王紅梅

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 廣東 珠海 519090)

MIMO技術(shù)在船舶通信平臺(tái)的技術(shù)研究及仿真

王紅梅

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 廣東 珠海 519090)

摘要：在現(xiàn)有的船舶通信平臺(tái)中，多輸入輸出系統(tǒng)(MIMO)平臺(tái)已經(jīng)得到廣泛研究。但是在船舶MIMO通信系統(tǒng)中，由于海面噪聲及多徑干擾的影響，利用基于陸面無(wú)線通信的一些技術(shù)，如頻分復(fù)用、多進(jìn)制相移調(diào)制調(diào)解技術(shù)以及傳統(tǒng)的信道編解碼并不能滿足通信系統(tǒng)對(duì)容錯(cuò)性能的要求。本文在研究了現(xiàn)有的MIMO通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩發(fā)射天線的MIMO船舶通信平臺(tái)，通過(guò)特定的時(shí)空及信道編碼及正交頻分復(fù)用技術(shù)，較好地解決了海面噪聲及多徑干擾問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：頻分復(fù)用技術(shù)；空時(shí)編碼；MIMO

0引言

MIMO通信平臺(tái)在發(fā)射端和接收端部署了多個(gè)天線，同一時(shí)刻進(jìn)行傳輸多路信號(hào)的發(fā)射和接收。在傳輸信道中，利用了多路信號(hào)的疊加原理，使之能夠在同一頻帶中傳輸。在不增加頻譜資源的同時(shí)，有效地增加了整個(gè)通信系統(tǒng)容量；同時(shí)，利用多路信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性以及正交復(fù)用技術(shù)，最終接收信號(hào)的信噪比并沒(méi)有增加，通信質(zhì)量能夠滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。

在船舶通信平臺(tái)中，由于海面噪聲及多徑干擾的影響，其利用陸面MIMO通信系統(tǒng)中的一些技術(shù)，如Huffman時(shí)空編碼、卷積信道編碼已經(jīng)不能滿足通信系統(tǒng)的性能要求。這就要求針對(duì)特定環(huán)境下的海面通信MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。

本文在研究了海面通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種利用Alamouti時(shí)空編碼、RS信道編碼的正交頻分復(fù)用MIMO通信平臺(tái)。最后通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的信噪比，在海面通信系統(tǒng)中有較好的利用價(jià)值。

1MIMO通信系統(tǒng)及編碼技術(shù)

1.1　MIMO通信系統(tǒng)模型

圖1　MIMO通信系統(tǒng)模型Fig.1　The structure of MIMO communication system

MIMO通信系統(tǒng)原理如圖1所示。圖中，MIMO通信系統(tǒng)的發(fā)射端有Nt個(gè)發(fā)射天線，其發(fā)射信號(hào)用xi(i=1,2,…Nt)表示；接收端有Nr個(gè)接收天線，其接收信號(hào)用ri(i=1,2,…Nr)表示；MIMO通信信道矩陣用H表示，其中元素hij為第i個(gè)發(fā)射天線至第j個(gè)接收天線的信道衰減系數(shù)。接收信號(hào)有如下表達(dá)式：

(1)

式中ni為i個(gè)發(fā)射天線信號(hào)xi混入的噪聲，且噪聲均值為0的高斯計(jì)量并且與本身的信號(hào)不相關(guān)聯(lián)。

1.2　Alamouti時(shí)空編碼

時(shí)空編碼是隨著近代無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種編碼技術(shù)，作為無(wú)線通信系統(tǒng)中抗多徑衰落一種主要技術(shù)得到快速發(fā)展。在海面信號(hào)傳輸中，其多徑傳輸穩(wěn)定性較差，這里選取了Alamouti方案進(jìn)行編碼，利用最大似然估計(jì)實(shí)現(xiàn)MIMO通信系統(tǒng)的分集增益、一定程度緩解了海面通信系統(tǒng)的多徑干擾。Alamouti編碼模型如圖2所示。

圖2　Alamouti編碼模型Fig.2　The structure of Alamouti space time coding

(2)

(3)

Alamouti編碼利用最大似然估計(jì)，則編碼后經(jīng)過(guò)MPSK調(diào)制信號(hào)，具有如下判斷準(zhǔn)則：

(4)

2海面MIMO正交頻分復(fù)用通信平臺(tái)

2.1　正交頻分復(fù)用-OFDM數(shù)學(xué)模型

在MIMO無(wú)線通信傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)在多徑信道中傳播會(huì)引起在時(shí)域及頻域的衰落拓展性。如果周期信號(hào)時(shí)長(zhǎng)小于相干時(shí)間，并且各信號(hào)之間正交，則多徑衰落影響最小。

完整的OFDM系統(tǒng)包括通信技術(shù)中的調(diào)制調(diào)解、載波數(shù)、調(diào)制復(fù)用后信號(hào)周期帶寬、信號(hào)采集周期以及頻域變化。OFDM系統(tǒng)將多徑信道映射為相應(yīng)的互補(bǔ)關(guān)聯(lián)的正交子信道，將MIMO天線發(fā)射的信號(hào)調(diào)制到這些正交子信道中，而接收天線無(wú)需對(duì)重疊信號(hào)進(jìn)行分離，只需要利用DFT(離散傅里葉變換)及IDFT(離散傅里葉逆變換)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，很大程度降低了接收系統(tǒng)的復(fù)雜度。完整的正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The structure of orthogonal frequency division multiplexing　communication system

設(shè)MIMO天線攜帶的信號(hào)符號(hào)周期Ts，基帶信號(hào)符號(hào)時(shí)長(zhǎng)寬B，符號(hào)傳輸速度R， 信號(hào)在信道中傳輸延遲時(shí)間Δm>Ts。圖3所示，將多徑信道分為正交的N個(gè)子信道，信道在子信道中的傳輸速率為R/N，同時(shí)信號(hào)符號(hào)周期拓展為NTs，然后利用多進(jìn)制信號(hào)調(diào)制MPSK對(duì)互相正交的子載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后信號(hào)有如下公式：

(5)

經(jīng)過(guò)MPSK調(diào)制后的信號(hào)周期變?yōu)镸Ts，則各子信道載波正交的條件為：

(6)

式中f0為第一個(gè)子信道的頻率。

OFDM系統(tǒng)由于各子信道載波的正交性，則在最終的接收基站中，能夠利用DFT(離散傅里葉變換)及IDFT(離散傅里葉逆變換)積分電路有效的分離各子信道：

(7)

2.2　海面MIMO-OFDM通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

已知本次MIMO-OFDM通信平臺(tái)的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為Alamouti時(shí)空編碼和正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。

在本系統(tǒng)中，利用Alamouti時(shí)空編碼能有效的提高信號(hào)符號(hào)在信道中的傳輸利用率及速度，同時(shí)使各信號(hào)互補(bǔ)相關(guān)，增加了信道的頻譜利用率。所以，利用Alamouti時(shí)空編碼增加了整個(gè)通信平臺(tái)的系統(tǒng)容量及實(shí)效性。

同樣，在第1.2節(jié)介紹的正交頻分復(fù)用技術(shù)結(jié)合MPSK調(diào)制技術(shù)，將復(fù)雜的海面通信多徑信道分解為多個(gè)互補(bǔ)干擾的正交子信道，同時(shí)在獨(dú)立的子信道內(nèi)利用MPSK對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，有效消除各信號(hào)之間的符號(hào)耦合及噪聲干擾，這對(duì)消除海面的強(qiáng)噪聲疊加起到很好的抑制作用。所以，在進(jìn)行海面通信平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)候，本文將Alamouti時(shí)空編碼及正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自在抗多徑干擾及消除噪聲的特點(diǎn)。分別設(shè)計(jì)兩發(fā)射天線、一接收天線MIMO-OFDM通信平臺(tái)及兩發(fā)射天線、兩接收天線的MIMO-OFDM通信平臺(tái)，并分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

MIMO-OFDM通信平臺(tái)的兩天線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　兩天線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.4　The structure of the two antenna transmitter

如圖4所示，在MIMO-OFDM通信平臺(tái)中，發(fā)射端混入海洋噪聲的初始信號(hào)經(jīng)過(guò)信道編碼、時(shí)空編碼后串并轉(zhuǎn)換，注意信號(hào)轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)與MPSK調(diào)制中多進(jìn)制個(gè)數(shù)正相關(guān)，后經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行OFDM調(diào)制，使信號(hào)調(diào)制到正交的子載波中，最后在發(fā)射前對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置循環(huán)，消除各比特流之間的耦合。

MIMO-OFDM通信平臺(tái)的接收機(jī)模型如圖5(1部接收天線)所示。

圖5　一天線接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5　The structure of the an antenna receiver

圖5為MIMO-OFDM通信平臺(tái)一天線接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖。由圖5可知，其對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程與發(fā)射端一一對(duì)應(yīng)。先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去前綴處理，得到的信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，在通過(guò)傅里葉變換，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到基帶信號(hào)，最后通過(guò)時(shí)空譯碼及信道譯碼，消除由于噪聲干擾造成的信號(hào)錯(cuò)誤，輸出原始信號(hào)數(shù)據(jù)。兩天線接收機(jī)的原理和一天線一樣，下面給出MIMO-OFDM通信平臺(tái)兩天線接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖6　兩天線接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.6　The structure of the two antennas receiver

3海面MIMO通信平臺(tái)系統(tǒng)仿真

3.1　仿真模型

在本次對(duì)海面MIMO-OFDM通信平臺(tái)的系統(tǒng)仿真模型中，采用8進(jìn)制MPSK調(diào)制方式，信道模型假設(shè)為理想的衰落模型，海洋噪聲為ni，RS(7,3)為通信系統(tǒng)發(fā)射端的信道編碼格式，整個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩發(fā)射天線、一接收天線及兩發(fā)射天線、兩接收天線通信系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

首先構(gòu)造基于8PSK-Alamouti的原理圖如圖7所示。

圖7　8PSK-Alamouti的原理圖Fig.7　The schematic diagram of 8PSK-Alamouti

圖7中，每3個(gè)串行bit組成1組，映射至8PSK-Alamouti星座圖上，映射后相鄰的并行信號(hào)再次組成1組，進(jìn)入Alamouti時(shí)空編碼器中，合成2×2的信號(hào)矩陣。初始串行信號(hào)為011000，通過(guò)8PSK調(diào)制映射為j和1兩個(gè)符號(hào)，組合進(jìn)入Alamouti時(shí)空編碼器中，生成矩陣如下：

(8)

在時(shí)域Alamouti時(shí)空編碼器，將矩陣進(jìn)行分離，通過(guò)2部天線進(jìn)行周期發(fā)送。第1個(gè)周期發(fā)送的信號(hào)為[j,-1]， 第2個(gè)周期發(fā)送的信號(hào)為[1,-j]， 以x1,x2進(jìn)行標(biāo)識(shí)：

x1=[j-1]，

x2=[1-j]。

(9)

同時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)空編碼后進(jìn)行信道編碼，采用RS(7,3)，使得相鄰符號(hào)位角度等間距。在混入海洋噪聲的情況下，使得各符號(hào)之間的耦合性變小，最終恢復(fù)信號(hào)信噪比較低。

3.2　仿真結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)海面多徑信道系數(shù)相互獨(dú)立，同時(shí)接收端已知各信道參數(shù)。系統(tǒng)采用8PSK調(diào)制技術(shù)，對(duì)2發(fā)1收通信平臺(tái)及2發(fā)2收通信平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)分別對(duì)有RS(7,3)信道編碼及無(wú)RS(7,3)信道編碼進(jìn)行仿真。整個(gè)海面MIMO-OFDM通信平臺(tái)仿真結(jié)果如圖8所示。

分析圖8可知，采用RS(7,3)信道編碼最后恢復(fù)出的信號(hào)誤碼率優(yōu)于無(wú)RS(7,3)信道編碼的誤碼率；同樣，2發(fā)2收通信平臺(tái)的性能也較2發(fā)1收

系統(tǒng)性能有所提高。

圖8　仿真結(jié)果圖Fig.8　The result diagram of the simulation

4結(jié)語(yǔ)

本文在研究了現(xiàn)有的MIMO通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)海洋噪聲干擾大，多徑信道不穩(wěn)定的特性，設(shè)計(jì)基于MIMO-OFDM海面通信平臺(tái)，最后對(duì)2發(fā)2收及2發(fā)1收的模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明此模型在海面通信系統(tǒng)中的有效性。

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Research on the MIMO technology for ship communication platform

WANG Hong-mei

(Guangdong Institute of Science and Technology,Zhuhai 519090,China)

Abstract：In the ship communication platform, MIMO communication system has been extensively researched. Because of the influence of sea surface noise and multipath interference, some technologies of wireless communication on land can’t meet the requirements of marine communication system. At last, this paper use alamouti space time coding and frequency division multiplexing technology to design a two antenna MIMO ship communication platform.

Key words：frequency division multiplexing technology; space time coding;MIMO

作者簡(jiǎn)介：王紅梅( 1966 - ) ，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2014-03-25； 修回日期： 2014-11-17

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0212-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.048

中圖分類號(hào)：TN919;TN929

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A