《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第8期
張 軼， 任清華， 褚振勇
（空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院， 陜西 西安710077）
摘要： 傳統(tǒng)的變換域通信系統(tǒng)TDCS(Transform Domain Communication System)在獲得強(qiáng)抗干擾能力的同時(shí)，存在傳輸有效性差的問題，這已成為制約其廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。通過引入多輸入多輸出MIMO（Multiple-input Multiple-output）技術(shù)改進(jìn)收發(fā)端天線，提出了一種多輸入多輸出變換域通信系統(tǒng)（MIMO-TDCS）。對(duì)其基本原理和收發(fā)信機(jī)模型作了簡(jiǎn)要介紹，并進(jìn)行了信道容量的分析和仿真，結(jié)果表明， MIMO-TDCS是一種兼具傳輸有效性和可靠性的通信手段。
中圖分類號(hào)： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)08-105-03
Design and simulation of a multiple-input multiple-output transform domain communication system
Zhang Yi, Ren Qinghua, Chu Zhenyong
Telecommunication Engineering Institute， Air Force Engineering University， Xi’an 710077，China
Abstract： With the excellent ability of anti-interference, the conventional Transform Domain Communication System (TDCS) is conditioned in extensive application for the low data rates between the transmitter and the receiver. This paper presents a multiple-input multiple-output transform domain communication system(MIMO-TDCS) by adding MIMO and V-BLAST receiver architecture to TDCS, by which increased the channel capacity. The paper introduces the scheme and function model of MIMO-TDCS as well, and analyzes its every function module concisely. The simulative results show that MIMO-TDCS is a kind of communication technique which both has high data rates and strong anti-interference ability.
Key words : MIMO; TDCS; channel capacity; anti-interference


    隨著軍事通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(jī)編隊(duì)內(nèi)部在極強(qiáng)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(guó)空軍提出了變換域通信系統(tǒng)TDCS(Transform Domain Communication System)。
    變換域通信系統(tǒng)雖然具備較強(qiáng)的抗干擾能力，但傳統(tǒng)TDCS收發(fā)端的單天線設(shè)計(jì)使其很難提高信道的容量，大大降低了傳輸?shù)挠行?。在無線頻譜資源相對(duì)匱乏的今天，多輸入多輸出MIMO(Multiple-input Multiple-output)無線通信系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性，它能在不增加發(fā)射功率和帶寬的條件下，通過空間復(fù)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(tǒng)(MIMO-TDCS)，旨在利用MIMO技術(shù)提高TDCS的傳輸效率。
1  MIMO-TDCS模型
1.1 TDCS收發(fā)信機(jī)模型
    傳統(tǒng)的抗干擾通信系統(tǒng)(如直擴(kuò)、跳頻)只是在系統(tǒng)的接收端被動(dòng)地處理干擾。與之不同，TDCS能使收發(fā)雙方同時(shí)避免使用被污染的頻譜(包括敵方實(shí)施干擾以及己方正使用的頻譜)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。這樣就相當(dāng)于在復(fù)雜的電磁環(huán)境中找到了一個(gè)干凈的頻段進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了抗干擾[2,3]。這是一種主動(dòng)式的抗干擾方式，本質(zhì)是躲避干擾。TDCS發(fā)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(shè)系統(tǒng)發(fā)射端有M根發(fā)射天線，接收端有N根接收天線并能很好地估計(jì)出信道狀態(tài)信息CSI(Channel

1.3 系統(tǒng)模型[5]
    收發(fā)信機(jī)對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行采樣，估計(jì)出干擾在變換域中的位置。根據(jù)這個(gè)估計(jì)產(chǎn)生基函數(shù)(Basis Function)，基函數(shù)與干擾的變換域波形相互正交。利用基函數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行循環(huán)移位鍵控CSK(Cycle Shift Keying)調(diào)制，再對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行串并變換并通過MIMO信道發(fā)射到接收機(jī)。接收端先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行迫零檢測(cè)，目的是消除碼間干擾，然后利用接收端基函數(shù)解調(diào)數(shù)據(jù)。MIMO-TDCS原理如圖3所示。

2 信道容量分析
　對(duì)于確定性MIMO-TDCS信道,假設(shè)發(fā)射機(jī)不能獲得CSI,則發(fā)射功率不在天線間進(jìn)行分配優(yōu)化,此時(shí)的信道容量為[5]：


3 仿真結(jié)果與分析
    在Matlab仿真平臺(tái)中，假設(shè)收發(fā)雙方處于相同的電磁環(huán)境并完全同步。
3.1 單發(fā)射天線
    圖4為單發(fā)射天線下,信噪比ρ分別為5 dB、10 dB、20 dB和30 dB時(shí)，MIMO-TDCS的各態(tài)歷經(jīng)容量仿真圖。從圖中可以看出，隨著接收天線數(shù)的增加，信道容量趨于log2(1+?籽N)，當(dāng)N=10時(shí)，理論值已經(jīng)與極限值基本吻合，它表明信道容量?jī)H隨N呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。

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(shí)，MIMO-TDCS的各態(tài)歷經(jīng)容量仿真圖。從圖中可以看出，隨著發(fā)射天線數(shù)的增加，信道容量趨于常數(shù)log2(1+ρ)，即香農(nóng)信道容量。仿真結(jié)果表明,對(duì)于單接收天線的MIMO-TDCS，無論發(fā)射天線數(shù)目如何，信道容量都不能突破香農(nóng)容量限。

3.3 等數(shù)目的收發(fā)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(shí)，MIMO-TDCS與傳統(tǒng)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(guān)系，相對(duì)傳統(tǒng)的TDCS，這是一個(gè)巨大的增長(zhǎng)，而且不會(huì)隨著n的增大而造成總發(fā)射功率和帶寬的增加。
3.4  收發(fā)天線數(shù)為4、信噪比為6時(shí)，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(duì)MIMO-TDCS和傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)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(tǒng)MIMO系統(tǒng)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(shù)，其抗干擾能力使得信道容量不會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)。


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