基于STBC的MIMO—OFDM系統誤碼性能仿真分析

王濤　陳善繼　胡文芳

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

關鍵詞：空時分組編碼；多輸入多輸出；正交頻分復用；最大似然檢測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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最重要的一種傳輸技術[1]。在當前熱點研究的可見光通信技術中，文獻[2]通過仿真表明MIMO室內可見光通信系統能支持更高的數據速率。但是，S.Catreux等發現，如果將多天線收發技術應用到一個存在同頻干擾的多小區中，將大大限制系統的頻譜效率，使系統變為一個嚴重的干擾受限系統。這一結論引發起對多小區MIMO系統中小區間干擾（Inter-Cell Interference，ICI）問題的研究。文獻[3]提出基于接收端的ICI抑制技術有最大似然檢測（Maximum Likelibood Detection，MLD）、線性空時檢測接收機、非線性干擾對消接收機、非線性迭代接收機等。

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

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

Alamouti于1998年提出了使用兩個天線發射信號的空時分組編碼理論[8]。STBC-MIMO-OFDM系統將STBC編碼技術用于頻率選擇性信道，獲得最優分集增益，既可以提高系統的數據速率和信道容量，又可以有效地對抗頻率選擇性衰落，系統的總體性能得到進一步提高[9]。

有T副發射天線、R副接收天線的STBC-MIMO-OFDM系統框圖如圖1所示[10]。信道具有MIMO頻率選擇性衰落，假定信號經過該信道產生的衰落是準靜態的，即在不同發射天線與接收天線之間的衰落互不相關，同時這種衰落在OFDM的一幀內保持不變。當該系統具有N個相互重疊的子信道時，TN個碼符號將同時在一個OFDM碼字持續時間內發送，每個碼符號對應在某一發射天線的某一OFDM子載波上。

假設空時編碼器對輸入的信息比特序列在時刻t進行編碼后的輸出碼字為

式（1）中表示第i副發射天線的第k個子載波上時刻t的傳輸數據。

再分別對式（2）所示信號點序列進行OFDM調制，分別映射到第i副發射天線上，最后在時刻t由T副發射天線將這些調制信號同時發射出去。

為消除碼間干擾，在發送端，OFDM系統還要引入循環前綴，循環前綴長度大于信道最大時延擴展。若系統收發兩端完全同步，則第個接收天線上的接收信號經符號速率采樣、去循環前綴、FFT、解調后可寫為下式：

式（3）中表示收發天線之間的信道在第k個子載波處的t時刻頻率響應，表示接收端噪聲和干擾的復高斯隨機變量[11]。

對式（3），接收端譯碼器運用最大似然檢測算法，在已知信道狀態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。

系統中，空時分組碼是先通過編碼器將每組信號映射成并行序列，每個并行序列的長度為d，然后在d個周期內同時從T個天線上發射出去。接收端通過最大似然檢測法抑制干擾，使系統得到充分的分集增益。

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

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

3.1 不同調制方式下2發2收STBC-MIMO-OFDM系統的

誤碼性能仿真研究

仿真參數取值如下：子載波數目取100；傅里葉變換抽樣點數目取512；循環前綴長度取10；調制方式分別采用BPSK、QPSK、8PSK；發射天線數為2，接收天線數為2；信道為4多徑，添加高斯白噪聲。在仿真過程中，假定信道產生的衰落是準靜態，即任意收發天線間的信道衰落都是相互獨立的，并且信道衰落參數對于接收端是已知的。

（1）每個接收天線的系統性能仿真

仿真結果如圖2所示，上下兩圖分別是采用QPSK調制方式時兩個接收天線的誤碼率仿真曲線，可以看到，這兩個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接收天線上的BER仿真曲線。

（2）在不同調制方式下的系統性能仿真

圖3中對BPSK、QPSK、8PSK三種調制方式下的2發2收STBC-MIMO-OFDM系統BER性能進行了仿真對比。如圖3所示，當信噪比達到14dB時，BPSK系統的BER在10-3以下；QPSK系統的信噪比大于16dB時，BER在10-3以下；而8PSK系統的信噪比為18dB時，BER還不到10-2。

2發2收STBC-MIMO-OFDM系統中，采用BPSK調制方式時BER性能最好，采用8PSK調制方式時BER性能最差，采用QPSK調制方式時系統的BER性能介于上面二者之間；當然，從另一個角度比較，采用8PSK的系統數據傳輸速率最快，采用QPSK次之，采用BPSK最慢。

3.2 3發2收系統與2發2收系統在抑制干擾性能上的比較

仿真參數取值如下：子載波數目取100；傅里葉變換抽樣點數目取512；循環前綴長度取10；信道為4多徑，添加高斯白噪聲，根據圖3仿真結果，綜合考慮對傳輸速率和誤碼性能的要求，調制方式采用QPSK。在仿真過程中，假定信道產生的衰落是準靜態，并且信道衰落參數對于接收端是已知的。

仿真結果如圖4所示，2發2收（QPSK）系統在信噪比約為17dB時，BER達到10-3；而3發2收（QPSK）系統在信噪比為16dB時，BER達到10-3，相比減少1dB。仿真結果顯示，理想衰落信道下3發2收STBC-MIMO-OFDM系統的誤碼性能優于2發2收STBC-MIMO-OFDM系統的誤碼性能。

4 結論（Conclusion）

論文在三種不同的調制方式下和不同的收發天線數目下，對STBC-MIMO-OFDM系統的性能進行了研究分析，通過仿真比較，得出結論：接收端采用最大似然檢測法時，對于BPSK、QPSK、8PSK三種調制方式，系統采用BPSK調制時誤碼性能最好，采用QPSK調制時次之，采用8PSK調制時誤碼性能最差；當信噪比較大時，采用3發2收的STBC-MIMO-OFDM系統在抗干擾性能上優于采用2發2收的STBC-MIMO-OFDM系統，有1dB的改善。

參考文獻（References）

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作者簡介：

王 濤（1976-），男，碩士，副教授.研究領域：移動通信，可見光通信.

陳善繼（1970-），男，碩士，教授.研究領域：信號處理，通信技術.

胡文芳（1978-），女，本科，一級教師.研究領域：計算機科學與技術.