张 轶， 任清华， 褚振勇

(空军工程大学电讯工程学院，西安 710077)

0 引言

在无线频谱资源相对匮乏的今天，多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)无线通信系统已经体现出其优越性。垂直分层空时(Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST)结构作为一种MIMO系统，已经被证明能在瑞利衰落信道中使系统容量随着收发天线数的最小值呈线性增长［1］。

然而，面对复杂的无线电环境，如何有效地抑制干扰，避免己方通信的互扰，提高己方通信的有效性和可靠性才是急需解决的问题［2］。因此，将变换域通信系统(Transform Domain Communication System，TDCS)引入基于V-BLAST结构的MIMO系统，设计了一种多输入多输出变换域通信系统(MIMO-TDCS)，旨在使MIMO系统具备较强的干扰抑制能力。

1 MIMO-TDCS模型

1.1 MIMO信道模型

假设系统发射端有NT根发射天线，接收端有NR根接收天线并能很好地估计出信道状态信息(Channel State Information，CSI)［3］。收发端采用 V-BLAST 结构，这样每根天线可以独立地收发信号。接收端用迫零(Zero Forcing，ZF)检测法对信号进行处理。

假设发射信号x为NT×1的矩阵，传输信道H为NR×NT的矩阵，信道中存在高斯白噪声n和干扰j，则接受信号y为NR×1的矩阵为

1.2 TDCS收发信机模型

传统的抗干扰通信系统(如直扩、跳频)只是在系统的接收端被动地处理干扰，与之不同，TDCS能使收发双方同时避免使用被污染的频谱(包括敌方实施干扰以及己方正使用的频谱)进行信号的传输，从而实现抗干扰［4－5］。其发端、收端的基本工作原理见图1、图2。

图1 TDCS发射机原理框图Fig.1 Transmitter architecture of TDCS

图2 TDCS接收机原理框图Fig.2 Receiver architecture of TDCS

1.3 系统模型［6］

收发信机对电磁环境进行采样，估计出干扰在变换域中的位置。根据这个估计产生基函数(Basis Function)，基函数与干扰的变换域波形相互正交。利用基函数对发射信号进行M元循环移位键控(Cycle Shift Keying，CSK)调制，再对调制信号进行串并变换并通过MIMO信道发射到接收机。接收端先对接收信号进行迫零检测，目的是为了消除码间干扰，然后利用接收端基函数解调数据。MIMO-TDCS原理如图3所示。

图3 MIMO-TDCS原理框图Fig.3 Architecture of MIMO-TDCS

2 抗干扰机制

2.1 干扰信号模型［7］

在抗干扰性能分析及仿真中，干扰信号通常建模为离散信号

干扰信号也采用对称谱，其频谱可表示为

其中:Jm为频谱幅度;ejθm为负信号;θm为在［0，2π］上均匀分布的随机谱相位;NF为干扰信号功率谱矢量的长度。由Jm的不同取值，可以分别得到单音、多音、部分频带干扰信号。在单音、多音干扰中，信号的总功率一致且功率平均分配，而部分频带干扰各频率分量的功率并不一致。

2.2 抗干扰原理［8］

收发信机使用自己产生的基函数进行调制解调。由于基函数与通信信道中的所有干扰在变换域中是正交的，因此信号在传输过程中不会受到干扰影响，所以TDCS是一种主动式干扰躲避系统。

图4 频谱估计及幅度谱成型Fig.4 Estimated spectrum and spectrum magnitude shape

抗干扰的基本实现过程是:动态地在给定的系统带宽内对电磁环境进行采样，并在变换域对采样信号进行谱估计。图4a描述了一个代表性的环境谱估计结果，其中有3个单音干扰(或其他窄带用户)。将估计得到的幅度谱向量A(ω)与一选定的门限相比较，确定系统带宽内哪些谱已被干扰，哪些谱未被干扰可以用于信号传输。通过特定的阈值处理把干扰有效抑制后，得到“纯净”的幅度谱向量A′(ω)(即不存在干扰谱或正在被占用的谱)，这个过程称为幅度谱成型(Spectrum Magnitude Shape)。

图4b为一成型后的幅度谱A′(ω)。将向量A′(ω)与随机相位映射器(random phase map)产生的等长度的复随机相位向量 ejθ(ω)做数量积得到 Bb(ω)，目的是为了给每个可用频点加载一个随机相位，使时域通信信号具有类似噪声的特性，以便于后面的数据调制、多用户接入以及系统LPI特性的实现。再进行幅度调整(magnitude scale)以保证有一定的发射功率，得到基函数的频域形式B(ω)

式中:C为幅度调整因子。最后通过逆傅里叶变换得到基函数的时域形式

现有的TDCS系统都假定发射机和接收机处在相同的电磁环境中，因此得到的谱估计是相同的。然而，由于谱估计是在不同几何位置上独立进行的，因此估计一般都不会完全相同，这将会影响系统的传输性能，导致检测信噪比降低，增加误码率。一种解决办法是在发射机和接收机之间建立专门的反馈信道，这条信道被用来传送接收机的频谱环境信息和前向链路性能给发射机［9］;另一种是建立控制信道，即信令传输信道，用来将发射机产生的基函数信息传送到接收端［10］。

3 仿真结果及分析

在Matlab仿真平台里，传输信号经过二元CSK调制后从每根天线独立地发送出去，并在信道中受到3种窄带干扰:单音干扰、多音干扰(7个)和30%部分频带干扰。信噪比(SNR)为6 dB，干信比(J/S)变化范围是0～10 dB，信道为瑞利衰落信道。假设发射端不知道信道状态信息，这样总的发射功率将被平均分配到每根发射天线上。仿真采取两发两收(2×2)和四发四收(4×4)这两种MIMO-TDCS模型，并与传统MIMO系统在有干扰、无干扰两种情况下作性能比较。不同窄带干扰下的误码率如图5～图7所示。

图5 单音干扰下MIMO-TDCS的误码率Fig.5 The BER of MIMO-TDCS under single-tone interference

通过仿真结果可以看到，传统MIMO系统由于没有采用抗干扰机制，在受到干扰影响时误码率随着干信比增大而显著增加;而MIMO-TDCS的收发端利用变换域技术抑制干扰，因此无论面对单音、多音还是30%部分频带干扰，误码率性能与理论值基本保持一致，即使干信比为10 dB，误码率的增加也不到1‰;2×2收发系统的误码率性能要略好于4×4系统，这是由于不同数目的天线的分集度不同所造成的，与传统采用V-BLAST结构的MIMO系统的结果类似［11］。

图6 多音干扰下MIMO-TDCS的误码率Fig.6 The BER of MIMO-TDCS under

图7 30%部分频带干扰下MIMO-TDCS的误码率Fig.7 The BER of MIMO-TDCS under 30%partial-band interference

4 结论

为了解决传统MIMO系统无法有效解决信号的抗干扰问题，设计了一种基于V-BLAST结构的多输入多输出变换域通信系统。通过软件仿真和结果分析，MIMO-TDCS可以有效地抑制窄带干扰，使传输信号的误码率性能较传统MIMO系统有很大的改善，因此验证了MIMO-TDCS是一种有效应对窄带干扰的通信系统。

本文尚有许多不足之处，仍要做的工作有:1)对MIMO-TDCS的理论可行性作更深层次的探讨;2)MIMO-TDCS应对非平稳干扰(如扫频干扰)时的信号处理问题;3)收发电磁环境不一致时的可靠传输问题。

［1］ FOSCHINI G J.Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas［J］.Bell Laboratories Technical Journal，1996，1(2):41-59.

［2］ 刘辉，张复春，李赞平，等.基于软件无线电的抗干扰数字通信系统研究［J］.电光与控制，2010，17(3):80-83.

［3］ DUMAN T M，GHRAYEB A.MIMO 通信系统编码［M］.艾渤，唐氏刚，译.北京:电子工业出版社，2008.

［4］ RADCLIFFE R A.Design and simulation of a transform domain communication system［D］.Wright-Patterson AFB OH:Air Force Institute of Technology(AU)，1996.

［5］ RADCLIFFE R.Design and simulation of transform domain communication system［C］//IEEE MILCOM Proceedings Dallas:1997，586-589.

［6］ TAN Kefeng，ANDRIAN J，ZHU Hao，et al.An improved VBLAST with narrowband int-erference avoidance capability［C］//The 9th Annual Symposium on Wireless Personal Mult-imedia Communication(WPMC06)，San Diego，California，2006.

［7］ NUNEZ A S.Interference suppression in multiple access communications using M-ary phase shift keying generated using spectral encoding［D］.Wright-Patterson AFB OH:Air Force Institute of Technology(AU)，2004.

［8］ 史军，迟永钢，张乃通.变换域通信系统:原理、技术与发展趋势［J］.南京邮电大学学报，2009，29(1):87-94.

［9］ CHAKRAVARTHY V，SHAW A K，TEMPLEM A.Cognitive radio，an adaptive waveform with spectrum sharing capability［J］.IEEE WCNC，2005(2):724-729.

［10］ 韩川.认知无线电场景中的变换域通信系统研究［D］.成都:电子科技大学，2007.

［11］ 于全.战术通信理论与技术［M］.北京:电子工业出版社，2009.