MIMO-OFDM系統性能的研究

(寶雞文理學院物理與信息技術系，陜西 寶雞 721016)

MIMO-OFDM系統性能的研究

劉小群

(寶雞文理學院物理與信息技術系，陜西 寶雞 721016)

0 引言

不斷增長的信息傳輸需求，使得有限的頻譜資源變得日益緊張。在未來的寬帶通信系統中，存在2個最嚴峻的挑戰，即多徑衰落信道和帶寬效率[1-2]。

MIMO和OFDM在各自的應用領域有各自的優點，MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍是無能為力，現在一般采用均衡技術來解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落。還有一種就是OFDM技術，OFDM被認為是下一代移動通信中的核心技術。4G需要高的頻譜利用率的技術，但OFDM提高頻譜利用率的能力畢竟有限。如果結合MIMO技術，可以在不增加系統帶寬的情況下提高頻譜效率[3]。MIMO和OFDM相結合可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過分集達到很強的可靠性，如果把合適的數字信號處理技術應用到MIMO+OFDM系統中能更好地增強系統的穩定性。

針對空時編碼大多數都是以平坦衰落信道為前提的問題，在頻率選擇性衰落信道下，將空時分組編碼STBC同正交頻分復用(OFDM)技術結合起來(STBC-OFDM)，建立了OFDM-STC系統模型，并研究了其性能。

1 MIMO-OFDM系統模型

1.1 OFDM系統

OFDM(正交頻分復用)技術是多載波窄帶傳輸的一種，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成多個正交子信道，然后將高速數據信號轉換成多個并行的低速子數據流，調制到每個信道的子載波上進行窄帶傳輸。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此，每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除信道波形間的干擾。由于OFDM是一種多載波調制技術，OFDM系統采用正交方法來區分不同子載波，子載波間的頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又極大地提高了頻譜利用率。因此，多載波系統具有較高的傳輸能力以及抗衰落和干擾能力[4]。

OFDM系統抗脈沖干擾的能力比單載波系統強很多。這是因為對OFDM信號的解調是在一個很長的符號周期內積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。事實上，對脈沖干擾有效的抑制作用是最初研究多載波系統的動機之一。提交給CCITT的測試報告表明，能夠引起多載波系統發生錯誤的脈沖噪聲的門限電平比單載波系統高11dB。OFDM系統的原理如圖1所示。

圖1 OFDM系統的原理

OFDM系統存在的問題：

a.易受頻率偏差和時變信道的影響，造成的ICI 限制了系統的性能。OFDM系統要求各個子載波之間相互正交，如果收發端載波不匹配，則子載波之間的正交性容易受到破壞，會產生載波間干擾(ICI)，限制了OFDM系統在高信噪比下的性能。一般要求剩余載波頻率偏移不超出OFDM系統子載波間隔的2%，保證子載波上的載干比(CIR) 不小于30dB。

b.OFDM系統的發送信號是多個子載波上的發送信號的疊加，當多個信號同相相加時，疊加信號的瞬時功率很大，遠遠超出信號的平均功率，導致大峰值平均功率比(PAR)。這種PAR跟系統的發送子載波數成正比，高的PAR 對發送濾波器的線性范圍要求提高，增加了設備的代價。如果放大器的動態范圍不能滿足信號的變化，則會產生信號畸變，信號頻譜泄漏，各子載波之間的正交性也會遭到破壞，產生干擾，系統性能下降。

c.使用循環前綴(CP)是OFDM系統中消除ISI、同時避免ICI的一種有效方法，但是，增加循環前綴會使得頻譜利用率降低20%以上，這樣就會造成頻譜資源的嚴重浪費。

1.2 MIMO-OFDM系統

在高速寬帶無線通信系統中，多徑效應、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關鍵問題。多徑效應會引起信號的衰落。然而MIMO可以抗多徑衰落，多徑效應對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對于頻率選擇性衰落仍無法避免，目前解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術和OFDM，而OFDM能夠很好地解決頻率選擇性衰落問題。因此，MIMO-OFDM系統不僅有很高的頻譜利用率，而且在OFDM基礎上合理地開發了空間資源，可以提供更高的數據速率，提高系統容量，改善系統性能。另一方面，加入了OFDM調制技術的MIMO系統在抗多徑方面表現出了很大的優勢，使得MIMO系統在頻率選擇性衰落信道中也能取得作用。MIMO-OFDM發射端及接收端分別如圖2，圖3所示。

圖2 MIMO-OFDM發射端

圖3 MIMO-OFDM接收端

發射端信源信息經過編碼后分成多路，每路再進行IFFT處理通過天線輸出，接收端通過天線接收每路信號，對每路信號進行FFT處理，再經過同步和解碼輸出。

2 MIMO-OFDM 系統空時分組編碼

空時編碼技術的形成就是對信號進行多天線發送和多天線接收。從廣義的角度上來看，在發送和接收兩端就形成了MIMO信道，因此，可以將空時碼技術和OFDM的結合，看成是MIMO-OFDM系統的特例。空時碼主要是利用在時間和空間上的分集技術，來獲得一定的分集增益和編碼增益[5]。但是，目前研究的空時編碼大多數都是以平坦衰落信道為前提，而未來寬帶移動通信的信道將都是嚴重的非平坦衰落信道，因而不能將空時編碼直接運用到未來移動通信中去。OFDM系統把信息分散到許多個載波上，大大降低了各子載波的信號速率，使符號周期比多徑遲延長，從而能夠減弱多徑傳播的影響。若再采用保護間隔和時域均衡等措施，可以有效降低符號間干擾。OFDM的最大特點正好彌補了空時編碼的最大缺點，因此，可以將空時編碼與OFDM結合起來。STC-OFDM系統的組成如圖4所示[6]。

圖4 OFDM-STC系統

STC-OFDM 是將輸入的信息流經過串并轉換，對得到的k路數據分別進行空時編碼，這樣就能得到k組包含N路信號的輸出結果。然后，對這樣的結果進行重新排列，再進行OFDM調制。經過IFFT變換以后，從相應的天線上發射出去。也就是說，要在OFDM系統中使用空時編碼，就要先在每一子載波上進行空時編碼，然后再進行IFFT調制，接收端先進行FFT解調，再對每個子載波上的數據流進行空時解碼。

3 STBC-OFDM系統性能的仿真

3.1 不同接收天線對STBC-OFDM系統性能的影響

在仿真時，使用了Matlab 仿真工具，采用加入循環前綴的OFDM 系統，仿真系統采用瑞利衰落信道模型，STBC 使用的是Alamouti 編碼。每個點的仿真次數為5 000。frame length=180;Number of packets=500。選擇STBC-OFDM(2，1)和STBC-OFDM(2，2)系統進行對比。發射天線均為2根，接收天線不同時，性能不同。仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，兩發兩收的STBC-OFDM 系統的性能要比兩發一收的STBC-OFDM系統性能好，這是因為前者的分集增益為4，而后者的分集增益為2。因此，在信道相同條件下，收發天線數越多，性能就越好[7-8]。

圖5 STBC-OFDM(2，1)與STBC-OFDM(2，2) 在瑞利衰落下的性能比較

3.2 不同調制方式對同一系統性能的影響

為了分析不同調制方式對同一系統性能的影響，選擇(3，1)STBC-OFDM系統進行仿真。先分別仿真出該系統在BPSK、QPSK、8PSK調制方式時的性能曲線，再將這3條曲線擬合在一起，便于比較分析。仿真結果如圖6所示。

圖6 (3，1)STBC-OFDM不同調制方式系統在瑞利衰落下的性能比較

由圖6可以看出，3條曲線平行，這是因為都采用的是(3，1) STBC-OFDM系統，具有相同的分集增益。另外，在相同的誤碼率的條件下，8PSK方式需要的信噪比大于QPSK調制方式，QPSK方式需要的信噪比大于BPSK調制。調制的階數越高，系統的誤碼率越大、性能越差。

3.3 單天線接收時不同發射天線對系統性能的影響

為了研究單天線接收時不同發射天線對系統性能的影響，選擇STBC-OFDM(2，1)、STBC-OFDM(3，1)和STBC-OFDM(4，1)系統進行研究。采用的調制方式為QPSK，8PSK調制，先分別對STBC-OFDM(2，1)、STBC-OFDM(3，1)和STBC-OFDM(4，1)系統在QPSK、8PSK調制、瑞利衰落時的性能進行仿真，再將這3條曲線擬合在一起，結果如圖7，圖8所示。

圖7 單天線接收QPSK調制STBC-OFDM系統在瑞利衰落下的性能比較

圖8 單天線接收8PSK調制STBC-OFDM系統在瑞利衰落下的性能比較

從圖7，圖8可以看出，在調制方式、接收天線數相同時，隨著發射天線數的增加，系統的抗干擾能力會提高。在相同的輸入信噪比的條件下，(4，1)系統的誤碼率小于(3，1)系統，(3，1)系統的誤碼率小于(2，1)系統。

以上仿真結果表明，OFDM與多天線技術相結合，OFDM 的性能會有很大的提高，同時也可以使只能應用于平坦衰落信道的窄帶MIMO技術能應用于寬帶的頻率選擇性信道。

4 結束語

針對空時編碼大多數都是以平坦衰落信道為前提的問題，在頻率選擇性衰落信道下，將空時分組編碼STBC同正交頻分復用(OFDM)技術結合起來(STBC-OFDM)，建立了OFDM-STC系統模型。通過Matlab軟件仿真分析了OFDM-STBC系統的性能。仿真結果表明，與多天線技術相結合，OFDM 的性能會有很大的提升。而且隨著收發天線數的增加，系統性能會提高。

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[8] 焦 樑，竇秀娟，鄺育軍.基于Simulink 的跳頻通信同步字頭法仿真[J].計算機應用與軟件，2013，30(7):27-31.

Stduy on Perfornance of MIMO-OFDM

LIUXiaoqun

(Department of Physics and Information Technology，Baoji University of Science and Arts，Baoji 721016，China)

針對空時編碼不能直接應用于非平坦衰落信道的問題。提出了將正交頻分復用(OFDM )與多輸入多輸出系統(MIMO)相結合的方案。建立了OFDM-STC系統模型。OFDM系統通過把信息分散到許多載波上，降低了各子載波的信號速率，使符號周期比多徑遲延長，從而能夠減弱多徑傳播的影響。利用Matlab軟件對各系統的性能進行了仿真，仿真結果表明，結合后的OFDM-STBC系統較傳統的STBC系統，可靠性獲得了提升。

多輸入多輸出；正交頻分復用；空時分組碼；Matlab

According to the problem that Space time coding can not be directly applied to a flat fading channel. The scheme of combining OFDM with MIMO was put forward. The model of OFDM-STBC system was established. Information was distributed to many carrierin OFDM system，the sub-carrier signal rate was reduced greatly，the symbol period was later than multipath extension，in order to weaken the effects of multipath propagation.And the system performancewas simulated by using Matlab software,the simulation results show that reliability promotion ofthe OFDM-STBC system was improved greatly than the traditional STBC system.

multiple inputmultiple-output; orthogonal frequency divisionmultiplexing;space-time block coding; Matlab

2014-05-16

國家自然科學基金資助項目(11105003)；陜西省科技廳基金資助項目(2012JQ1005)

TN911.22

A

1001-2257(2014)09-0006-04

劉小群(1977-)，女，陜西興平人，碩士研究生，講師，研究方向為信息傳輸與編碼理論，無線通信與調制技術。