平坦信道，子信道信號帶寬比相關帶寬小能使符號間干擾(ISI)降低[4]。由于每個子信道信號帶寬為原始信號帶寬的其中一部分，信道間的均衡總的來說簡單些。

OFDM技術減小和消除碼之間串擾是為了抑制信道頻率選擇性衰落，基本原理為把信號分成的N個子信號調制到相互正交的次載波上，由于次載波頻譜重疊進而頻譜效率也會得到提升[5]。

圖1 OFDM系統原理框圖Figure1.Schematicdiagram of OFDM system

發射端是由串并變換和映射組成的，通過串并變換的方法將信息序列轉變為N個并行的符號,在每個分支路單獨調制后并行的符號合成N個不一樣的次載波信號。由多個次載波信號合成的OFDM也被稱為頻分復用方式。一個OFDM符號用數學方式表達可以表示為：

3 MIMO-OFDM系統

MIMO的主要技術是空時編碼技術，可以大大提升整個無線電通信系統的信道容量與數據傳輸速率，同時也可以降低系統的頻譜效率與功耗。

MIMO技術是在發射與接收兩端采用若干個天線，即使傳輸速率得到了很大的提升但帶寬沒有增大。它能夠通過多個天線抑制信道的衰落。多變量系統（MIMO）和傳統的單變量系統（SISO）相比，還包括單輸入多輸出系統（SIMO）和多輸入單輸出系統（MISO）。輸入的信息流通過空時編碼技術轉變成N個信息子流，發送端的N個天線將信息子流發送到自由空間信道后由接收端的M個天線接收[6]。MIMO技術因為利用空時編碼技術將數據子流區分和解碼，對數據流進行最佳處理。

MIMO系統在具備抗多徑衰落優勢的同時也存在多徑干擾的頻率響應呈現周期性衰落的缺陷，而OFDM的總帶寬能夠分成無數個窄帶子載波，剛好能夠彌補MIMO技術的缺陷。在無線通信系統中系統的傳輸速度隨著OFDM載波數的增大而提升,但同時系統的復雜度會增大帶寬也會被占用。MIMO技術則能在不加大帶寬的同時得到更多信道容量，系統的容量與頻譜效率增大了一倍，它是使空間資源轉換成頻譜資源[7]。兩個技術的結合能夠使系統頻譜利用率和容量得到提高，多個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系統框圖。

圖2 STBC-OFDM系統框圖Figure 2. block diagram of STBC-OFDM system

4 空時編碼技術

空時編碼技術(STC)能夠實現空分多址從而提高信道容量?？諘r編碼技術的運用是使系統得到最大正交發射天線分集，保證信道流量不變并且誤碼率降低。通常它分為空時格碼(STTC)和空時分組碼(STBC)。而空時格碼的傳輸速率增大，它的譯碼復雜度也會越來越高，因此本文討論的內容主要是空時分組碼。在1998年Alamouti為了降低譯碼的難度，提出兩發兩收天線的傳輸方式，譯碼難度遠低于空時格碼且結構簡單，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易的線性解碼就能還原信號，接收端解碼部分利用最大概似估計（ML）檢測算法。圖3是Alamouti空時編碼發送端原理框圖。

圖3 Alamouti空時編碼發送端原理框圖Figure 3. schematic diagram of Alamouti space-time code sending end

假設在調制的方案中使用M進制調制。那么在整個方案中首先信息源將信號傳出，對信號進行調制，將調制后信號x1和x2分為一組，按照空時碼字矩陣對其編碼。

并且整個系統的平均傳輸速率為1，信道容量并沒有因此而降低。

在接收端使用極大似然譯碼作為譯碼方式，解碼準則為：

圖4為接收端原理框圖。

圖4 空時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 參數設置

根據創建好的可見光通信MIMO-OFDM系統的模型，用MATLAB軟件內Simulink器件庫搭建好整個系統然后對其仿真，分析其性能。在仿真的整個過程中均是無線通信環境下?，F對各參數設置如下：系統的工作頻率為4.6GHZ，OFDM次載波數為48個，調制方式采用8PSK，信道編碼為RS碼，保護間隔是800ns，仿真系統為多徑信道模型，系統的編碼方式是空時分組碼，極大似然判決法作為解碼時的算法。

5.2 仿真分析

（1）為研究調制方式對系統誤碼率的影響，現對22STBC-OFDM系統仿真，考察其性能結果如圖5所示。

圖5 不同調制方式對系統誤碼性能影響Figure 5. effect of different modulation modes on the system error performance

根據圖5可以看出雖然8PSK調制方式的系統誤碼率最高但傳輸速率最快，BPSK的系統誤碼率是最低的，QPSK次之。從結果中可以看出系統的誤碼性能會隨著整個系統的吞吐量上升而降低。

（2）在高斯信道環境下對單OFDM系統與與STBCOFDM系統仿真。由圖6中的結果可以得出高斯信道環境中系統的誤碼性能差距明顯，盡管兩個系統在信噪比逐漸變大的同時誤碼率均有所減小，但同時在誤碼率為10-2時，MIMO-OFDM系統誤碼性能明顯好過單OFDM系統3dB。由此可以看出與單OFDM系統相比,STBC-OFDM系統的整體性能得到了提升。

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

（3）在確定了信道環境與調制方式一致的情況下，改變MIMO-OFDM系統發射和接收天線的數量并對其進行仿真，結果如圖7所示。

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

從仿真結果看出，調制方式和信道環境相同情況下，42 STBC-OFDM系統的誤碼率低于21 STBC-OFDM系統，因此可以得出在發射天線數量不變的條件下，隨著接收天線數量的不斷增加系統誤碼性能也隨著降低。四發射天線SIBC-OFDM系統整體性能優于兩個發射天線STBC-OFDM系統，由此可以得出在接收天線數一定時，系統的誤碼率隨著發射天線數量增大而降低。分集能夠隨著發射天線數量的增大而有效的增大同時抗多徑時延能力增大系統的誤碼性能會下降。

由此得到信噪比斜率隨著分數級數的增大而增大，即發射與接收的天線個數越大信噪比斜率越大，雖然系統的誤碼率會隨著發射和接收天線的增加而降低，但隨之成本和系統搭建復雜程度也會變高。在STBC-OFDM中兩發系統編碼速率為1，四發系統為1/2因此兩發系統傳輸速率比四發系統高，在實際應用中并不是天線數越多越好，應根據情況再確定天線數量。

（4）在整個仿真過程中，假設接收端已知信道衰落的參數且每個發射和接收天線的衰落均為獨立。圖8是RS碼對系統誤碼性能影響的結果圖。

圖8 MIMO-OFDM系統誤碼性能Figure 8.MIMO-OFDM system error performance

通過結果圖8所示，理想衰落信道環境使用RS編碼后的22MIMO-OFDM系統誤碼性能得到了非常大的提升，當信噪比是17dB的時候可以看到系統的BER在以下。

（5）現對仿真的參數進行改變，OFDM子載波數是64，保護間隔是8，不使用卷積編碼與交織。對MIMOOFDM系統和STBC-OFDM系統仿真，仿真結果為圖9。

圖9 STBC對系統性能影響Figure9.impactof STBCon system performance

從圖9能夠看出STBC-OFDM系統的誤碼率低于MIMOOFDM系統誤碼率。因此在MIMO-OFDM系統中添加空時編碼技術可以提升系統的誤碼性能。

6 結語

由于無線通信技術的發展越來越快，人們對于通信數據的傳輸速度要求也有了一定的提高。MIMO-OFDM系統可以改善在可見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。本文通過對OFDM技術、MIMO-OFDM系統和STBC的原理闡述，在MATLAB軟件搭建STBC-OFDM系統后仿真。結果顯示系統的誤碼性能會隨著整個系統的吞吐量上升而降低，因此在現實運用中可以利用不同的信道估計算法改善系統性能；STBC-OFDM系統的誤碼率低于單OFDM系統；系統的誤碼率隨著分集級數的增加而降低，實際應用中不是使用越多天線越好應根據實際情況選擇天線數量；MIMO-OFDM系統在理想衰落信道環境中使用RS編碼能夠使系統的誤碼性能得到提升；MIMO-OFDM系統中添加空時編碼技術可以提高系統的誤碼性能。