MIMO-OFDM系统性能的研究

(宝鸡文理学院物理与信息技术系，陕西 宝鸡 721016)

MIMO-OFDM系统性能的研究

刘小群

(宝鸡文理学院物理与信息技术系，陕西 宝鸡 721016)

0 引言

不断增长的信息传输需求，使得有限的频谱资源变得日益紧张。在未来的宽带通信系统中，存在2个最严峻的挑战，即多径衰落信道和带宽效率[1-2]。

MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。还有一种就是OFDM技术，OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率[3]。MIMO和OFDM相结合可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好地增强系统的稳定性。

针对空时编码大多数都是以平坦衰落信道为前提的问题，在频率选择性衰落信道下，将空时分组编码STBC同正交频分复用(OFDM)技术结合起来(STBC-OFDM)，建立了OFDM-STC系统模型，并研究了其性能。

1 MIMO-OFDM系统模型

1.1 OFDM系统

OFDM(正交频分复用)技术是多载波窄带传输的一种，其子载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成多个正交子信道，然后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除信道波形间的干扰。由于OFDM是一种多载波调制技术，OFDM系统采用正交方法来区分不同子载波，子载波间的频谱可以相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又极大地提高了频谱利用率。因此，多载波系统具有较高的传输能力以及抗衰落和干扰能力[4]。

OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对OFDM信号的解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。提交给CCITT的测试报告表明，能够引起多载波系统发生错误的脉冲噪声的门限电平比单载波系统高11dB。OFDM系统的原理如图1所示。

图1 OFDM系统的原理

OFDM系统存在的问题：

a.易受频率偏差和时变信道的影响，造成的ICI 限制了系统的性能。OFDM系统要求各个子载波之间相互正交，如果收发端载波不匹配，则子载波之间的正交性容易受到破坏，会产生载波间干扰(ICI)，限制了OFDM系统在高信噪比下的性能。一般要求剩余载波频率偏移不超出OFDM系统子载波间隔的2%，保证子载波上的载干比(CIR) 不小于30dB。

b.OFDM系统的发送信号是多个子载波上的发送信号的叠加，当多个信号同相相加时，叠加信号的瞬时功率很大，远远超出信号的平均功率，导致大峰值平均功率比(PAR)。这种PAR跟系统的发送子载波数成正比，高的PAR 对发送滤波器的线性范围要求提高，增加了设备的代价。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会产生信号畸变，信号频谱泄漏，各子载波之间的正交性也会遭到破坏，产生干扰，系统性能下降。

c.使用循环前缀(CP)是OFDM系统中消除ISI、同时避免ICI的一种有效方法，但是，增加循环前缀会使得频谱利用率降低20%以上，这样就会造成频谱资源的严重浪费。

1.2 MIMO-OFDM系统

在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落。然而MIMO可以抗多径衰落，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术和OFDM，而OFDM能够很好地解决频率选择性衰落问题。因此，MIMO-OFDM系统不仅有很高的频谱利用率，而且在OFDM基础上合理地开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能取得作用。MIMO-OFDM发射端及接收端分别如图2，图3所示。

图2 MIMO-OFDM发射端

图3 MIMO-OFDM接收端

发射端信源信息经过编码后分成多路，每路再进行IFFT处理通过天线输出，接收端通过天线接收每路信号，对每路信号进行FFT处理，再经过同步和解码输出。

2 MIMO-OFDM 系统空时分组编码

空时编码技术的形成就是对信号进行多天线发送和多天线接收。从广义的角度上来看，在发送和接收两端就形成了MIMO信道，因此，可以将空时码技术和OFDM的结合，看成是MIMO-OFDM系统的特例。空时码主要是利用在时间和空间上的分集技术，来获得一定的分集增益和编码增益[5]。但是，目前研究的空时编码大多数都是以平坦衰落信道为前提，而未来宽带移动通信的信道将都是严重的非平坦衰落信道，因而不能将空时编码直接运用到未来移动通信中去。OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和时域均衡等措施，可以有效降低符号间干扰。OFDM的最大特点正好弥补了空时编码的最大缺点，因此，可以将空时编码与OFDM结合起来。STC-OFDM系统的组成如图4所示[6]。

图4 OFDM-STC系统

STC-OFDM 是将输入的信息流经过串并转换，对得到的k路数据分别进行空时编码，这样就能得到k组包含N路信号的输出结果。然后，对这样的结果进行重新排列，再进行OFDM调制。经过IFFT变换以后，从相应的天线上发射出去。也就是说，要在OFDM系统中使用空时编码，就要先在每一子载波上进行空时编码，然后再进行IFFT调制，接收端先进行FFT解调，再对每个子载波上的数据流进行空时解码。

3 STBC-OFDM系统性能的仿真

3.1 不同接收天线对STBC-OFDM系统性能的影响

在仿真时，使用了Matlab 仿真工具，采用加入循环前缀的OFDM 系统，仿真系统采用瑞利衰落信道模型，STBC 使用的是Alamouti 编码。每个点的仿真次数为5 000。frame length=180;Number of packets=500。选择STBC-OFDM(2，1)和STBC-OFDM(2，2)系统进行对比。发射天线均为2根，接收天线不同时，性能不同。仿真结果如图5所示。由图5可以看出，两发两收的STBC-OFDM 系统的性能要比两发一收的STBC-OFDM系统性能好，这是因为前者的分集增益为4，而后者的分集增益为2。因此，在信道相同条件下，收发天线数越多，性能就越好[7-8]。

图5 STBC-OFDM(2，1)与STBC-OFDM(2，2) 在瑞利衰落下的性能比较

3.2 不同调制方式对同一系统性能的影响

为了分析不同调制方式对同一系统性能的影响，选择(3，1)STBC-OFDM系统进行仿真。先分别仿真出该系统在BPSK、QPSK、8PSK调制方式时的性能曲线，再将这3条曲线拟合在一起，便于比较分析。仿真结果如图6所示。

图6 (3，1)STBC-OFDM不同调制方式系统在瑞利衰落下的性能比较

由图6可以看出，3条曲线平行，这是因为都采用的是(3，1) STBC-OFDM系统，具有相同的分集增益。另外，在相同的误码率的条件下，8PSK方式需要的信噪比大于QPSK调制方式，QPSK方式需要的信噪比大于BPSK调制。调制的阶数越高，系统的误码率越大、性能越差。

3.3 单天线接收时不同发射天线对系统性能的影响

为了研究单天线接收时不同发射天线对系统性能的影响，选择STBC-OFDM(2，1)、STBC-OFDM(3，1)和STBC-OFDM(4，1)系统进行研究。采用的调制方式为QPSK，8PSK调制，先分别对STBC-OFDM(2，1)、STBC-OFDM(3，1)和STBC-OFDM(4，1)系统在QPSK、8PSK调制、瑞利衰落时的性能进行仿真，再将这3条曲线拟合在一起，结果如图7，图8所示。

图7 单天线接收QPSK调制STBC-OFDM系统在瑞利衰落下的性能比较

图8 单天线接收8PSK调制STBC-OFDM系统在瑞利衰落下的性能比较

从图7，图8可以看出，在调制方式、接收天线数相同时，随着发射天线数的增加，系统的抗干扰能力会提高。在相同的输入信噪比的条件下，(4，1)系统的误码率小于(3，1)系统，(3，1)系统的误码率小于(2，1)系统。

以上仿真结果表明，OFDM与多天线技术相结合，OFDM 的性能会有很大的提高，同时也可以使只能应用于平坦衰落信道的窄带MIMO技术能应用于宽带的频率选择性信道。

4 结束语

针对空时编码大多数都是以平坦衰落信道为前提的问题，在频率选择性衰落信道下，将空时分组编码STBC同正交频分复用(OFDM)技术结合起来(STBC-OFDM)，建立了OFDM-STC系统模型。通过Matlab软件仿真分析了OFDM-STBC系统的性能。仿真结果表明，与多天线技术相结合，OFDM 的性能会有很大的提升。而且随着收发天线数的增加，系统性能会提高。

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Stduy on Perfornance of MIMO-OFDM

LIUXiaoqun

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

针对空时编码不能直接应用于非平坦衰落信道的问题。提出了将正交频分复用(OFDM )与多输入多输出系统(MIMO)相结合的方案。建立了OFDM-STC系统模型。OFDM系统通过把信息分散到许多载波上，降低了各子载波的信号速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。利用Matlab软件对各系统的性能进行了仿真，仿真结果表明，结合后的OFDM-STBC系统较传统的STBC系统，可靠性获得了提升。

多输入多输出；正交频分复用；空时分组码；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

国家自然科学基金资助项目(11105003)；陕西省科技厅基金资助项目(2012JQ1005)

TN911.22

A

1001-2257(2014)09-0006-04

刘小群(1977-)，女，陕西兴平人，硕士研究生，讲师，研究方向为信息传输与编码理论，无线通信与调制技术。