一種多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其抗干擾性能研究

張 軼， 任清華， 褚振勇

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

在無線頻譜資源相對匱乏的今天，多輸入多輸出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)無線通信系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性。垂直分層空時(Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST)結(jié)構(gòu)作為一種MIMO系統(tǒng)，已經(jīng)被證明能在瑞利衰落信道中使系統(tǒng)容量隨著收發(fā)天線數(shù)的最小值呈線性增長［1］。

然而，面對復(fù)雜的無線電環(huán)境，如何有效地抑制干擾，避免己方通信的互擾，提高己方通信的有效性和可靠性才是急需解決的問題［2］。因此，將變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System，TDCS)引入基于V-BLAST結(jié)構(gòu)的MIMO系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)(MIMO-TDCS)，旨在使MIMO系統(tǒng)具備較強(qiáng)的干擾抑制能力。

1 MIMO-TDCS模型

1.1 MIMO信道模型

假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端有NT根發(fā)射天線，接收端有NR根接收天線并能很好地估計(jì)出信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)［3］。收發(fā)端采用 V-BLAST 結(jié)構(gòu)，這樣每根天線可以獨(dú)立地收發(fā)信號。接收端用迫零(Zero Forcing，ZF)檢測法對信號進(jìn)行處理。

假設(shè)發(fā)射信號x為NT×1的矩陣，傳輸信道H為NR×NT的矩陣，信道中存在高斯白噪聲n和干擾j，則接受信號y為NR×1的矩陣為

1.2 TDCS收發(fā)信機(jī)模型

傳統(tǒng)的抗干擾通信系統(tǒng)(如直擴(kuò)、跳頻)只是在系統(tǒng)的接收端被動地處理干擾，與之不同，TDCS能使收發(fā)雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括敵方實(shí)施干擾以及己方正使用的頻譜)進(jìn)行信號的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)抗干擾［4－5］。其發(fā)端、收端的基本工作原理見圖1、圖2。

圖1 TDCS發(fā)射機(jī)原理框圖Fig.1 Transmitter architecture of TDCS

圖2 TDCS接收機(jī)原理框圖Fig.2 Receiver architecture of TDCS

1.3 系統(tǒng)模型［6］

收發(fā)信機(jī)對電磁環(huán)境進(jìn)行采樣，估計(jì)出干擾在變換域中的位置。根據(jù)這個估計(jì)產(chǎn)生基函數(shù)(Basis Function)，基函數(shù)與干擾的變換域波形相互正交。利用基函數(shù)對發(fā)射信號進(jìn)行M元循環(huán)移位鍵控(Cycle Shift Keying，CSK)調(diào)制，再對調(diào)制信號進(jìn)行串并變換并通過MIMO信道發(fā)射到接收機(jī)。接收端先對接收信號進(jìn)行迫零檢測，目的是為了消除碼間干擾，然后利用接收端基函數(shù)解調(diào)數(shù)據(jù)。MIMO-TDCS原理如圖3所示。

圖3 MIMO-TDCS原理框圖Fig.3 Architecture of MIMO-TDCS

2 抗干擾機(jī)制

2.1 干擾信號模型［7］

在抗干擾性能分析及仿真中，干擾信號通常建模為離散信號

干擾信號也采用對稱譜，其頻譜可表示為

其中:Jm為頻譜幅度;ejθm為負(fù)信號;θm為在［0，2π］上均勻分布的隨機(jī)譜相位;NF為干擾信號功率譜矢量的長度。由Jm的不同取值，可以分別得到單音、多音、部分頻帶干擾信號。在單音、多音干擾中，信號的總功率一致且功率平均分配，而部分頻帶干擾各頻率分量的功率并不一致。

2.2 抗干擾原理［8］

收發(fā)信機(jī)使用自己產(chǎn)生的基函數(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。由于基函數(shù)與通信信道中的所有干擾在變換域中是正交的，因此信號在傳輸過程中不會受到干擾影響，所以TDCS是一種主動式干擾躲避系統(tǒng)。

圖4 頻譜估計(jì)及幅度譜成型Fig.4 Estimated spectrum and spectrum magnitude shape

抗干擾的基本實(shí)現(xiàn)過程是:動態(tài)地在給定的系統(tǒng)帶寬內(nèi)對電磁環(huán)境進(jìn)行采樣，并在變換域?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行譜估計(jì)。圖4a描述了一個代表性的環(huán)境譜估計(jì)結(jié)果，其中有3個單音干擾(或其他窄帶用戶)。將估計(jì)得到的幅度譜向量A(ω)與一選定的門限相比較，確定系統(tǒng)帶寬內(nèi)哪些譜已被干擾，哪些譜未被干擾可以用于信號傳輸。通過特定的閾值處理把干擾有效抑制后，得到“純凈”的幅度譜向量A′(ω)(即不存在干擾譜或正在被占用的譜)，這個過程稱為幅度譜成型(Spectrum Magnitude Shape)。

圖4b為一成型后的幅度譜A′(ω)。將向量A′(ω)與隨機(jī)相位映射器(random phase map)產(chǎn)生的等長度的復(fù)隨機(jī)相位向量 ejθ(ω)做數(shù)量積得到 Bb(ω)，目的是為了給每個可用頻點(diǎn)加載一個隨機(jī)相位，使時域通信信號具有類似噪聲的特性，以便于后面的數(shù)據(jù)調(diào)制、多用戶接入以及系統(tǒng)LPI特性的實(shí)現(xiàn)。再進(jìn)行幅度調(diào)整(magnitude scale)以保證有一定的發(fā)射功率，得到基函數(shù)的頻域形式B(ω)

式中:C為幅度調(diào)整因子。最后通過逆傅里葉變換得到基函數(shù)的時域形式

現(xiàn)有的TDCS系統(tǒng)都假定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處在相同的電磁環(huán)境中，因此得到的譜估計(jì)是相同的。然而，由于譜估計(jì)是在不同幾何位置上獨(dú)立進(jìn)行的，因此估計(jì)一般都不會完全相同，這將會影響系統(tǒng)的傳輸性能，導(dǎo)致檢測信噪比降低，增加誤碼率。一種解決辦法是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間建立專門的反饋信道，這條信道被用來傳送接收機(jī)的頻譜環(huán)境信息和前向鏈路性能給發(fā)射機(jī)［9］;另一種是建立控制信道，即信令傳輸信道，用來將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的基函數(shù)信息傳送到接收端［10］。

3 仿真結(jié)果及分析

在Matlab仿真平臺里，傳輸信號經(jīng)過二元CSK調(diào)制后從每根天線獨(dú)立地發(fā)送出去，并在信道中受到3種窄帶干擾:單音干擾、多音干擾(7個)和30%部分頻帶干擾。信噪比(SNR)為6 dB，干信比(J/S)變化范圍是0～10 dB，信道為瑞利衰落信道。假設(shè)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)信息，這樣總的發(fā)射功率將被平均分配到每根發(fā)射天線上。仿真采取兩發(fā)兩收(2×2)和四發(fā)四收(4×4)這兩種MIMO-TDCS模型，并與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)在有干擾、無干擾兩種情況下作性能比較。不同窄帶干擾下的誤碼率如圖5～圖7所示。

圖5 單音干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.5 The BER of MIMO-TDCS under single-tone interference

通過仿真結(jié)果可以看到，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)由于沒有采用抗干擾機(jī)制，在受到干擾影響時誤碼率隨著干信比增大而顯著增加;而MIMO-TDCS的收發(fā)端利用變換域技術(shù)抑制干擾，因此無論面對單音、多音還是30%部分頻帶干擾，誤碼率性能與理論值基本保持一致，即使干信比為10 dB，誤碼率的增加也不到1‰;2×2收發(fā)系統(tǒng)的誤碼率性能要略好于4×4系統(tǒng)，這是由于不同數(shù)目的天線的分集度不同所造成的，與傳統(tǒng)采用V-BLAST結(jié)構(gòu)的MIMO系統(tǒng)的結(jié)果類似［11］。

圖6 多音干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.6 The BER of MIMO-TDCS under

圖7 30%部分頻帶干擾下MIMO-TDCS的誤碼率Fig.7 The BER of MIMO-TDCS under 30%partial-band interference

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)無法有效解決信號的抗干擾問題，設(shè)計(jì)了一種基于V-BLAST結(jié)構(gòu)的多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)。通過軟件仿真和結(jié)果分析，MIMO-TDCS可以有效地抑制窄帶干擾，使傳輸信號的誤碼率性能較傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)有很大的改善，因此驗(yàn)證了MIMO-TDCS是一種有效應(yīng)對窄帶干擾的通信系統(tǒng)。

本文尚有許多不足之處，仍要做的工作有:1)對MIMO-TDCS的理論可行性作更深層次的探討;2)MIMO-TDCS應(yīng)對非平穩(wěn)干擾(如掃頻干擾)時的信號處理問題;3)收發(fā)電磁環(huán)境不一致時的可靠傳輸問題。

［1］ FOSCHINI G J.Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas［J］.Bell Laboratories Technical Journal，1996，1(2):41-59.

［2］ 劉輝，張復(fù)春，李贊平，等.基于軟件無線電的抗干擾數(shù)字通信系統(tǒng)研究［J］.電光與控制，2010，17(3):80-83.

［3］ DUMAN T M，GHRAYEB A.MIMO 通信系統(tǒng)編碼［M］.艾渤，唐氏剛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］ RADCLIFFE R A.Design and simulation of a transform domain communication system［D］.Wright-Patterson AFB OH:Air Force Institute of Technology(AU)，1996.

［5］ RADCLIFFE R.Design and simulation of transform domain communication system［C］//IEEE MILCOM Proceedings Dallas:1997，586-589.

［6］ TAN Kefeng，ANDRIAN J，ZHU Hao，et al.An improved VBLAST with narrowband int-erference avoidance capability［C］//The 9th Annual Symposium on Wireless Personal Mult-imedia Communication(WPMC06)，San Diego，California，2006.

［7］ NUNEZ A S.Interference suppression in multiple access communications using M-ary phase shift keying generated using spectral encoding［D］.Wright-Patterson AFB OH:Air Force Institute of Technology(AU)，2004.

［8］ 史軍，遲永鋼，張乃通.變換域通信系統(tǒng):原理、技術(shù)與發(fā)展趨勢［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報，2009，29(1):87-94.

［9］ CHAKRAVARTHY V，SHAW A K，TEMPLEM A.Cognitive radio，an adaptive waveform with spectrum sharing capability［J］.IEEE WCNC，2005(2):724-729.

［10］ 韓川.認(rèn)知無線電場景中的變換域通信系統(tǒng)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.

［11］ 于全.戰(zhàn)術(shù)通信理論與技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.