隨著通信業務數據量的不斷激增,日益緊缺的頻譜資源與數據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據以及在復雜的通信環境下提高通信系統的可靠性成為通信界一大熱點研究問題。

    參考文獻[1]和參考文獻[2]提出了一種MIMO技術與TDCS技術相結合的方案,并對其性能做了分析和仿真研究。此方案將MIMO技術能夠在不增加系統帶寬、系統總功率的條件下大幅度提高系統容量的優點和TDCS較強的抗干擾、低檢測和低截獲性能有效地結合起來[3-4]，在一定程度上改善了傳統TDCS系統性能。但對參考文獻[2]進一步分析研究發現其使用全部可用子載波傳輸一個數據符號，頻帶利用率較低，并且它所使用的解調接收方法相對比較復雜。本文在對成熟的OFDM收發技術分析研究的基礎上，對原有系統進行了改進，實現了多數據符號加載。改進后的系統能夠在保證一定誤碼率性能的同時提高系統頻譜利用率并簡化接收端結構。驗證了基于OFDM的多輸入多輸出變換域通信系統MIMO-TDCS(Multiple Input and Multiple Output-Transform Domain Communication System）在提高頻譜利用率方面是一個可以進一步研究的方向。
1 系統結構模型搭建
1.1 OFDM數據收發原理在MIMO-TDCS中的運用
    基于OFDM的MIMO-TDCS系統的主要思想是對MIMO-TDCS符號在頻域調制方式下進行多數據符號加載，然后經OFDM收發技術收發[5]。在MIMO-TDCS系統中經過頻譜感知、空閑頻譜標記和隨機相位添加后形成長度為N(為了便于利用快速算法，N一般選取為2的冪次方)的基函數頻域向量，然后將N長基函數頻域向量劃分成P段(為了每個子段能夠利用快速算法，P選取為2的冪次數方且P≤N)，用不同數據符號的頻域調制形式分別對不同子段調制(當P=N時就類似于OFDM的數據調制形式，當P=1時就相當于原始MIMO-TDCS數據傳輸的頻域調制形式)，然后經過空時編碼和IFFT變換后由天線發送傳輸。OFDM收發思想在MIMO-TDCS中應用的發送端原理圖如圖1。

1.2  收發端結構模型
    基于OFDM收發思想的頻域調制解調的MIMO-TDCS系統就是將OFDM所利用FFT/IFFT調制解調思想引入MIMO-TDCS系統結構中,目的是將OFDM成熟的調制解調技術、信道估計技術和同步技術等應用到MIMO-TDCS系統中，旨在進一步簡化系統結構、優化系統性能[6]。
    基于OFDM的MIMO-TDCS發射機結構框圖如圖2所示。在圖2的發射機框圖中，系統首先對工作頻帶范圍內的信道環境進行頻譜感知，得到信道信號的頻域功率譜，然后將功率譜與已設定的門限比較確定干擾位置，剔除干擾所占用的頻帶，形成基函數頻域幅度譜向量，再將生成的與基函數頻域幅度譜向量同維數的隨機相位向量與基函數頻域幅度譜向量對應點相乘，生成頻域基函數。接下來的處理過程有別于傳統的方法(將頻域基函數轉化為時域基函數進行數據調制)，而是將經轉換結構模塊（如圖1）的處理過程后的傳輸數據進行空時編碼，數據轉換為M路，再利用OFDM數據發送技術由對應的M根發射天線發射傳輸。
    在PSK調制下，基于OFDM的MIMO-TDCS接收機框圖如圖3所示。接收天線通過OFDM接收方式接收傳來的發送數據、信道噪聲和干擾相混合的信號，經IFFT變換輸出的數據經過空時解碼器恢復原傳輸數據序列。接收端經過頻譜感知、空閑頻譜標記和添加隨機相位生成與發送端相一致的本地基函數，本地基函數取共軛變換再與接收數據相乘消除隨機相位的影響，隨后數據序列輸入P端轉換器分為P組，每組有N/P個數據點，分別對每一組數據進行累加求平均后由PSK解調方式解調，最后將各路解調結果經過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，消除個別子載波上較大的噪聲功率的影響。

        在CSK調制下,基于OFDM的MIMO-TDCS接收機框圖如圖4所示。圖中在P段轉換之前的處理流程與PSK解調方式相同。經過消除隨機相位的影響后，在嚴格同步條件下將每個N長的數據分成P段，每段含有N/P個數據點，將N/P個數據點進行N/P點IFFT變換，將頻域數據轉換到時域。然后對得到的時域數據進行取實部處理。取實部處理可以降低噪聲功率，提高信噪比。接著將得到的時域實信號采用N/P*M_ary的粒度抽樣，并通過判定最大值的位置提取和估計發送數據符號。最后將各路解調結果經過P端合并輸出。
2 調制解調過程分析
2.1 頻域調制過程分析
    根據相關的文獻，現有的TDCS調制方式主要有5種:雙極性調制、BPSK、CSK、BCSK和正交編碼調制。不同的調制方式具有不同的調制性能，MIMO-TDCS系統根據通信環境和通信性能指標要求，靈活地調整調制方式以滿足不同通信需要。通過分析研究在傅里葉變換域中，不同調制方式可以統一為一個頻域數學模型：

    (2) CSK調制方式下的解調過程
    在CSK調制方式下，接收端到P段轉換器之前的信號與PSK方式相同。對于P段的每一個分段進行考慮，接下來的處理為[7]：
 
    然后對式(11)的時域信號進行N/P*M_ary的粒度抽樣，通過判定最大值的位置提取和估計發送數據符號。最后將各路解調結果經過并串輸出模塊輸出解調數據。
3 仿真結果及分析
    在Matlab仿真平臺上，設定發射天線數M=2，接收天線數N=10，隨機相位選取的M=16,數據調制進制數為M_ary=16，信號功率為S=0 dB,信道為平坦瑞利衰落信道。
    圖5是選取子載波數N0=128，可用子載波為Ns=128，采用ZF檢測接收方法，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，PSK調制性能優于CSK調制性能，當SNR=-3 dB時到達轉折點，PSK調制性能與CSK調制性趨于一致；隨著信噪比的不斷變大，CSK調制性能改善的速率大于PSK調制，從而在大信噪比下CSK性能優于PSK性能。當信噪比SNR=4 dB時，在16PSK調制下P=1變到P=2誤碼率性能僅下降了0.036，在16CSK調制下誤碼率性能僅下降了0.019，而此時由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檢測接收方法,P分別取1、2、4、8、16、32、64時的誤碼率性能。從圖可以發現,隨著P的增大，誤碼率性能在不斷衰降，當P增大到一定時，系統性能急劇惡化導致系統無法正常工作。在P較小時，CSK調制下誤碼率性能優于PSK；當P增大時，CSK調制下誤碼率性能衰落較快，逐漸PSK性能又優于CSK，其主要原因是CSK調制誤碼率性能較PSK調制更依賴于可用子載波數量，當P增大時，每個子段可用子載波數量急劇減少，性能下降較快。

        基于OFDM的MIMO-TDCS系統能夠利用OFDM系統所使用的FFT/IFFT思想在頻域進行數據調制，在一個MIMO-TDCS符號上搭載多個數據符號,在每個MIMO-TDCS符號發射功率一定的情況下,系統可以通過犧牲少量的誤碼率性能大大提高系統的頻譜利用率，更好地滿足高數據速率傳輸的需要。利用OFDM成熟的技術以及FFT的快速算法，可以簡化MIMO-TDCS系統的結構，優化系統性能。同時,這也為探索在較低的符號發射功率并保證一定誤碼率性能的情況下實現數據傳輸速率的提高，提供了一個可行的研究方向。
參考文獻
[1] BUDIARJO I, NIKOOKAR H, LIGTHART L P. Cognitive  radio with single carrier TDCS and multicarrier OFDM approach with V-BLAST Receiver in Rayleigh Fading Channel[C]. in Proc. 2nd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Communications (Crow Comm),Orlando, USA, Aug. 2007.
[2] 張軼, 任清華, 褚振勇. 一種多輸入多輸出變換域通信系統的設計與仿真[J]. 電子技術應用,2011,37(8):105-107.
[3] 張蕊, 張利軍, 原夢鈺. 多輸入多輸出寬帶時變信道分布散射模型研究[J]. 電波科學學報, 2011,26(1):73-78.
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