一種多輸入多輸出變換域通信系統的設計與仿真*

張 軼，任清華，褚振勇

（空軍工程大學 電訊工程學院，陜西 西安710077）

隨著軍事通信在現代戰爭中作用的不斷提高，以消除干擾和保證信息可靠傳輸為目的的通信抗干擾的作用和地位也日益受到重視。為解決軍用飛機編隊內部在極強的電磁干擾下仍具有可靠的通信和保密能力，基于躲避干擾的理念，美國空軍提出了變換域通信系統TDCS(Transform Domain Communication System)。

變換域通信系統雖然具備較強的抗干擾能力，但傳統TDCS收發端的單天線設計使其很難提高信道的容量，大大降低了傳輸的有效性。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，多輸入多輸出MIMO(Multiple-input Multipleoutput)無線通信系統已經體現出其優越性，它能在不增加發射功率和帶寬的條件下，通過空間復用使信道容量得到大幅提升[1]。因此提出了一種多輸入多輸出變換域通信系統(MIMO-TDCS)，旨在利用MIMO技術提高 TDCS的傳輸效率。

1 MIMO-TDCS模型

1.1 TDCS收發信機模型

傳統的抗干擾通信系統(如直擴、跳頻)只是在系統的接收端被動地處理干擾。與之不同，TDCS能使收發雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括敵方實施干擾以及己方正使用的頻譜)進行信號的傳輸。這樣就相當于在復雜的電磁環境中找到了一個干凈的頻段進行通信，從而實現了抗干擾[2,3]。這是一種主動式的抗干擾方式，本質是躲避干擾。TDCS發端、收端的基本工作原理如圖1和圖2所示。

1.2 MIMO信道模型

假設系統發射端有M根發射天線，接收端有N根接收天線并能很好地估計出信道狀態信息CSI(ChannelState Information)[4]。收發端采用垂直分層空時V-BLAST(Vertical Bell Labs layered Space-Time)結構，這樣每根天線可以獨立地收發信號。接收端用迫零ZF(Zero Forcing)檢測法對信號進行處理。

假設發射信號 x為M×1矩陣,信道 H為 N×M矩陣，信道中存在高斯白噪聲 n和干擾j，則接收信號y為N×1矩陣：

1.3 系統模型[5]

收發信機對電磁環境進行采樣，估計出干擾在變換域中的位置。根據這個估計產生基函數(Basis Function)，基函數與干擾的變換域波形相互正交。利用基函數對發射信號進行循環移位鍵控CSK(Cycle Shift Keying)調制，再對調制信號進行串并變換并通過MIMO信道發射到接收機。接收端先對接收信號進行迫零檢測，目的是消除碼間干擾，然后利用接收端基函數解調數據。MIMOTDCS原理如圖3所示。

圖3 MIMO-TDCS原理框圖

2 信道容量分析

對于確定性MIMO-TDCS信道,假設發射機不能獲得CSI,則發射功率不在天線間進行分配優化,此時的信道容量為[5]：

式中，ρ為每根接收天線的平均信噪比，IN為N階單位矩陣，HH為 H的 Hermite矩陣。

然而對于衰落信道,信道矩陣H是隨機的,且VBLAST結構被證明只可能在快衰落信道下達到香農容量[6]，因此本文研究的MIMO-TDCS信道為各態歷經信道。此時的信道容量是對隨機矩陣H的統計特性進行平均而得到的：

假設信道是獨立瑞利衰落的,則信道矩陣H(hi,j)的元素是獨立的零均值復高斯隨機變量。各態歷經容量由下列積分給出[7]：

考慮以下幾種特殊情形[8]。

(1)單發射天線

對于單發射天線系統，即M=1。信道矩陣是一個大小為1×N的行向量，用h表示。此時信道容量為：

對于獨立瑞利衰落情形，上式為：

隨著接收天線數的增加，信道容量趨于 log2(1+ρN)，它表明信道容量僅隨N呈對數增長。

(2)單接收天線

對于單接收天線系統,信道矩陣h用一個大小為M×1的列向量表示。此時信道容量為：

對于獨立瑞利衰落情形，上式為：

隨著發射天線數的增加，信道容量趨于常數 log2(1+ρ)。

(3)等數目的收發天線

考慮等數目的收發天線，即 M=N=n，對于獨立的瑞利衰落，信道容量為：隨著n的增加，上式近似為[7]：

(4)窄帶干擾下的信道容量

本文主要分析等數目收發天線條件下窄帶干擾對信道容量的影響，其他情況類似。

對于單音干擾和多音干擾，式(9)中的ρ變為SINR，即信號-干擾噪聲比，此時的信道容量為：

對于部分頻帶干擾，假設被干擾的頻帶所占比例為x%，則信道容量為[9]：

3 仿真結果與分析

在Matlab仿真平臺中，假設收發雙方處于相同的電磁環境并完全同步。

3.1 單發射天線

圖4為單發射天線下,信噪比ρ分別為 5 dB、10 dB、20 dB和30 dB時，MIMO-TDCS的各態歷經容量仿真圖。從圖中可以看出，隨著接收天線數的增加，信道容量趨于 log2(1+ρN)，當 N=10時，理論值已經與極限值基本吻合，它表明信道容量僅隨N呈對數增長。

圖4 M=1，MIMO-TDCS的信道容量

3.2 單接收天線

圖5為單接收天線下,信噪比ρ分別為 5 dB、10 dB、20 dB和30 dB時，MIMO-TDCS的各態歷經容量仿真圖。從圖中可以看出，隨著發射天線數的增加，信道容量趨于常數log2(1+ρ)，即香農信道容量。仿真結果表明,對于單接收天線的MIMO-TDCS，無論發射天線數目如何，信道容量都不能突破香農容量限。

3.3 等數目的收發天線

圖6為 M=N=n條件下,信噪比ρ分別為 5 dB、10 dB、20 dB和30 dB時，MIMO-TDCS與傳統單天線的 TDCS信道容量仿真比較圖。從圖中可以看出，信道容量與M=N=n成線性關系，相對傳統的TDCS，這是一個巨大的增長，而且不會隨著n的增大而造成總發射功率和帶寬的增加。

3.4 收發天線數為4、信噪比為 6時，窄帶干擾下的信道容量

圖7為 M=N=4、ρ=6條件下,窄帶干擾對 MIMOTDCS和傳統MIMO系統信道容量的影響。其中干信比的變化范圍為1～10 dB，理論容量值（即無干擾下的MIMO信道容量）為8.8 b/s/Hz。從圖中可以看出，傳統MIMO系統的信道容量隨著干信比的增大而迅速減小。由于MIMO-TDCS使用了變換域處理技術，其抗干擾能力使得信道容量不會隨著干信比的增大而下降很多。在單音干擾下，MIMO-TDCS信道容量只比理論值降低了0.5 b/s/Hz左右；在多音干擾下,降低了不到 1 b/s/Hz；在30%部分頻帶干擾下，由于帶寬減小造成信道容量降低了3 b/s/Hz，但仍然遠遠高于傳統MIMO系統。

圖7 M=N=4，ρ=6時，MIMO-TDCS與傳統 MIMO在窄帶干擾下的信道容量比較

為了解決傳統TDCS傳輸效率低的問題，本文通過引入MIMO技術，從理論上提出了一種多輸入多輸出變換域通信系統，并對其信道容量作了分析驗證。仿真結果表明，對于單發射天線系統，如果總發射功率保持恒定，信道容量隨接收天線數呈現對數增長；采用多天線系統(M=N=n)可使得容量線性增長，并且這種增長是在不增加總發射功率或帶寬的情況下獲得的；在窄帶干擾下，該系統仍然可以保證具有較高的信道容量，因此驗證了MIMO-TDCS是一種兼具傳輸有效性和可靠性的通信手段。

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