基于自适应MIMO-OFDM调制的超宽带通信系统

摘要：为了避免超宽带信号对现有通信系统的干扰，其发射功率受到严格的限制，这在很大程度上限制了超宽带通信的覆盖范围。该文研究基于自适应多输入多输出正交频分复用的方案，以使超宽带系统在低信噪比要求下能够实现有效通信。该方法充分利用多天线分集和超宽带信道的多径效应，通过自适应调制，在信噪比较好的子载波上传输更多的信息，从而提高了超宽带链路的鲁棒性。在改进的Saleh-Valenzuela信道模型上的仿真结果表明，该系统与传统的正交频分复用相比，在信噪比性能上有8～18dB的提高。

关键词：无线通信；超宽带；多输入多输出正交频分复用；自适应调制；Saleh-Valenzuela信道模型

超宽带(ultrawideband，UWB)系统的特点是频谱很宽，而载频的中心频率相对较低。一般来讲，超宽带信号被定义为基带带宽与载波频率的比值大于0.20，或者带宽大于500MHz的信号。UWB无线通信有脉冲调制、直接序列[1]和正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)等基于单发单收天线的传输方式。

为了避免UWB信号对现有通信系统的干扰，世界各地的频率资源管理机构对它的发射功率进行了严格的限制，这在很大程度限制了通信的范围，并加大了系统设计的难度。为此，本文提出了一种能实现超宽带系统在低信噪比要求下有效通信的方案。UWB-MIMO(multi-inputmulti-output)的技术研究主要集中在空时编码脉冲位置调制，而基于MIMO-OFDM机制的较少。本文将研究自适应调制MIMO-OFDM系统：通过采用自适应发送和接收天线分集来进一步优化每个子载波的信噪比(CSNR)，并且采用注水法提高链路的传输容量。

系统描述

本文的研究参考了文[5]的MIMO-OFDM系统模型。图1中固定流量(速率)的二进制数据源b=[b₀，b₀，…，b_N-1]进入自适应映射器，产生合成的符号输出。在此自适应映射中，串行输入数据流被自适应地分成2、4、6或0b的数组，并分别被转化成代表4QAM(quadrature amplitude modulation)、16QAM和64QAM星座点的复数符号数据，或不发送(对应于0bit)。串/并转换单元将这些复数符号数据转换成N个并行输出符号，这些并行输出符号在频域上代表N个并行子载波。发射天线选择单元根据各子载波的信道状态信息，为各子载波从M个发射天线中选择出一个最佳的发射天线，并将待传输数据送到此天线单元。然后根据反馈的信道状态信息，设置M个天线权重，为各子载波选择不同的发射天线分集方案。快速Fourier反变换(IFFT)将加权后的传输数据转换成时域抽样值，这些抽样值在并/串转换、插入长度为G波特的循环扩展后通过M个天线向衰落信道发射。

图1　基于自适应MIMO-OFDM调制系统模型

信道和脉冲形成函数之间的卷积可以通过时间离散信道的矩阵形式来描述。设Hi为离散时间信道矩阵h(n)在第i个子载波上的Fourier变换。如果循环扩展长度G大于超宽带衰落信道的最大时延扩展Smax，那么时域信道h(n)上的卷积变成频域Hⁱ上的乘积。此外，在频域所有子载波保持正交。设第i个子载波上的发射分集加权系数矢量为，第i个子载波上的接收分集系数矢量为，那么，在第i个子载波上的接收信号bdi可以写成

其中：bi为在第i个子载波上的发射信号，ni是方差为R2n的复加性Gauss白噪声的K×1列矢量。

在接收端，将移去循环扩展后的时域接收信号用FFT转换成频域信号，然后对从K个接收天线上接收到的空间子信道上的信源符号进行加权运算和分集，形成接收输出数据串。为准确恢复子载波所携带的比特，接收机必须知道来自发射机的自适应比特映射信息，本文假设接收机已得到了该信息。接收机对此输出数据串进行估值，并经过并/串转换后恢复成串行数据符号流。

MIMO-OFDM自适应调制算法

超宽带链路工作在低功率状态，为了使接收机正确地检测信号需要γ_SNR的最大化。高数据率超宽带应用，如实时多媒体数据、家庭影院等的传输速率通常是恒定的。本文针对这种固定速率的应用业务研究自适应MIMO-OFDM调制算法。

考虑如图1所示的具有M个发射天线和K个接收天线的下行链路(M≥K≥2)，bdi为如式(1)所示的接收端的数据估值，那么第i个子载波的接收信噪比可以写成

其中：Φ_n为噪声矢量nⁱ的方差矩阵，其具体形式为Φ_n=R²_nI_K×K。为了进行自适应调制和空间子信道分配，发射端必须知道信道的状态信息，这是为了动态地更新发射分集加权矢量。接收端通过上行反馈信道把信道状态信息发给发送端，发送端根据该信息对子信道进行最佳比特映射和相应功率分配。根据在功率限制条件下使CSNRi最大的最佳传输加权矢量，最大化的信噪比可写成

其中λ_max[ý]代表[ý]的最大特征值。自适应调制根据λ_max[(Hⁱ)*(Hⁱ)^T](等效信道增益的平方)为每个子信道选择调制方式。本文中最佳比特和功率分配的自适应算法参考文[5]。

超宽带MIMO-OFDM的信道模型

最能反映超宽带信道多路径群聚特性的信道模型是改进的Saleh-Valenzuela(S-V)模型。S-V信道模型可表示为如下的离散时间冲激响应：

其中：α_k,l为多径增益系数，T_l是第1个群聚的延时，τ_k,l是相对第1个群聚到达时间的第k个路径的延时。另外该模型还有两个参数，即群聚到达率+和群聚内的路径到达率λ。因此，群聚到达时间和路径到达时间的概率分布如下：

模型中的增益系数由α _k,l=p_k,lβ_k,l表示，其中p_k,l为等概率的+/-1，而βk，l为对数正态随机参数，由°β_k,l°=10 ^n/20给出，其中n符合N(μ1，ο²)分布。μ₁以及其他关于模型的详细信息可以参考文。为使该系统反映多收发天线的空间分集，设天线的相关性可忽略，因此式(4)的信道模型可重写成

其中：上标k和l代表相对第l个群聚的第k个路径，下标m和n为第m个发射和第n个接收天线。

仿真结果

为了评估本文所提出的系统的性能，将它与传统的OFDM的系统进行比较，后者使用固定4QAM调制模式，子载波功率固定。计算机仿真是在上节介绍的S-V多径衰落信道模型的环境下运行的，并假设天线的相关性可以忽略不计。

超宽带有14个具有528MHz带宽的OFDM频段，各子频段的载频(MHz)=2904+528×频段号，频段号为1至14。首先仿真一个运行在3.168～3.696GHz频段上的MIMO-OFDM系统：它有128个子载波，接收端和发送端具有不同的天线配置。一个OFDM数据块里，将根据相应子信道的质量指定每个调制符号携带的比特数为2、4、6或0个bit。假设收发端都知道信道的状态信息。

图2给出传统UWB-OFDM和自适应MIMO-OFDM超宽带系统在CMx信道模型下的性能比较。其中CM1(<4m，LOS)、CM2(<4m，NLOS)、CM3(4～10m，NLOS)和CM4(4～10m，相邻房间之间NLOS)是IEEE802.15.3a小组已定义的4种用于标准化的信道模型[6]。图2显示在误码率相同的情况下，该系统有12～18dB的增益。因此，建议的系统能显著提高超宽带系统的性能。这是由于系统能动态地适应信道条件的变化，另外多天线系统的空间分集又进一步提高了系统性能。

还通过仿真比较了不同天线分集在恶劣信道条件下(如CM4)对系统的影响。如图3所示，仿真结果表明，使用两个以上收发天线空间分集的系统与不使用空间分集的系统相比，有8到13dB的CSNR增益。

特别是对于2发1收天线情况，即仅用发射分集时，在误比特率为10^-2情况下有约10dB增益。还对频段2～9进行了仿真。图4是其中4个代表频段的仿真结果。结果表明基于该方案的系统性能不受频段的影响。

结论

本文提出采用自适应调制和多收发天线分集相结合的自适应MIMO-OFDM调制以克服世界各地频率资源管理机构对超宽带系统发射功率的限制。仿真结果证明，该系统在UWB多径信道条件下具有良好的性能，与传统的OFDM系统相比，其误比特性能有很大的提高。该性能的增益可换成覆盖范围或者让系统运行在低功率模式以解决共存问题。对于双发单收天线情况下，该方法显得有更大的实用意义，尤其是在小型接收设备上。本文的系统没有采用信道编码而只采用了自适应调制，如果采用信道编码则性能会有进一步的改善。