黃迎春，孫 琦，馮永新，錢 博

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；2.東北大學(xué)，沈陽(yáng) 110004；3.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)遼寧有限公司撫順?lè)止?，遼寧 撫順 113008）

MIMO-OFDM通信系統(tǒng)抗干擾性能分析*

黃迎春1，2，孫 琦1，3，馮永新1，錢 博1

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；2.東北大學(xué)，沈陽(yáng) 110004；3.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)遼寧有限公司撫順?lè)止?，遼寧 撫順 113008）

在對(duì)MIMO-OFDM（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）模型分析的基礎(chǔ)上，對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾信號(hào)進(jìn)行了深入研究。通過(guò)仿真分析比較了采用不同空時(shí)編碼的基礎(chǔ)上MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)不同干擾信號(hào)的抗干擾性能。仿真結(jié)果表明：處于小區(qū)邊緣的用戶受到干擾信號(hào)的影響比較嚴(yán)重，并且與實(shí)際的MIMO-OFDM應(yīng)用系統(tǒng)的聯(lián)系比較緊密；相對(duì)于采用BLAST編碼方式的MIMO-OFDM系統(tǒng)采用STC編碼方式的MIMO-OFDM系統(tǒng)具有更好的抗干擾性能。

MIMO-OFDM，STTC，DBLAST

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，很多新的移動(dòng)無(wú)線技術(shù)被提出。MIMO-OFDM技術(shù)是結(jié)合MIMO和OFDM而得到的一種新的無(wú)線通信技術(shù)。兩者相結(jié)合能夠使無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容量大大增加，同時(shí)可以通過(guò)空間復(fù)用的編碼方式來(lái)提高信息傳輸速率［1-3］。雖然在MIMO-OFDM系統(tǒng)中各種調(diào)制技術(shù)以及編碼技術(shù)能夠抑制通信系統(tǒng)中存在的一些干擾，但是由于現(xiàn)代通信環(huán)境的復(fù)雜，以至于在實(shí)際的MIMO-OFDM通信系統(tǒng)中仍然存在多種干擾。本文主要分析在不同編碼方式下MIMO-OFDM通信系統(tǒng)在收到由于外部環(huán)境干擾時(shí)，系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型研究

下頁(yè)圖1為MIMO-OFDM系統(tǒng)原理框圖。

假設(shè)系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)為NT，接收天線數(shù)為NR，每一個(gè)OFDM符號(hào)含有N個(gè)正交子載波的基帶MIMO-OFDM系統(tǒng)。

圖1 MIMO-OFDM系統(tǒng)原理框圖

在t時(shí)刻，假設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)源為at=（at，1，at，2，…，at，2b），則該數(shù)據(jù)源傳輸速率為2b bit/s。假設(shè)該系統(tǒng)采用空時(shí)網(wǎng)格編碼，則經(jīng)過(guò)4狀態(tài)QPSK空時(shí)格型編碼后產(chǎn)生的符號(hào)信息為：

由于MIMO系統(tǒng)可以采用多種不同的編譯碼方式，所以常見(jiàn)的MIMO-OFDM系統(tǒng)可以分為BLAST-OFDM系統(tǒng)、STTC-OFDM系統(tǒng)、STBC-OFDM系統(tǒng)。其中，BLAST-OFDM系統(tǒng)為當(dāng)MIMO系統(tǒng)采用分層空時(shí)編碼時(shí)與OFDM系統(tǒng)相結(jié)合得到的MIMO-OFDM系統(tǒng)，分層空時(shí)編碼通過(guò)空間復(fù)用編碼方式可以提供高速的信息傳輸速率；STTC-OFDM系統(tǒng)是當(dāng)MIMO系統(tǒng)采用空時(shí)網(wǎng)格編碼時(shí)與OFDM系統(tǒng)相結(jié)合得到的MIMO-OFDM系統(tǒng)，空時(shí)網(wǎng)格編碼以格型編碼調(diào)制為基礎(chǔ)能夠提供最大可能的編碼增益和分集增益［4］；STBC-OFDM系統(tǒng)是當(dāng)MIMO系統(tǒng)采用空時(shí)分組編碼時(shí)與OFDM系統(tǒng)相結(jié)合得到的MIMO-OFDM系統(tǒng)，常用的空時(shí)分組編碼方式是Alamouti編碼，Alamouti編碼方式采用了正交原理設(shè)計(jì)空時(shí)碼字矩陣，可以克服空時(shí)網(wǎng)格譯碼復(fù)雜度隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加的缺點(diǎn)［5-6］。所以，當(dāng)MIMO系統(tǒng)采用不同的編碼方式時(shí)，MIMO-OFDM系統(tǒng)會(huì)具有不同的系統(tǒng)性能。

2 MIMO-OFDM系統(tǒng)中干擾信號(hào)類型

2.1 寬帶噪聲干擾

寬帶噪聲干擾是普遍存在于信道中的干擾信號(hào)。系統(tǒng)中存在的很多種干擾都可以看成是寬帶噪聲干擾。其主要是由高斯白噪聲構(gòu)成。這種干擾在實(shí)際的通信系統(tǒng)中是不可避免的。寬帶噪聲干擾可以等效為在系統(tǒng)的帶寬w內(nèi)加入寬帶白噪聲。它的最簡(jiǎn)單的生成方式就是將最簡(jiǎn)單的信號(hào)波形加入到信道中。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，寬帶噪聲干擾信號(hào)是存在于其中的最常見(jiàn)的也是最基本的干擾信號(hào)。

2.2 小區(qū)用戶干擾

在實(shí)際的傳輸系統(tǒng)中，一個(gè)地區(qū)內(nèi)會(huì)有多個(gè)通信小區(qū)存在并且一個(gè)通信小區(qū)內(nèi)會(huì)有多個(gè)MIMO-OFDM用戶同時(shí)存在。所以在實(shí)際的信號(hào)傳輸過(guò)程中，不僅用戶系統(tǒng)本身的各種干擾會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)的性能造成影響，同時(shí)來(lái)自同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的其他用戶的通信數(shù)據(jù)也會(huì)對(duì)該用戶造成影響，另外來(lái)自各個(gè)小區(qū)的邊緣，難免會(huì)收到來(lái)自其他小區(qū)用戶的干擾。

考慮一個(gè)多用戶的MIMO-OFDM系統(tǒng)?；径撕兔總€(gè)移動(dòng)臺(tái)分別配置NB和NM根天線。發(fā)射給用戶k（k=1，…，K）的數(shù)據(jù)dk可以表示為L(zhǎng)k×1的符號(hào)向量，Lk是發(fā)射到用戶k的并行數(shù)據(jù)流的數(shù)目。假設(shè)信道是平坦衰落信道。用戶k到基站的信道表示為Hk，信道矩陣Hk是大小為Nk×MT的矩陣，其中從基站端的發(fā)射天線i到接收端的接收天線j的信道衰落系數(shù)（j，i）服從獨(dú)立零均值的復(fù)高斯分布。則用戶k的接收信號(hào)可以用大小為Nk的向量表示為：

其中，nk為Nk×1的向量，服從N（0，σ2）的分布?？梢钥闯鲇脩鬹不僅要消除自身傳輸過(guò)程的干擾，還要抑制其他用戶帶來(lái)的干擾。

如果該用戶位于小區(qū)邊緣，則用戶k的接收信號(hào)可以表示為：

其中，Hkin為原小區(qū)信道矩陣，Hkout為其他小區(qū)信道矩陣，R為其他小區(qū)用戶數(shù)量?？梢钥闯鑫挥谶吘壍男^(qū)用戶k同時(shí)還會(huì)受到來(lái)自其他小區(qū)用戶的干擾影響。

3 MIMO-OFDM系統(tǒng)抗干擾性能仿真

為了更好地研究MIMO-OFDM系統(tǒng)的抗干擾性能，建立了采用不同編碼方式2發(fā)2收的MIMO-OFDM通信系統(tǒng)。其中，映射方式均為QPSK映射，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512，仿真信道為平坦瑞利衰落信道，接收端采用理想信道估計(jì)。則BLAST-OFDM系統(tǒng)采用對(duì)角分層編碼方式，最大似然譯碼算法。STTC-OFDM系統(tǒng)采用4狀態(tài)QPSK編碼方式，Viterbi譯碼算法。STBC-OFDM系統(tǒng)采用Alamouti編碼方式，最大似然譯碼算法。

假設(shè)：①加入到MIMO-OFDM系統(tǒng)中的干擾信號(hào)分別為寬帶噪聲干擾信號(hào)、同小區(qū)用戶干擾信號(hào)以及來(lái)自其他小區(qū)用戶干擾信號(hào)；②寬帶噪聲干擾為高斯白噪聲信號(hào)；③小區(qū)干擾用戶數(shù)為2；④位于小區(qū)邊緣用戶，受到其他小區(qū)用戶干擾數(shù)目為2；⑤忽略通信系統(tǒng)內(nèi)部干擾。

圖2 3種不同編碼下MIMO-OFDM系統(tǒng)抗寬帶噪聲干擾能力

圖2為MIMO-OFDM系統(tǒng)采用3種不同編碼方式時(shí)，系統(tǒng)加入寬帶噪聲干擾時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率。

由圖2可以看出：相對(duì)于DBLAST-OFDM系統(tǒng)，STC-OFDM系統(tǒng)具有更好地抗寬帶噪聲干擾性能。比較兩種STC-OFDM系統(tǒng)可知，兩種在對(duì)抗寬帶噪聲干擾時(shí)具有相似的抗干擾性能。此外，STTC-OFDM系統(tǒng)雖然對(duì)寬帶噪聲干擾的抵抗能力更強(qiáng)，但是其譯碼過(guò)程過(guò)于復(fù)雜并不適合在實(shí)際的高速率多天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，采用STBC編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)具有更好的研究?jī)r(jià)值及使用價(jià)值。

圖3為當(dāng)MIMO-OFDM系統(tǒng)采用3種不同編碼方式時(shí)，系統(tǒng)加入同小區(qū)其他用戶的干擾信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。也就是在3種不同編碼方式下的MIMO-OFDM系統(tǒng)分別加入與其編碼方式相同的MIMO-OFDM信號(hào)。

圖3 3種不同編碼MIMO-OFDM系統(tǒng)抗同小區(qū)用戶干擾能力

從圖3中可以看出：隨著干信比的增加，由于加入同小區(qū)的用戶數(shù)比較少，在采用3種不同的編碼方式時(shí)，干擾信號(hào)對(duì)原信號(hào)造成的影響比較小。此外，不管采用何種編碼方式，當(dāng)受到本小區(qū)少用戶干擾時(shí)，系統(tǒng)受到的干擾影響都比較小。但是綜合以上分析可知，STBC-OFDM系統(tǒng)具有更好的抗干擾性能。

圖4 3種不同編碼MIMO-OFDM系統(tǒng)抗其他小區(qū)用戶干擾能力

圖4為當(dāng)系統(tǒng)無(wú)其他信號(hào)干擾時(shí)，MIMO-OFDM系統(tǒng)采用3種不同編碼方式時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于加入其他小區(qū)用戶的干擾信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。也就是在3種不同編碼方式下的MIMO-OFDM系統(tǒng)中分別加入與其編碼方式不同的MIMO-OFDM信號(hào)。

從圖4中可以看出：相對(duì)于加入同小區(qū)用戶干擾，來(lái)自其他小區(qū)的干擾信號(hào)對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)的干擾能力更強(qiáng)。從理論分析可知，STC編碼具有更強(qiáng)的安全性，根據(jù)仿真圖也可以看出在干信比相同的條件下采用STC編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)具有更低誤碼率。

圖5～圖7為3種不同干擾信號(hào)對(duì)3種MIMO-OFDM系統(tǒng)性能影響的對(duì)比圖。

圖5 STTC-OFDM系統(tǒng)對(duì)3種不同干擾信號(hào)的抗干擾性能

圖6 DBLADT-OFDM系統(tǒng)對(duì)3種不同干擾信號(hào)的抗干擾性能

圖7 STBC-OFDM系統(tǒng)對(duì)3種不同干擾信號(hào)的抗干擾性能

從圖5～圖7中可以看出：寬帶噪聲干擾對(duì)3個(gè)系統(tǒng)性能的影響比較弱；來(lái)自同小區(qū)干擾信號(hào)和來(lái)自不同小區(qū)干擾信號(hào)對(duì)采用不同編碼方式的MIMO-OFDM系統(tǒng)性能的影響比較明顯；尤其位于小區(qū)邊緣的用戶會(huì)受到多種干擾信號(hào)的影響，系統(tǒng)性能會(huì)明顯下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

①M(fèi)IMO-OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹饕щy不僅包括來(lái)自接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼時(shí)自身的錯(cuò)誤影響，還包括來(lái)自其他用戶或者外加信號(hào)對(duì)通信系統(tǒng)傳輸過(guò)程造成的干擾。②寬帶噪聲干擾普遍存在于系統(tǒng)傳輸?shù)男诺乐?，小區(qū)用戶干擾一種是由于同小區(qū)間多個(gè)用戶之間相互會(huì)造成干擾，另一種是處于小區(qū)邊緣的一些用戶，會(huì)受到來(lái)自其他小區(qū)用戶的干擾影響。③處于小區(qū)邊緣的用戶受到干擾信號(hào)的影響比較嚴(yán)重，并且與實(shí)際的 MIMO-OFDM應(yīng)用系統(tǒng)的聯(lián)系比較緊密。④MIMO-OFDM系統(tǒng)中，STC比BLAST編碼方式具有更顯著的抗干擾性能；STTC的抗干擾性能略好于STBC。

［1］楊國(guó)榮，馬榮.MIMO-OFDM系統(tǒng)空時(shí)編碼技術(shù)的研究［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，6（4）：328-331.

［2］趙海軍，李敏，崔夢(mèng)天，等.基于STBC的MIMO-OFDM系統(tǒng)中I/Q不平衡及CFO的聯(lián)合均衡策略［J］.通信學(xué)報(bào)，2013，34（11）：51-58.

［3］Skraparfis D，Kanellopoulos J D.Design of Pre-processing Algorithms for Efficient MIMO-OFDM Receiver Architectures［J］.Physical Communication，2010（3）：37-47.

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［5］Kwon U K，Im G H，Lim J B.MIMO Spatial Multiplexing Technique with Transmit Diversity［J］.IEEE Signal Processing Letters，2009，16（7）：620-623.

［6］Vehkapera M，Juntti M.On the Performance of Space-time Coded and Spatially Multiplexed MIMO Systems with Linear Receivers［J］.IEEE Transactions on Communications，F(xiàn)ebruary，2010，58（2）：642-651.

Analysis of Anti-jamming Performance for MIMO-OFDM

HUANG Ying-chun1，2，SUN Qi1，3，F(xiàn)ENG Yong-xin1，QIAN Bo1
（1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；
2.Northeastern University，Shenyang 110004，China；
3.CMCC Liaoning Co.，Ltd，F(xiàn)ushun Branch，F(xiàn)ushun 113008，China）

Based on model analysis of Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，the common interference of MIMO-OFDM system is researched deeply.Through the simulation analysis，the difference anti-jamming performance of difference jamming signals from MIMO-OFDM system with different space-time code are compared.The result of simulation indicate that at the cell edge users affected by the interference signal is more serious，and connect closely with the practical application of MIMO-OFDM system;and the MIMO-OFDM system of STC coding method has better anti-jamming performance than MIMO-OFDM system adopts BLAST coding mode.

MIMO-OFDM，STTC，DBLAST

TN97

A

1002-0640（2015）07-0067-04

2014-05-09

2014-07-27

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃基金（NCET-11-1013）；遼寧省教育廳科學(xué)研究基金（L2011035，L2012065，L2013085）；遼寧省科技廳基金資助項(xiàng)目（20121038）

黃迎春（1976- ），男，遼寧瓦房店人，博士研究生，副教授。研究方向：信息對(duì)抗技術(shù)，復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及形式化驗(yàn)證技術(shù)。