隨著通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的不斷激增,日益緊缺的頻譜資源與數(shù)據(jù)傳輸速率之間的矛盾逐漸突顯，如何在有限的頻譜資源中盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)以及在復(fù)雜的通信環(huán)境下提高通信系統(tǒng)的可靠性成為通信界一大熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

    參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]提出了一種MIMO技術(shù)與TDCS技術(shù)相結(jié)合的方案,并對(duì)其性能做了分析和仿真研究。此方案將MIMO技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)總功率的條件下大幅度提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點(diǎn)和TDCS較強(qiáng)的抗干擾、低檢測(cè)和低截獲性能有效地結(jié)合起來(lái)[3-4]，在一定程度上改善了傳統(tǒng)TDCS系統(tǒng)性能。但對(duì)參考文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步分析研究發(fā)現(xiàn)其使用全部可用子載波傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，頻帶利用率較低，并且它所使用的解調(diào)接收方法相對(duì)比較復(fù)雜。本文在對(duì)成熟的OFDM收發(fā)技術(shù)分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)符號(hào)加載。改進(jìn)后的系統(tǒng)能夠在保證一定誤碼率性能的同時(shí)提高系統(tǒng)頻譜利用率并簡(jiǎn)化接收端結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證了基于OFDM的多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)MIMO-TDCS(Multiple Input and Multiple Output-Transform Domain Communication System）在提高頻譜利用率方面是一個(gè)可以進(jìn)一步研究的方向。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型搭建
1.1 OFDM數(shù)據(jù)收發(fā)原理在MIMO-TDCS中的運(yùn)用
    基于OFDM的MIMO-TDCS系統(tǒng)的主要思想是對(duì)MIMO-TDCS符號(hào)在頻域調(diào)制方式下進(jìn)行多數(shù)據(jù)符號(hào)加載，然后經(jīng)OFDM收發(fā)技術(shù)收發(fā)[5]。在MIMO-TDCS系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)頻譜感知、空閑頻譜標(biāo)記和隨機(jī)相位添加后形成長(zhǎng)度為N(為了便于利用快速算法，N一般選取為2的冪次方)的基函數(shù)頻域向量，然后將N長(zhǎng)基函數(shù)頻域向量劃分成P段(為了每個(gè)子段能夠利用快速算法，P選取為2的冪次數(shù)方且P≤N)，用不同數(shù)據(jù)符號(hào)的頻域調(diào)制形式分別對(duì)不同子段調(diào)制(當(dāng)P=N時(shí)就類似于OFDM的數(shù)據(jù)調(diào)制形式，當(dāng)P=1時(shí)就相當(dāng)于原始MIMO-TDCS數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l域調(diào)制形式)，然后經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼和IFFT變換后由天線發(fā)送傳輸。OFDM收發(fā)思想在MIMO-TDCS中應(yīng)用的發(fā)送端原理圖如圖1。

1.2  收發(fā)端結(jié)構(gòu)模型
    基于OFDM收發(fā)思想的頻域調(diào)制解調(diào)的MIMO-TDCS系統(tǒng)就是將OFDM所利用FFT/IFFT調(diào)制解調(diào)思想引入MIMO-TDCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,目的是將OFDM成熟的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道估計(jì)技術(shù)和同步技術(shù)等應(yīng)用到MIMO-TDCS系統(tǒng)中，旨在進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)性能[6]。
    基于OFDM的MIMO-TDCS發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在圖2的發(fā)射機(jī)框圖中，系統(tǒng)首先對(duì)工作頻帶范圍內(nèi)的信道環(huán)境進(jìn)行頻譜感知，得到信道信號(hào)的頻域功率譜，然后將功率譜與已設(shè)定的門限比較確定干擾位置，剔除干擾所占用的頻帶，形成基函數(shù)頻域幅度譜向量，再將生成的與基函數(shù)頻域幅度譜向量同維數(shù)的隨機(jī)相位向量與基函數(shù)頻域幅度譜向量對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘，生成頻域基函數(shù)。接下來(lái)的處理過(guò)程有別于傳統(tǒng)的方法(將頻域基函數(shù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域基函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制)，而是將經(jīng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模塊（如圖1）的處理過(guò)程后的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)編碼，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為M路，再利用OFDM數(shù)據(jù)發(fā)送技術(shù)由對(duì)應(yīng)的M根發(fā)射天線發(fā)射傳輸。
    在PSK調(diào)制下，基于OFDM的MIMO-TDCS接收機(jī)框圖如圖3所示。接收天線通過(guò)OFDM接收方式接收傳來(lái)的發(fā)送數(shù)據(jù)、信道噪聲和干擾相混合的信號(hào)，經(jīng)IFFT變換輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)空時(shí)解碼器恢復(fù)原傳輸數(shù)據(jù)序列。接收端經(jīng)過(guò)頻譜感知、空閑頻譜標(biāo)記和添加隨機(jī)相位生成與發(fā)送端相一致的本地基函數(shù)，本地基函數(shù)取共軛變換再與接收數(shù)據(jù)相乘消除隨機(jī)相位的影響，隨后數(shù)據(jù)序列輸入P端轉(zhuǎn)換器分為P組，每組有N/P個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行累加求平均后由PSK解調(diào)方式解調(diào)，最后將各路解調(diào)結(jié)果經(jīng)過(guò)P端合并輸出。其中使用累加求平均模塊可以使噪聲平均化，消除個(gè)別子載波上較大的噪聲功率的影響。

        在CSK調(diào)制下,基于OFDM的MIMO-TDCS接收機(jī)框圖如圖4所示。圖中在P段轉(zhuǎn)換之前的處理流程與PSK解調(diào)方式相同。經(jīng)過(guò)消除隨機(jī)相位的影響后，在嚴(yán)格同步條件下將每個(gè)N長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分成P段，每段含有N/P個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將N/P個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行N/P點(diǎn)IFFT變換，將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時(shí)域。然后對(duì)得到的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行取實(shí)部處理。取實(shí)部處理可以降低噪聲功率，提高信噪比。接著將得到的時(shí)域?qū)嵭盘?hào)采用N/P*M_ary的粒度抽樣，并通過(guò)判定最大值的位置提取和估計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)。最后將各路解調(diào)結(jié)果經(jīng)過(guò)P端合并輸出。
2 調(diào)制解調(diào)過(guò)程分析
2.1 頻域調(diào)制過(guò)程分析
    根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)，現(xiàn)有的TDCS調(diào)制方式主要有5種:雙極性調(diào)制、BPSK、CSK、BCSK和正交編碼調(diào)制。不同的調(diào)制方式具有不同的調(diào)制性能，MIMO-TDCS系統(tǒng)根據(jù)通信環(huán)境和通信性能指標(biāo)要求，靈活地調(diào)整調(diào)制方式以滿足不同通信需要。通過(guò)分析研究在傅里葉變換域中，不同調(diào)制方式可以統(tǒng)一為一個(gè)頻域數(shù)學(xué)模型：

    (2) CSK調(diào)制方式下的解調(diào)過(guò)程
    在CSK調(diào)制方式下，接收端到P段轉(zhuǎn)換器之前的信號(hào)與PSK方式相同。對(duì)于P段的每一個(gè)分段進(jìn)行考慮，接下來(lái)的處理為[7]：
 
    然后對(duì)式(11)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行N/P*M_ary的粒度抽樣，通過(guò)判定最大值的位置提取和估計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)。最后將各路解調(diào)結(jié)果經(jīng)過(guò)并串輸出模塊輸出解調(diào)數(shù)據(jù)。
3 仿真結(jié)果及分析
    在Matlab仿真平臺(tái)上，設(shè)定發(fā)射天線數(shù)M=2，接收天線數(shù)N=10，隨機(jī)相位選取的M=16,數(shù)據(jù)調(diào)制進(jìn)制數(shù)為M_ary=16，信號(hào)功率為S=0 dB,信道為平坦瑞利衰落信道。
    圖5是選取子載波數(shù)N0=128，可用子載波為Ns=128，采用ZF檢測(cè)接收方法，P值選取P=1和P=2的條件下的誤碼率性能。從P=1的曲線可見，在信噪比較小時(shí)，PSK調(diào)制性能優(yōu)于CSK調(diào)制性能，當(dāng)SNR=-3 dB時(shí)到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，PSK調(diào)制性能與CSK調(diào)制性趨于一致；隨著信噪比的不斷變大，CSK調(diào)制性能改善的速率大于PSK調(diào)制，從而在大信噪比下CSK性能優(yōu)于PSK性能。當(dāng)信噪比SNR=4 dB時(shí)，在16PSK調(diào)制下P=1變到P=2誤碼率性能僅下降了0.036，在16CSK調(diào)制下誤碼率性能僅下降了0.019，而此時(shí)由P=1變到P=2頻帶利用率提升了一倍。

        圖6是選取子載波N0=1 024，可用子載波Ns=1 024，信噪比SNR=4 dB,采用ZF檢測(cè)接收方法,P分別取1、2、4、8、16、32、64時(shí)的誤碼率性能。從圖可以發(fā)現(xiàn),隨著P的增大，誤碼率性能在不斷衰降，當(dāng)P增大到一定時(shí)，系統(tǒng)性能急劇惡化導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。在P較小時(shí)，CSK調(diào)制下誤碼率性能優(yōu)于PSK；當(dāng)P增大時(shí)，CSK調(diào)制下誤碼率性能衰落較快，逐漸PSK性能又優(yōu)于CSK，其主要原因是CSK調(diào)制誤碼率性能較PSK調(diào)制更依賴于可用子載波數(shù)量，當(dāng)P增大時(shí)，每個(gè)子段可用子載波數(shù)量急劇減少，性能下降較快。

        基于OFDM的MIMO-TDCS系統(tǒng)能夠利用OFDM系統(tǒng)所使用的FFT/IFFT思想在頻域進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，在一個(gè)MIMO-TDCS符號(hào)上搭載多個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào),在每個(gè)MIMO-TDCS符號(hào)發(fā)射功率一定的情況下,系統(tǒng)可以通過(guò)犧牲少量的誤碼率性能大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率，更好地滿足高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)男枰?。利用OFDM成熟的技術(shù)以及FFT的快速算法，可以簡(jiǎn)化MIMO-TDCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。同時(shí),這也為探索在較低的符號(hào)發(fā)射功率并保證一定誤碼率性能的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，提供了一個(gè)可行的研究方向。
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