3 第 48卷 第 4期 　2008年 4月 电讯技术 Telecommunication Engineering　 Ap r. 2008　 文章编号 : 1001 - 893X (2008) 04 - 0030 - 04 一种 M IMO - O FDM 无线通信系统的设计与仿真 吴 　虹 ,丁 　勇 ,赵迎新 ,谭卫毅 ,宋士天 ,戈立军 (南开大学 信息技术科学学院 ,天津 300071) 摘 　要 :通过研究多输入多输出正交频分复用 (M IMO - OFDM )系统的基本原理 ,设计了两发一收和两 发两收的相应系统 ,其数字调制方式采用多进制相移键控调制 ,空时编码采用 A lamouti方案 ,信道编码 采用 RS编码。利用 Matlab软件对该系统进行了仿真 ,并分析了系统的差错性能。仿真结果表明 ,该方 案设计正确 ,系统不仅具有较高的频谱利用率和较好的差错性能 ,而且具有较高的应用价值。 关键词 :移动通信 ; M IMO - OFDM;空时编码 ;多进制相移键控 中图分类号 : TN 929. 5　　文献标识码 : A Design and Implementation of a M IMO - OFDM W ireless Commun ica tion System WU Hong, D IN G Yong, ZHAO Y ing - x in, TAN W ei - yi, SON G S hi - tian, GE li - jun (College of Information Technology, Nankai University , Tianjin 300071, China) Abstract: The basic theory of Multip le - Input Multip le - Output - O rthogonal Frequency D ivision Multi p lexing (M IMO - OFDM ) system s is studied, 2Tx1Rx and 2Tx2Rx system s are designed in which Multi phase Shift Keying (MPSK) is used as digital modulation, A lamouti Coding technology is used as space - time coding, and Reed - Solomon (RS) coding is used as channel coding. The system is simulated by u sing Matlab, and system performance is analyzed. The simulation results confirm that the design scheme is feasible. The system has not only high spectral efficiency, but also low BER , and it hasw ide app lications. Key words:mobile communication; M IMO - OFDM; space time coding; MPSK modulation 1　引 　言 多输入多输出 (Multip le - Input Multip le - Out put,M IMO ) 技术能够在空间产生独立的并行信道 的同时传输多路数据流 ,有效地增加系统的传输速 率 。正交频分复用 (O rthogonal Frequency D ivision Multip lexing, OFDM ) 技术通过将频率选择性信道在 频域内转变成平坦信道 ,从而减小了多径衰落的影 响 。而将两者相结合构成的 M IMO - OFDM 系统 , 在技术上相互补充 ,可以获得更高的频谱利用率 ,具 有广阔的发展前景 [ 1 ] 。本文在对 M IMO - OFDM 系 统进行研究的基础上 ,用通信软件 Matlab进行了仿 真 。仿真结果显示 ,两发两收 M IMO - OFDM 系统 的差错性能明显优于两发一收系统 ,且系统采用里 德 - 索罗蒙 (Reed - Solomon, RS)信道编码后 ,性能 得到了明显的提高 。当信噪比 ( SNR ) 达到 25 dB 后 ,频率选择性衰落信道 QPSK调制方案两发两收 M IMO - OFDM 系统的误比特率 (BER ) 已经降到 10 - 4以下 ,具有较好的差错性能 。 收稿日期 : 2007 - 10 - 29; 修回日期 : 2008 - 03 - 07 基金项目 :天津市自然科学基金面上项目 (06YFJMJC00600) ;天津市应用基础及前沿技术研究计划重 点项目 (07JCZDJC5700) ·03· 

3 电讯技术 Telecommunication Engineering　 Ap r. 2008　 3 3 第 48卷 第 4期 　2008年 4月 3 3 3 3 3 2　A lam o u ti空时编码方案 A lamouti方案空时编码的关键特征是 :通过一 种简单的最大似然译码算法实现了充分的分集增 益 。A lamouti空时编码器原理框图如图 1 所示 ,其 中 , Tx1为发射天线 1, Tx2为发射天线 2。 图 1　A lamouti空时编码器原理框图 　　假定采用 M 进制调制方案 。在 A lamouti方案 空时编码中 ,首先调制每一组 m (m = logM 2 )个信息 比特 。然后 ,编码器在每一次编码操作中取两个调 制符号 x1 和 x2 的一个分组 , 并根据如下给出的编 码矩阵将它们映射到发射天线 : X = x1 x2 - x 2 x 1 (1) 　　编码器的输出在 2个连续发射周期里从两根发 射天线发射出去 。在第一个发射周期中 ,信号 x1 和 x2 同时从天线 1和 2分别发射 。在第二个发射周期 中 ,信号 - x 1 从天线 2发射 , 其中 x 1 是 x1 的复共轭 。分别用 x1 和 x2 来表示天 线 1和 2上的发射序列 : 2 从天线 1发射 , 而 x - x 2 ] x 1 = [ x1 , x2 = [ x2 , x 1 ] (2) 　　A lamouti方案的主要特征是两根发射天线的发 射序列是正交的 ,也就是说 ,序列 x1 和 x2 的内积为 0,即 : - x 2 x1 ·x2 = x1 x 2 x1 = 0 (3) 　　译码采用最大似然译码 ,MPSK (Multiphase Shift Keying)调制方案译码判决准则为 [ 2 ] x1 , ^x1 ) d2 ( ^x1 = a rgm in ^x1∈S ^x2 = a rgm in ^x2∈S d2 ( x2 , ^x2 ) (4) 3　M IMO - O FDM 系统 空时编码技术作为 M IMO 的核心技术 ,具有极 大提高无线通信系统的信道容量和数据传输速率的 能力 ,同时 ,该技术可以实现频谱效率和系统功耗的 最佳折衷 [ 3 ] 。 OFDM是一种调制技术 ,其主要思想是在频域内 将所给信道分成多个正交子信道 ,将待传的数据分到 各个子信道并行传输 ,它利用快速傅里叶变换 ( FFT) 及其逆变换 ( IFFT)实现调制和解调。OFDM 通信系 统可以有效地对抗频率选择性衰落 ,大大消除符号间 干扰。由于 OFDM允许子载波频谱部分重叠 ,其频谱 效率很高 ,因而是一种高效的调制方式 [ 4 ] 。 在实际中 ,由于许多无线信道是频率选择性衰 落信道 ,因而空时编码的设计将变得非常复杂 。而 将空时编码技术和 OFDM 技术两者很好地结合在 一起 ,可在发挥各自性能特点的同时 ,进一步提高系 统的总体性能 [ 5 ] 。 两发射天线 M IMO - OFDM 系统发射机框图如 图 2所示 。发射端 ,输入数据经过信道编码 ,然后通 过编码器进行空时编码 ,映射成复数符号 ,变成两路 输出 ,每一路数据再经串并变换 ,变成并行数据 ,进 行快 速 傅 里 叶 逆 变 换 , 即 在 每 个 子 载 波 上 进 行 OFDM 调制 ,再经并串变换 ,变成串行数据 ,再加循 环前缀以防止符号间干扰和载波间干扰 ,最后调制 到载波上并进行功率放大 ,经发射天线发射出去 。 图 2　两发射天线 M IMO - OFDM 系统发射机框图 　　一接收天线 M IMO - OFDM 系统接收机框图如 图 3所示 。接收过程与发射相反 ,发射信号经过信 道后 ,由接收机接收 ,去除循环前缀 ,得到有用信号 , 经过串并变换 ,变成并行数据 ,进行快速傅里叶变 换 ,即在每个子载波上进行 OFDM 解调 ,再经并串 变换 ,变成串行数据 ,经过译码器进行空时译码 ,再 进行信道译码 ,纠正随机错误和突发错误 ,输出数 据 。两接收天线 M IMO - OFDM 系统接收机框图如 图 4所示 ,原理与一接收天线系统相同 。 图 3　一接收天线 M IMO - OFDM 系统接收机框图 ·13· 

第 48卷 第 4期 　2008年 4月 电讯技术 Telecommunication Engineering　 Ap r. 2008　 误率大大降低 。采用格雷码不用付出任何代价就能 获得很大好处 ,并且格雷码只是一种指定关系 ,不需 要专门或额外的电路 [ 6 ] 。 在仿真过程中 ,假定每一根发射天线到接收天 线的衰落都是相互独立的 ,并且接收机完全知道信 道衰落参数 。仿真结果如图 6 所示 。仿真结果显 示 ,采用 8PSK - A lamouti方案 ,理想衰落信道两发 两收 M IMO - OFDM 系统 BER性能明显优于两发一 收系统 ,当 SNR 达到 23 dB 后 ,两发两收系统的误 比特率已经降到 10 - 4以下 。若采用 RS信道编码 , 系统性能将得到明显提高 ,当 SNR 达到 17 dB 后 , 两发两收系统的误比特率已经降到 10 - 4以下 。 图 6　M IMO - OFDM 系统 BER性能 　　再分别通过采用 QPSK和 BPSK调制方案对频 率选择性衰落信道 M IMO - OFDM 系统进行仿真 , 原理框图分别如图 7、图 8所示 。 图 7　QPSK - A lamouti空时编码器原理框图 图 8　BPSK - A lamouti空时编码器原理框图 图 4　两接收天线 M IMO - OFDM 系统接收机框图 4　仿真分析 根据 M IMO - OFDM 系统原理框图 ,利用 Matlab 软件进行仿真 ,采用相干 MPSK调制 A lamouti方案 。 首先对理想衰落信道两发一收和两发两收 M IMO - OFDM 系统进行仿真 ,采用相干 8PSK调制 ,信道编 码采用 RS (7, 3)码 。 图 5　8PSK - A lamouti空时编码器原理框图 　　图 5为 8PSK - A lamouti空时编码器原理图 ,每 3个输入信息比特映射为 8PSK调制器星座图上的 一个符 号 xi , 然后 相邻 两个符 号组 成一 组 , 通 过 A lamouti空时编码器编码 ,生成一个 2 ×2 的矩阵 。 例如 ,信息源产生比特流 011000,其中 011 三个比 特映射为符号 j, 000三个比特映射为符号 1,然后把 两个符号组成一组 [ j, 1 ] ,通过 A lamouti空时编码器 编码 ,生成一个 2 ×2的矩阵 : X = j 1 - 1 j - (5) 　　编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发 射天线发射出去 。在第一个发射周期中 ,信号 j和 1 同时从天线 1和 2分别发射 ,在第二个发射周期中 , 信号 - 1从天线 1发射 ,而 - j从天线 2发射 。分别 用 x1 和 x2 来表示天线 1和 2上的发射序列 : - 1 ] x1 = [ j, x2 = [ 1, - (6) 　　对于 MPSK调制器 ,采用了格雷码 。由于格雷 码相邻码元之间仅仅相差一位 ,因此在已知码元错 误的情况下 ,与二进制码相比 ,格雷码使得多比特错 j] ·23· 

第 48卷 第 4期 　2008年 4月 电讯技术 Telecommunication Engineering　 Ap r. 2008　 　　频率选择性衰落信道 M IMO - OFDM 系统仿真 图如图 9和图 10所示 。通过比较仿真曲线发现 ,采 用 BPSK系统 BER 性能最好 , QPSK次之 , 8PSK最 差 (但是采用 8PSK系统数据传输速率最快 , QPSK 次之 , BPSK最慢 ) 。当 SNR 达到 25 dB 后 ,两发两 收系统 QPSK调制方案的误比特率已经降到 10 - 4以 下 ,具有较好的差错性能 。 图 9　两发一收 M IMO - OFDM 系统 BER性能 统的 BER 性能 。通过研究发现 , M IMO - OFDM 系 统加空时编码技术可以在不增大发射功率和不扩展 频带的前提下实现高速率数据传输 ,是空间资源利 用技术的发展方向 ,满足第四代无线移动通信对高 速数据传输速率的要求 ,具有广阔的应用前景 。 参考文献 : [ 1 ] 　Hemanth Sampath, Shilpa Talwar, Jose Tellado, et al. A Fourth - Generation M IMO - OFDM B roadband W ireless System: Design, Performance, and Filed Trial Results [ J ]. IEEE Communication Magazine, 2002, 40 (9) : 143 - 149. [ 2 ] 　A lamouti S M. A simp le transm it diversity technique for IEEE Journal on Selected wireless communications [ J ]. A reas in Communications, 1998, 16 (8) : 1451 - 1458. [ 3 ] 　Naguib A F, Calderbank R. Space - time coding and sig nal p rocessing for high date rate wireless communications IEEE Signal Processing M agazine, 2000, 17 ( 3) : 76 [ J ]. - 92. [ 4 ] 　佟学俭 ,罗涛. OFDM 移动通信技术原理与应用 [M ]. 北京 :人民邮电出版社 , 2003. [ 5 ] 　Sun Yong, Xiong Zixiang. Progressive Image Transm ission over Space - Time coded OFDM - Based M IMO system s with Adap tive Modulation [ J ]. IEEE Transactions on Mo bile Computing, 2006, 5 (8) : 1016 - 1028. [ 6 ] 　Bernard Sklar. 数字通信 [M ]. 徐平平 ,等 ,译. 北京 :电 子工业出版社 , 2002. 作者简介 : 吴 　虹 ( 1967 - ) ,女 ,天津人 ,博士 , 副教授 ,研究方向为无线通信技术 , (电子 信箱 ) wuhong@ nankai, edu. cn; 图 10　两发两收 M IMO - OFDM 系统 BER性能 5　结 　论 本文介绍了 A lamouti方案空时编码技术 ,研究 了 M IMO - OFDM 系统的基本原理 ,并利用 Matlab 软件对 M IMO - OFDM 系统进行了仿真 ,分析了系 丁 　勇 (1973 - ) , 男 , 山东济宁人 , 硕士研究生 ,研究 方向为无线通信技术 ; 戈立军 (1984 - ) ,男 ,天津人 ,硕士 ,研究方向为通信与 信息系统 , (电子信箱 ) nankaixuezi@mail. nankai. edu. cn。 ·33·