可見光通信MIMO-OFDM技術(shù)研究

姜筱彤（通訊作者），高 歡，李日淼，劉世順，李 萍

（大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 大連 116034）

1 引言

MIMO技術(shù)是通過在發(fā)射和接收端連接多個天線來阻抑信道間衰落[1]，能夠加倍地增加整個系統(tǒng)的信道容量與性能。OFDM技術(shù)可以有效地降低無線通信傳輸過程中遇到的衰落[2]，干擾和噪聲對信號產(chǎn)生的影響，從而大范圍提升無線通信系統(tǒng)中信道容量與傳輸速度。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展越來越快,用戶對通訊數(shù)據(jù)的傳輸速度和系統(tǒng)性能要求逐漸變得嚴(yán)格起來,因此如何在無線通信中將系統(tǒng)性能和信道容量提升變得愈發(fā)重要[3]。MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合能夠提升系統(tǒng)頻譜利用率和容量，多個平坦的衰落子信道中能抑制干擾和改善信道的衰落。本文對MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，在MATLAB軟件的Simulink庫仿真MIMO-OFDM系統(tǒng)，研究系統(tǒng)的誤碼性能。

2 OFDM技術(shù)原理

正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是多載波調(diào)制技術(shù)的一個分支，基本實(shí)現(xiàn)方法通過把高速串行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗦废鄬Φ退俨⑿凶訑?shù)據(jù)流然后把調(diào)制后的數(shù)據(jù)放到每一個子信道中傳輸，從而使符號脈沖寬度增大，整個系統(tǒng)的抗多徑衰落性能得到了提升。為了防止出現(xiàn)載波間干擾（ICI）,即為子信道之間的相互干預(yù)，接收端使用相應(yīng)的技術(shù)把正交信號分離。假設(shè)每一個子信道為平坦信道，子信道信號帶寬比相關(guān)帶寬小能使符號間干擾(ISI)降低[4]。由于每個子信道信號帶寬為原始信號帶寬的其中一部分，信道間的均衡總的來說簡單些。

OFDM技術(shù)減小和消除碼之間串?dāng)_是為了抑制信道頻率選擇性衰落，基本原理為把信號分成的N個子信號調(diào)制到相互正交的次載波上，由于次載波頻譜重疊進(jìn)而頻譜效率也會得到提升[5]。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理框圖Figure1.Schematicdiagram of OFDM system

發(fā)射端是由串并變換和映射組成的，通過串并變換的方法將信息序列轉(zhuǎn)變?yōu)镹個并行的符號,在每個分支路單獨(dú)調(diào)制后并行的符號合成N個不一樣的次載波信號。由多個次載波信號合成的OFDM也被稱為頻分復(fù)用方式。一個OFDM符號用數(shù)學(xué)方式表達(dá)可以表示為：

3 MIMO-OFDM系統(tǒng)

MIMO的主要技術(shù)是空時編碼技術(shù)，可以大大提升整個無線電通信系統(tǒng)的信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以降低系統(tǒng)的頻譜效率與功耗。

MIMO技術(shù)是在發(fā)射與接收兩端采用若干個天線，即使傳輸速率得到了很大的提升但帶寬沒有增大。它能夠通過多個天線抑制信道的衰落。多變量系統(tǒng)（MIMO）和傳統(tǒng)的單變量系統(tǒng)（SISO）相比，還包括單輸入多輸出系統(tǒng)（SIMO）和多輸入單輸出系統(tǒng)（MISO）。輸入的信息流通過空時編碼技術(shù)轉(zhuǎn)變成N個信息子流，發(fā)送端的N個天線將信息子流發(fā)送到自由空間信道后由接收端的M個天線接收[6]。MIMO技術(shù)因為利用空時編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)子流區(qū)分和解碼，對數(shù)據(jù)流進(jìn)行最佳處理。

MIMO系統(tǒng)在具備抗多徑衰落優(yōu)勢的同時也存在多徑干擾的頻率響應(yīng)呈現(xiàn)周期性衰落的缺陷，而OFDM的總帶寬能夠分成無數(shù)個窄帶子載波，剛好能夠彌補(bǔ)MIMO技術(shù)的缺陷。在無線通信系統(tǒng)中系統(tǒng)的傳輸速度隨著OFDM載波數(shù)的增大而提升,但同時系統(tǒng)的復(fù)雜度會增大帶寬也會被占用。MIMO技術(shù)則能在不加大帶寬的同時得到更多信道容量，系統(tǒng)的容量與頻譜效率增大了一倍，它是使空間資源轉(zhuǎn)換成頻譜資源[7]。兩個技術(shù)的結(jié)合能夠使系統(tǒng)頻譜利用率和容量得到提高，多個平坦的衰落子信道中能抑制干擾和改善信道的衰落。圖2為MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖。

圖2 STBC-OFDM系統(tǒng)框圖Figure 2. block diagram of STBC-OFDM system

4 空時編碼技術(shù)

空時編碼技術(shù)(STC)能夠?qū)崿F(xiàn)空分多址從而提高信道容量。空時編碼技術(shù)的運(yùn)用是使系統(tǒng)得到最大正交發(fā)射天線分集，保證信道流量不變并且誤碼率降低。通常它分為空時格碼(STTC)和空時分組碼(STBC)。而空時格碼的傳輸速率增大，它的譯碼復(fù)雜度也會越來越高，因此本文討論的內(nèi)容主要是空時分組碼。在1998年Alamouti為了降低譯碼的難度，提出兩發(fā)兩收天線的傳輸方式，譯碼難度遠(yuǎn)低于空時格碼且結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，所以稱之為Alamouti碼。

Alamouti碼的碼字每行每列必須彼此正交因此接收端采用最簡易的線性解碼就能還原信號，接收端解碼部分利用最大概似估計（ML）檢測算法。圖3是Alamouti空時編碼發(fā)送端原理框圖。

圖3 Alamouti空時編碼發(fā)送端原理框圖Figure 3. schematic diagram of Alamouti space-time code sending end

假設(shè)在調(diào)制的方案中使用M進(jìn)制調(diào)制。那么在整個方案中首先信息源將信號傳出，對信號進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制后信號x1和x2分為一組，按照空時碼字矩陣對其編碼。

并且整個系統(tǒng)的平均傳輸速率為1，信道容量并沒有因此而降低。

在接收端使用極大似然譯碼作為譯碼方式，解碼準(zhǔn)則為：

圖4為接收端原理框圖。

圖4 空時編碼接收端原理框圖Figure 4. schematic diagram of space-time code receiver

5 仿真研究

5.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)創(chuàng)建好的可見光通信MIMO-OFDM系統(tǒng)的模型，用MATLAB軟件內(nèi)Simulink器件庫搭建好整個系統(tǒng)然后對其仿真，分析其性能。在仿真的整個過程中均是無線通信環(huán)境下。現(xiàn)對各參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)的工作頻率為4.6GHZ，OFDM次載波數(shù)為48個，調(diào)制方式采用8PSK，信道編碼為RS碼，保護(hù)間隔是800ns，仿真系統(tǒng)為多徑信道模型，系統(tǒng)的編碼方式是空時分組碼，極大似然判決法作為解碼時的算法。

5.2 仿真分析

（1）為研究調(diào)制方式對系統(tǒng)誤碼率的影響，現(xiàn)對22STBC-OFDM系統(tǒng)仿真，考察其性能結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同調(diào)制方式對系統(tǒng)誤碼性能影響Figure 5. effect of different modulation modes on the system error performance

根據(jù)圖5可以看出雖然8PSK調(diào)制方式的系統(tǒng)誤碼率最高但傳輸速率最快，BPSK的系統(tǒng)誤碼率是最低的，QPSK次之。從結(jié)果中可以看出系統(tǒng)的誤碼性能會隨著整個系統(tǒng)的吞吐量上升而降低。

（2）在高斯信道環(huán)境下對單OFDM系統(tǒng)與與STBCOFDM系統(tǒng)仿真。由圖6中的結(jié)果可以得出高斯信道環(huán)境中系統(tǒng)的誤碼性能差距明顯，盡管兩個系統(tǒng)在信噪比逐漸變大的同時誤碼率均有所減小，但同時在誤碼率為10-2時，MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能明顯好過單OFDM系統(tǒng)3dB。由此可以看出與單OFDM系統(tǒng)相比,STBC-OFDM系統(tǒng)的整體性能得到了提升。

圖6 MIMO-OFDM系統(tǒng)與單OFDM系統(tǒng)誤碼性能比較Figure 6. comparison of MIMO-OFDM system and single OFDM system error performance

（3）在確定了信道環(huán)境與調(diào)制方式一致的情況下，改變MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射和接收天線的數(shù)量并對其進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同天線數(shù)誤碼率比較Figure 7.comparison of bit error rates of different antennas

從仿真結(jié)果看出，調(diào)制方式和信道環(huán)境相同情況下，42 STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于21 STBC-OFDM系統(tǒng)，因此可以得出在發(fā)射天線數(shù)量不變的條件下，隨著接收天線數(shù)量的不斷增加系統(tǒng)誤碼性能也隨著降低。四發(fā)射天線SIBC-OFDM系統(tǒng)整體性能優(yōu)于兩個發(fā)射天線STBC-OFDM系統(tǒng)，由此可以得出在接收天線數(shù)一定時，系統(tǒng)的誤碼率隨著發(fā)射天線數(shù)量增大而降低。分集能夠隨著發(fā)射天線數(shù)量的增大而有效的增大同時抗多徑時延能力增大系統(tǒng)的誤碼性能會下降。

由此得到信噪比斜率隨著分?jǐn)?shù)級數(shù)的增大而增大，即發(fā)射與接收的天線個數(shù)越大信噪比斜率越大，雖然系統(tǒng)的誤碼率會隨著發(fā)射和接收天線的增加而降低，但隨之成本和系統(tǒng)搭建復(fù)雜程度也會變高。在STBC-OFDM中兩發(fā)系統(tǒng)編碼速率為1，四發(fā)系統(tǒng)為1/2因此兩發(fā)系統(tǒng)傳輸速率比四發(fā)系統(tǒng)高，在實(shí)際應(yīng)用中并不是天線數(shù)越多越好，應(yīng)根據(jù)情況再確定天線數(shù)量。

（4）在整個仿真過程中，假設(shè)接收端已知信道衰落的參數(shù)且每個發(fā)射和接收天線的衰落均為獨(dú)立。圖8是RS碼對系統(tǒng)誤碼性能影響的結(jié)果圖。

圖8 MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能Figure 8.MIMO-OFDM system error performance

通過結(jié)果圖8所示，理想衰落信道環(huán)境使用RS編碼后的22MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼性能得到了非常大的提升，當(dāng)信噪比是17dB的時候可以看到系統(tǒng)的BER在以下。

（5）現(xiàn)對仿真的參數(shù)進(jìn)行改變，OFDM子載波數(shù)是64，保護(hù)間隔是8，不使用卷積編碼與交織。對MIMOOFDM系統(tǒng)和STBC-OFDM系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果為圖9。

圖9 STBC對系統(tǒng)性能影響Figure9.impactof STBCon system performance

從圖9能夠看出STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于MIMOOFDM系統(tǒng)誤碼率。因此在MIMO-OFDM系統(tǒng)中添加空時編碼技術(shù)可以提升系統(tǒng)的誤碼性能。

6 結(jié)語

由于無線通信技術(shù)的發(fā)展越來越快，人們對于通信數(shù)據(jù)的傳輸速度要求也有了一定的提高。MIMO-OFDM系統(tǒng)可以改善在可見光通信中存在的兩大難題：多徑信道衰落與帶寬效率的提升。本文通過對OFDM技術(shù)、MIMO-OFDM系統(tǒng)和STBC的原理闡述，在MATLAB軟件搭建STBC-OFDM系統(tǒng)后仿真。結(jié)果顯示系統(tǒng)的誤碼性能會隨著整個系統(tǒng)的吞吐量上升而降低，因此在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中可以利用不同的信道估計算法改善系統(tǒng)性能；STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率低于單OFDM系統(tǒng)；系統(tǒng)的誤碼率隨著分集級數(shù)的增加而降低，實(shí)際應(yīng)用中不是使用越多天線越好應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇天線數(shù)量；MIMO-OFDM系統(tǒng)在理想衰落信道環(huán)境中使用RS編碼能夠使系統(tǒng)的誤碼性能得到提升；MIMO-OFDM系統(tǒng)中添加空時編碼技術(shù)可以提高系統(tǒng)的誤碼性能。