MIMO-OFDM通信系统抗干扰性能分析*

黄迎春，孙 琦，冯永新，钱 博

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.东北大学，沈阳 110004；3.中国移动通信集团辽宁有限公司抚顺分公司，辽宁 抚顺 113008）

MIMO-OFDM通信系统抗干扰性能分析*

黄迎春1，2，孙 琦1，3，冯永新1，钱 博1

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.东北大学，沈阳 110004；3.中国移动通信集团辽宁有限公司抚顺分公司，辽宁 抚顺 113008）

在对MIMO-OFDM（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）模型分析的基础上，对MIMO-OFDM系统中常见的干扰信号进行了深入研究。通过仿真分析比较了采用不同空时编码的基础上MIMO-OFDM系统对不同干扰信号的抗干扰性能。仿真结果表明：处于小区边缘的用户受到干扰信号的影响比较严重，并且与实际的MIMO-OFDM应用系统的联系比较紧密；相对于采用BLAST编码方式的MIMO-OFDM系统采用STC编码方式的MIMO-OFDM系统具有更好的抗干扰性能。

MIMO-OFDM，STTC，DBLAST

0 引言

随着移动通信技术的不断发展，人们对无线通信应用需求的增长，很多新的移动无线技术被提出。MIMO-OFDM技术是结合MIMO和OFDM而得到的一种新的无线通信技术。两者相结合能够使无线系统对噪声、干扰、多径的容量大大增加，同时可以通过空间复用的编码方式来提高信息传输速率［1-3］。虽然在MIMO-OFDM系统中各种调制技术以及编码技术能够抑制通信系统中存在的一些干扰，但是由于现代通信环境的复杂，以至于在实际的MIMO-OFDM通信系统中仍然存在多种干扰。本文主要分析在不同编码方式下MIMO-OFDM通信系统在收到由于外部环境干扰时，系统的抗干扰性能。

1 MIMO-OFDM系统模型研究

下页图1为MIMO-OFDM系统原理框图。

假设系统的发射天线数为NT，接收天线数为NR，每一个OFDM符号含有N个正交子载波的基带MIMO-OFDM系统。

图1 MIMO-OFDM系统原理框图

在t时刻，假设发送的数据源为at=（at，1，at，2，…，at，2b），则该数据源传输速率为2b bit/s。假设该系统采用空时网格编码，则经过4状态QPSK空时格型编码后产生的符号信息为：

由于MIMO系统可以采用多种不同的编译码方式，所以常见的MIMO-OFDM系统可以分为BLAST-OFDM系统、STTC-OFDM系统、STBC-OFDM系统。其中，BLAST-OFDM系统为当MIMO系统采用分层空时编码时与OFDM系统相结合得到的MIMO-OFDM系统，分层空时编码通过空间复用编码方式可以提供高速的信息传输速率；STTC-OFDM系统是当MIMO系统采用空时网格编码时与OFDM系统相结合得到的MIMO-OFDM系统，空时网格编码以格型编码调制为基础能够提供最大可能的编码增益和分集增益［4］；STBC-OFDM系统是当MIMO系统采用空时分组编码时与OFDM系统相结合得到的MIMO-OFDM系统，常用的空时分组编码方式是Alamouti编码，Alamouti编码方式采用了正交原理设计空时码字矩阵，可以克服空时网格译码复杂度随着传输速率的增加呈指数增加的缺点［5-6］。所以，当MIMO系统采用不同的编码方式时，MIMO-OFDM系统会具有不同的系统性能。

2 MIMO-OFDM系统中干扰信号类型

2.1 宽带噪声干扰

宽带噪声干扰是普遍存在于信道中的干扰信号。系统中存在的很多种干扰都可以看成是宽带噪声干扰。其主要是由高斯白噪声构成。这种干扰在实际的通信系统中是不可避免的。宽带噪声干扰可以等效为在系统的带宽w内加入宽带白噪声。它的最简单的生成方式就是将最简单的信号波形加入到信道中。在MIMO-OFDM系统中，宽带噪声干扰信号是存在于其中的最常见的也是最基本的干扰信号。

2.2 小区用户干扰

在实际的传输系统中，一个地区内会有多个通信小区存在并且一个通信小区内会有多个MIMO-OFDM用户同时存在。所以在实际的信号传输过程中，不仅用户系统本身的各种干扰会对通信系统的性能造成影响，同时来自同一个小区内的其他用户的通信数据也会对该用户造成影响，另外来自各个小区的边缘，难免会收到来自其他小区用户的干扰。

考虑一个多用户的MIMO-OFDM系统。基站端和每个移动台分别配置NB和NM根天线。发射给用户k（k=1，…，K）的数据dk可以表示为Lk×1的符号向量，Lk是发射到用户k的并行数据流的数目。假设信道是平坦衰落信道。用户k到基站的信道表示为Hk，信道矩阵Hk是大小为Nk×MT的矩阵，其中从基站端的发射天线i到接收端的接收天线j的信道衰落系数（j，i）服从独立零均值的复高斯分布。则用户k的接收信号可以用大小为Nk的向量表示为：

其中，nk为Nk×1的向量，服从N（0，σ2）的分布。可以看出用户k不仅要消除自身传输过程的干扰，还要抑制其他用户带来的干扰。

如果该用户位于小区边缘，则用户k的接收信号可以表示为：

其中，Hkin为原小区信道矩阵，Hkout为其他小区信道矩阵，R为其他小区用户数量。可以看出位于边缘的小区用户k同时还会受到来自其他小区用户的干扰影响。

3 MIMO-OFDM系统抗干扰性能仿真

为了更好地研究MIMO-OFDM系统的抗干扰性能，建立了采用不同编码方式2发2收的MIMO-OFDM通信系统。其中，映射方式均为QPSK映射，FFT点数为512，仿真信道为平坦瑞利衰落信道，接收端采用理想信道估计。则BLAST-OFDM系统采用对角分层编码方式，最大似然译码算法。STTC-OFDM系统采用4状态QPSK编码方式，Viterbi译码算法。STBC-OFDM系统采用Alamouti编码方式，最大似然译码算法。

假设：①加入到MIMO-OFDM系统中的干扰信号分别为宽带噪声干扰信号、同小区用户干扰信号以及来自其他小区用户干扰信号；②宽带噪声干扰为高斯白噪声信号；③小区干扰用户数为2；④位于小区边缘用户，受到其他小区用户干扰数目为2；⑤忽略通信系统内部干扰。

图2 3种不同编码下MIMO-OFDM系统抗宽带噪声干扰能力

图2为MIMO-OFDM系统采用3种不同编码方式时，系统加入宽带噪声干扰时，系统的误码率。

由图2可以看出：相对于DBLAST-OFDM系统，STC-OFDM系统具有更好地抗宽带噪声干扰性能。比较两种STC-OFDM系统可知，两种在对抗宽带噪声干扰时具有相似的抗干扰性能。此外，STTC-OFDM系统虽然对宽带噪声干扰的抵抗能力更强，但是其译码过程过于复杂并不适合在实际的高速率多天线的MIMO-OFDM系统中应用。因此，采用STBC编码的MIMO-OFDM系统具有更好的研究价值及使用价值。

图3为当MIMO-OFDM系统采用3种不同编码方式时，系统加入同小区其他用户的干扰信号时系统的误码率。也就是在3种不同编码方式下的MIMO-OFDM系统分别加入与其编码方式相同的MIMO-OFDM信号。

图3 3种不同编码MIMO-OFDM系统抗同小区用户干扰能力

从图3中可以看出：随着干信比的增加，由于加入同小区的用户数比较少，在采用3种不同的编码方式时，干扰信号对原信号造成的影响比较小。此外，不管采用何种编码方式，当受到本小区少用户干扰时，系统受到的干扰影响都比较小。但是综合以上分析可知，STBC-OFDM系统具有更好的抗干扰性能。

图4 3种不同编码MIMO-OFDM系统抗其他小区用户干扰能力

图4为当系统无其他信号干扰时，MIMO-OFDM系统采用3种不同编码方式时，系统对于加入其他小区用户的干扰信号时系统的误码率。也就是在3种不同编码方式下的MIMO-OFDM系统中分别加入与其编码方式不同的MIMO-OFDM信号。

从图4中可以看出：相对于加入同小区用户干扰，来自其他小区的干扰信号对MIMO-OFDM系统的干扰能力更强。从理论分析可知，STC编码具有更强的安全性，根据仿真图也可以看出在干信比相同的条件下采用STC编码的MIMO-OFDM系统具有更低误码率。

图5～图7为3种不同干扰信号对3种MIMO-OFDM系统性能影响的对比图。

图5 STTC-OFDM系统对3种不同干扰信号的抗干扰性能

图6 DBLADT-OFDM系统对3种不同干扰信号的抗干扰性能

图7 STBC-OFDM系统对3种不同干扰信号的抗干扰性能

从图5～图7中可以看出：宽带噪声干扰对3个系统性能的影响比较弱；来自同小区干扰信号和来自不同小区干扰信号对采用不同编码方式的MIMO-OFDM系统性能的影响比较明显；尤其位于小区边缘的用户会受到多种干扰信号的影响，系统性能会明显下降。

4 结束语

①MIMO-OFDM系统中，数据信息传输的主要困难不仅包括来自接收机对信号进行译码时自身的错误影响，还包括来自其他用户或者外加信号对通信系统传输过程造成的干扰。②宽带噪声干扰普遍存在于系统传输的信道中，小区用户干扰一种是由于同小区间多个用户之间相互会造成干扰，另一种是处于小区边缘的一些用户，会受到来自其他小区用户的干扰影响。③处于小区边缘的用户受到干扰信号的影响比较严重，并且与实际的 MIMO-OFDM应用系统的联系比较紧密。④MIMO-OFDM系统中，STC比BLAST编码方式具有更显著的抗干扰性能；STTC的抗干扰性能略好于STBC。

［1］杨国荣，马荣.MIMO-OFDM系统空时编码技术的研究［J］.系统仿真技术，2010，6（4）：328-331.

［2］赵海军，李敏，崔梦天，等.基于STBC的MIMO-OFDM系统中I/Q不平衡及CFO的联合均衡策略［J］.通信学报，2013，34（11）：51-58.

［3］Skraparfis D，Kanellopoulos J D.Design of Pre-processing Algorithms for Efficient MIMO-OFDM Receiver Architectures［J］.Physical Communication，2010（3）：37-47.

［4］David G，Mansoor S，Da-shan S，et al.From Theory to Practice：An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless Systems［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communication，2003，21（3）：81-298.

［5］Kwon U K，Im G H，Lim J B.MIMO Spatial Multiplexing Technique with Transmit Diversity［J］.IEEE Signal Processing Letters，2009，16（7）：620-623.

［6］Vehkapera M，Juntti M.On the Performance of Space-time Coded and Spatially Multiplexed MIMO Systems with Linear Receivers［J］.IEEE Transactions on Communications，February，2010，58（2）：642-651.

Analysis of Anti-jamming Performance for MIMO-OFDM

HUANG Ying-chun1，2，SUN Qi1，3，FENG Yong-xin1，QIAN Bo1
（1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；
2.Northeastern University，Shenyang 110004，China；
3.CMCC Liaoning Co.，Ltd，Fushun Branch，Fushun 113008，China）

Based on model analysis of Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，the common interference of MIMO-OFDM system is researched deeply.Through the simulation analysis，the difference anti-jamming performance of difference jamming signals from MIMO-OFDM system with different space-time code are compared.The result of simulation indicate that at the cell edge users affected by the interference signal is more serious，and connect closely with the practical application of MIMO-OFDM system;and the MIMO-OFDM system of STC coding method has better anti-jamming performance than MIMO-OFDM system adopts BLAST coding mode.

MIMO-OFDM，STTC，DBLAST

TN97

A

1002-0640（2015）07-0067-04

2014-05-09

2014-07-27

新世纪优秀人才支持计划基金（NCET-11-1013）；辽宁省教育厅科学研究基金（L2011035，L2012065，L2013085）；辽宁省科技厅基金资助项目（20121038）

黄迎春（1976- ），男，辽宁瓦房店人，博士研究生，副教授。研究方向：信息对抗技术，复杂系统结构及形式化验证技术。