基于MSK与MIMO技术的高速移动通信图像传输系统性能研究

辛 秀 方泽凯 杨芷华

（五邑大学信息工程学院，广东 江门529020）

0 引言

近来，由于高速交通工具的发展，人们对在享用快速交通的同时又可实时的观看图像视频资料有了很大的需求。

在高速移动通信系统中的关键技术之一是调制技术。MSK调制技术是最小频移键控(MSK,Minimum Shift Keying)调制技术。MSK调制信号与其他调制信号相比较，具有信号功率谱密度集中、频带利用率很高、频带较窄等优点。采用很包络与“1”码及“0”码的信号波形正交，有利于构成最佳接收系统来降低误码率[1]。高速移动通信系统的另一关键技术之一是MIMO(multiple input multiple output)技术.采用MIMO技术可以提高系统容量、可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者利用MIMO信道提供的空间分集增益[2]。

由于无线通信系统在高速移动的条件下，有多普勒频移等复杂因素影响系统通信质量，而与高速移动系统相适应的调制与MIMO技术是提高通信系统的方案之一。为了获得MSK和MIMO技术在高速移动通信系统的优点，本文设计了基于MSK与MIMO技术的高速移动图像传输通信系统，并对该系统通过仿真实验，获得图像传输的性能结果。

1 系统原理

1.1 基于MSK与MIMO技术的高速移动通信图像传输系统模型

图1 基于MSK与MIMO技术高速移动通信系统方框图

图1所示为基于MSK与MIMO技术高速移动通信系统方框图，在该MIMO系统中有发信与收信天线Mt，Mr根。发信端将信源数据流进行MSK调制获得符号流=(s1s2…sMt)，在经过串并转换形成发射向量X=[s1s2…sMt]T。接收端通过信道接收到的信号为：

式（1）中，Y，n均为Mr维列向量。Y=[y1y2…yMr]，n=[n1n2…nMr]，ni(i∈{1,2,…Mr})是复高斯随机变量ni∈CN(0,σ2)；H为Mr×Mt的信道增益矩阵：

1.2 MIMO高速移动信道模型设计

如图2所示，为一基站与高速移动用户。移动用户配置有Mr根接收天线，基站有Mt根发射天线，该用户与基站进行通信。基站小区半径为R，基站到用户运行方向的最小距离为dmin，移动用户的行进距离为dm。现基站有Mt根发射天线，基站与用户水平运动方向夹角，为φ[3]。

图2 基站与高速移动用户相对位置

现假设有一用户收机接收信号，基站天线间的信道增益相关，hij是H中的第j行第i列的元素，表示从基站的发射天线i到接收天线j的信道莱斯衰落；

其中Kj表示基站到接收天线之间的物理信道的莱斯因子。夹角计算公式如下：

其中d表示两发射天线间距不大于半波长，fc表示载波频率。c为光速，bji(t)服从N(0,1)，即为bji(t)～CN(0,1)，φ表示的是基站与水平方向的夹角，计算公式为：

1.3 MSK调制

MSK调制是用基带信号对载波的频率进行键控使得调制信号的相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制调制方式[4-5]。

MSK调制器可以分解为一个卷积码编码器（称为相位编码器D）和一个无记忆波形映射[6]，如图4为两种经典的MSK编码调制。其中调制器的输入为二进制码元，相位编码器的输出为二元(a,b)，其中a,b∈{0,1}。“MSK映射1”的映射准则为：

“MSK映射2”的映射准则为：

图3 两种经典的MSK编码调制

1.4 维特比判决译码

维特比判决是一种基于最大似然序列检测（MLSD,Maximum likelihood sequence detection）的顺序网格搜索算法，MLSD算法通过最小欧氏距离的路径进行符号判决。最大似然检测准则为：

维特比算法译码是根据网格图搜索路径，在每一级搜索各路径时，计算欧氏距离，然后保留最小路径，这样每一次搜索路径的数量会减小一半，降低了运算量。维特比判决法在搜索最小路径时,充分利用了MSK信号前后码元间的相关性,一定程度上提高了误码性能。

2 仿真实验

假设实验条件为Mr=2，Mt=2，其中载波频率fc=2GHz，莱斯因子k=6，最小距离dmin=30m，基站半径R=3Km，用户运行速度v=360Km/h，测量周期设定为Ts=500ms。

图4 误码性能曲线

分别采用MSK调制、BPSK调制和QPSK调制（采用QPSK调制时，两根天线发的符号相同），通过仿真实验，比较三种调制方式的误码曲线。从图4可以看出在发送同比特的情况下，MSK调制的抗干扰性能优于QPSK和BPSK，提高了系统的传输性能，降低了误码率。在误码率为10-4时，采用MSK调制方式比BPSK调制方式的通信系统有6dB的增益。

图5左是原图像和在信噪比snr=4的情况下，分别采用MSK，QPSK，BPSK调制后的图像，可以看到采用MSK调制的图像清晰度明显高于BPSK调制与QPSK调制。

图5右是snr=14的情况下，分别采用MSK，QPSK，BPSK调制后的图像。MSK的图像最清晰，抗干扰性最强。并且MSK调制在snr=14比snr=4的图片效果好很多。

图5 SNR=4.0dB（左）与SNR=14.0dB（右）接收到的图片效果比较

3 结论

高速移动通信系统中，由于高速移动而产生多普勒频移等一系列复杂因素，严重影响通信系统的通信质量，然而采用MIMO技术和MSK技术能使系统获得很好通信效果，因此对MSK技术和MIMO技术的研究很有必要。

为了提高高速移动通信的通信质量，本文设计了一个基于MSK和MIMO技术的高速移动通信图片传输系统并对其进行了仿真实验。实验结果表明，采用MSK和MIMO技术在整体上提高了系统的传输性能，降低了误码率，并改善了传输图片的质量，使整个通信系统具有较强的抗干扰能力。

［1］吉利萍.MSK调制技术研究[J].电脑知识与技术,2009,5(18).

［2］Telatar E.Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].European transactions on telecommunications,1999,10(6)：585-595.

［3］Cheng M,Fang X.Location information-assisted opportunistic beamforming in LTE system for high-speed railway [J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2012,2012(1)：1-7.

［4］樊昌信.曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社,2008.

［5］Anderson J B,Offer E.Reduced-state sequence detection with convolutional codes[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1994,40(3)：965-972.

［6］Rimoldi B E.A decomposition approach to CPM[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1988,34(2)：260-270.