于子甲,董全德,徐 旭
(宿州學(xué)院,安徽 宿州 234000)
在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,發(fā)射機和接收機均使用的是單個天線,它被稱為單輸入單輸出(simple input simple output, SISO)系統(tǒng)[1]。盡管SISO系統(tǒng)在通信領(lǐng)域使用了很長時間,但是它具有嚴(yán)重的衰落問題,導(dǎo)致信號衰減,而且它的信道容量非常有限,不具有多樣性,因此,SISO系統(tǒng)的可靠性非常低。所有這些問題最終導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生中斷概率,從而增加了信號損失,使信號嚴(yán)重失真。在90年代后期,Dohler和Said提出了虛擬天線陣列[2](Virtual Antenna Arrays, VAAs)。VAAs將終端用戶相互當(dāng)作虛擬天線,換句話說,每個終端用戶可以彼此協(xié)作,同時傳輸數(shù)據(jù)。這種方法增強了通信質(zhì)量,提高了信道的容量和可靠性,并且降低了中斷概率。但是,隨著終端用戶的增加以及對高數(shù)據(jù)速率服務(wù)的需求,具有大信道容量的無線通信技術(shù)逐漸出現(xiàn)在通信領(lǐng)域,其中,應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)就是多輸入多輸出通信[3](multiple input multiple output, MIMO)。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端都使用了多個天線[4]。它可以有效地緩解無線信道的衰落,從而降低了通信的中斷概率。
MIMO是具有多個發(fā)射器和多個接收器并且可以同時傳輸大量數(shù)據(jù)流的無線通信技術(shù)。它在發(fā)射端和接收端設(shè)置多個天線傳輸和接收信號數(shù)據(jù),即最大可能給接收端提供多個發(fā)送信號的獨立副本,以保證至少有一個獨立副本準(zhǔn)確地傳送到接收端,它充分利用時間、空間、頻率等資源,在不需要增加信號帶寬和發(fā)射端發(fā)射功率的情況下[5],顯著地提高了信道的數(shù)據(jù)吞吐量,并且降低傳輸誤碼率,確保信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
MIMO主要通過分集和復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)無線通信技術(shù)的可靠傳輸。它可以采用時間、頻率、調(diào)制、天線等不同參數(shù)對信道進(jìn)行分集和復(fù)用。MIMO技術(shù)是第五代移動通信(5G)的一個重要技術(shù)之一。5G通信系統(tǒng)需要提供更高數(shù)據(jù)傳輸速率的服務(wù),而在無線通信系統(tǒng)中,時變多徑衰落降低無線信道的可靠性,使得信號無法維持有效的誤碼率(BER)。在MIMO系統(tǒng)中,可以通過控制發(fā)射器功率減少時變多徑衰落的影響。在散射環(huán)境下,天線分集是降低多徑衰落最有效的技術(shù)。對于上述分集的空時編碼方式主要有兩種[6],即空時分組碼(Space Time Block Codes, STBC)和空時網(wǎng)格碼(Space Time Trellis Codes, STTC)。為了使系統(tǒng)達(dá)到最佳的可靠性,本文采用Alamouti空時編碼技術(shù),對發(fā)送端和接收端進(jìn)行分集,然后在發(fā)射端和接收端增加多個天線,通過Matlab仿真實驗驗證,該方案可以降低誤比特率(BER),增加無線通信系統(tǒng)的信道容量,擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,而且可推廣到四個發(fā)射天線和四個接收天線,獲得4M分集命令。
基于Alamouti的MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示。首先,通過初始化參數(shù)產(chǎn)生信源數(shù)據(jù),將信源數(shù)據(jù)輸入到編碼器,然后再通過復(fù)用分集送到通信信道中,最后經(jīng)過分用器和解碼器將數(shù)據(jù)傳到差錯器。本文主要設(shè)置三種通信信道,包括AWGN信道、SISO瑞利衰落信道和Alamouti方案信道,通過仿真實驗對比幾種方案的誤比特率(BER)。
圖1 MIMO系統(tǒng)模型
假設(shè)MIMO系統(tǒng)發(fā)射端有Nt個發(fā)射天線,接收端有Nr個接收天線。設(shè)置系統(tǒng)發(fā)射信道帶寬為較小的值,理想狀態(tài)下沒有碼間串?dāng)_,確保每個信號通道均可用復(fù)增益因子表示,即每個子信道都是平坦衰落信道[7]。MIMO系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系可表示為:
y=xH+e
(1)
其中,x=[x1,…,xnt]是1×Nt發(fā)射信號矢量;H是Nt×Nr矩陣,表示發(fā)射天線和接收天線對的信道增益;e=[e1,…enr]T是1×Nr的獨立復(fù)高斯噪聲矢量,且均值為零。
在無線通信系統(tǒng)模型中,空間通常被用來給傳輸信息提供分集的資源。通信系統(tǒng)模型可以在接收端設(shè)置多個天線,通過每一個天線同時接收發(fā)射信號或者發(fā)射信號副本[8]。假設(shè)接收端天線有足夠大的間距,在均勻散射信道中,通常設(shè)置間距大于半個波長,這樣使得接收端通過不同的衰落信道接收信號,從而實現(xiàn)信道空間分集。同樣的方法也可以對發(fā)射端進(jìn)行分集。但是,當(dāng)空間分集方案受到條件限制時,空時分組碼是對發(fā)射端或者接收端進(jìn)行分集最有效的一種方法。在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,接收端設(shè)備簡單,而且接收設(shè)備之間基本不產(chǎn)生干擾,所以很少對傳輸進(jìn)行分集,因為分集會產(chǎn)生兩個問題:一是發(fā)射端產(chǎn)生的若干個信號會在指定點處組合成一個單信號,使得系統(tǒng)沒有了多樣性;二是來自發(fā)送端的信號會在某些角度產(chǎn)生抵消。Alamouti提出了一種空時編碼方案,能夠避免上述問題,而且提高通信系統(tǒng)的誤比特率(BER)。
表1 Alamouti時間和空間關(guān)系
(2)
其中,矩陣列表示發(fā)射時隙。
系統(tǒng)接收天線在第一個時隙接收信號表達(dá)式為:
y1(1)=h1,1s1+h2,1s2+e1(1)
(3)
系統(tǒng)接收天線在第二個時隙接收信號表達(dá)式為:
(4)
本MIMO系統(tǒng)選擇瑞利衰落信道,即h1,1和h2,1都是復(fù)高斯隨機變量,且其均值為零,方差為單位方差,并假設(shè)連續(xù)兩個時隙間保持不變。上式中,e1(1)和e1(2)是復(fù)數(shù)加性高斯白噪聲,且方差為σ2。
假設(shè)系統(tǒng)傳輸信道為理想信道,接收機為最佳狀態(tài),傳輸錯誤率最小,表達(dá)式為:
(5)
上式也可表示為:
(6)
(7)
假如發(fā)射端所有符號對都是滿足等概率的,根據(jù)貝葉斯公式,接收端最佳譯碼準(zhǔn)則可表示為:
(8)
其中:
(9)
系統(tǒng)中,信道噪聲可表示為:
(10)
(11)
(12)
接收端最佳判決式(11)和(12)的解可作為本系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的譯碼準(zhǔn)則,由于最佳判決式的解可以明顯縮小選擇最佳發(fā)射信號的捕獲空間,減少搜索時間,從而大幅度的簡化了接收端的復(fù)雜度。
在MIMO系統(tǒng)時隙中傳輸?shù)浇邮斩诵盘柋硎緸椋?/p>
Y=HX+N
(13)
其中,H是非平方信號矩陣;X是2*2的Alamouti空時編碼矩陣;N是噪聲矩陣。
為了接收端能夠接收到時空組合信號,信號矩陣必須求平方,否則不能直接對矩陣進(jìn)行求反,而且需要對非平方信道矩陣求轉(zhuǎn)置,該過程表示為:
H+=(HHH)-1HH
(14)
其中,HH是厄米矩陣,即轉(zhuǎn)置復(fù)數(shù)的自共軛信道矩陣;
綜上可知,MIMO分集中的信號表示為:
X=H+Y=H+HX+H+N=X+H+N
(15)
本文對MIMO分集的simulink模型進(jìn)行分析,由于Alamouti具有多樣性,所以MIMO系統(tǒng)仿真具有不同的調(diào)制方案,從中選取最優(yōu)的方案。系統(tǒng)仿真設(shè)置兩根發(fā)射天線和一根接收天線,系統(tǒng)選取瑞利平坦衰落信道,使用QPSK調(diào)制,采用Alamouti空時編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并將本文方案與AWGN傳輸信道模型和瑞利平坦衰落信道下的SISO傳輸模型進(jìn)行比較,通過對不同系統(tǒng)模型的誤碼率性能進(jìn)行分析。實驗先采取2發(fā)1收的分集方案進(jìn)行Matlab仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 Alamouti編碼方案(2發(fā)1收)
從圖2分析可知,與AWGN信道系統(tǒng)和SISO瑞利衰落信道系統(tǒng)相比,Alamouti空時編碼系統(tǒng)取得的分集優(yōu)勢是明顯的。與AWGN信道系統(tǒng)對比,2發(fā)1收Alamouti方案具有更高的信噪比,與SISO瑞利衰落信道系統(tǒng)相比,2發(fā)1收Alamouti方案誤比特率(BER)比較低。
MIMO系統(tǒng)仿真過程中,可將天線設(shè)置成兩個發(fā)射天線和兩個接收天線,通過同樣的仿真方法可得到仿真結(jié)果如下圖3所示。
圖3 Alamouti編碼方案(2發(fā)2收)
從圖3分析可知,2發(fā)2收Alamouti方案系統(tǒng)性能要比2發(fā)1收的性能更好,在低信噪比的情況下,2發(fā)2收系統(tǒng)的誤比特率(BER)最低。對比兩個實驗結(jié)果可知,本文提出的Alamouti空時編碼系統(tǒng)方案誤比特率(BER)最低,而且具有很高的信噪比,系統(tǒng)傳輸信號的穩(wěn)定性最好。
本文介紹了一種基于Alamouti空時編碼的MIMO系統(tǒng)設(shè)計方案,該方案通過Alamouti空時編碼技術(shù)分別對MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端進(jìn)行分集,利用不同的Alamouti空時塊編碼技術(shù)消除信號傳輸過程中的碼間串?dāng)_,并在接收端設(shè)定最佳判決式,使用最佳判決式的解作為MIMO系統(tǒng)的譯碼準(zhǔn)則,這樣可以明顯縮小選擇最佳發(fā)射信號的捕獲空間,減少搜索時間,從而大幅度的簡化了接收端的復(fù)雜度。最后,通過Matlab仿真實驗與其他兩種MIMO系統(tǒng)方案對比,結(jié)果證明本文提出的方案在低信噪比的情況下系統(tǒng)誤碼率比較低,可以明顯改善系統(tǒng)的傳輸性能。