0 引言

在实际的移动无线信道中，信道的复合冲激响应是一个与时延有关的时间函数。已有的多种文献证明，移动无线电信道的复合冲激响应数学模型可使用统计形式描述为一个零均值的复值高斯过程。其中，当复包络符合瑞利分布时，称为瑞利衰信道，当无线复包络中包含了固定散射源时，为不符合零均值过程的莱斯衰落信道。瑞利和莱斯同为典型的多径衰落模型，文中主要考虑的实验模型为无直射传播信号的瑞利衰落信道模型。

目前，普通的单载波或普通频分复用无线系统针对多径衰落主要采用均衡接收器的办法来进行抑制，在成本和效率上并不十分的理想。而将多载波正交频分复用技术（OFDM）和多天线收发阵列（SIMO/MISO/MIMO）进行结合可以在很大程度上满足扩展可用频谱的同时，又能在较小的硬件花销代价下完成多径效应的抑制。因此，OFDM+MIMO作为一种理论上可行的无线解决方案，进行了大量关于传输效率提高和增强误码率控制的相关验证性实验。但是，鉴于与之配合的编码方案过于复杂，长期以来，与之相关的系统长期以来仅驻足于理论研究上。

为了在最大程度上发挥OFDM 的高频谱利用率和多天线的抗干扰能力和兼顾编码复杂度，可以考虑将OFDM 中单个载波的信息容量进行高度压缩，抛弃造成编解码困难的多电平和复杂包络调制检测方案，最终成为某个频段上仅能表达二元信号特征的开关（on-off keying）载波，在发射端形成MFSK 多载波信号数据块。同时，对MIMO 收发系统也进行进一步减化，只在系统的单端保留多天线形式，这样形成的单发多收（SIMO）和多发单收（MISO）天线系统不再具有传输速率上的优势，但仍在抗多径效应方面保留了较高的分集增益。

1 基本编码流程

如图1 所示，系统按照OFDM 的数据块模式构造多载波MFSK 编码方案，其中纵轴为总的可用载波段频谱，横轴为通信时间，这样在一个多载波MFSK 数据块内就形成了多个全频率时隙，每个时隙按照一定的频率宽度又可划分为数个频率带，而每个频率带又可以表征一个二进制开关子载波。

这样一个子载波数为N=8 的多载波MFSK 系统，每个时隙内同样需要划分8 个子频带。

图1 多载波MFSK 数据块结构

子载波码调制进入时隙的过程按照如下的规则，即图2所示。全频率上的子载波通道按照M=log2（N）进行编号。例如当N=8 时，子载波通道可以被划分为0—7 共8 道子频带。

从信源输入的子频带序号只能按照升序列标示入某个时隙，一旦后一序号不大于前一序号，后一序号则必须标定入下一时隙。例如图2 中的子频带序号组1-2-3 是上升序列排布的，则此三载波序号可以标定在同一时隙内。但当来源子频带序号组为2-2-3 时，第一时隙内仅能单独标定出序号2，在第二时隙内能标定出剩下的升序频带组2-3。这样制定编码规则有如下的好处和特点：一是使用了正交频分复用的概念来进行子频带调制，调制技术成熟过程简单，某一时刻的同一时隙内能同时多个标定频带序号，传送信道总容量较大且自身具有一定的抗ISI 能力；二是使用在时隙内标定子频带的调制方式代替传统单载波通信中使用的易受衰落影响的多电平多进制调制方式，在数据量不受影响的情况下大大提高了抗干扰能力；三是在多载波MFSK 数据块内使用了类似于异步传输模式的固定带宽+先进先出传送模式，解决了使用同步传输可能带来的系统复杂度增加的问题。

图2 多载波MFSK 数据块时隙标定规则

2 多径信道多抽头传输模型的建立

当使用统计的方法来进行信道建模时，通常有三种思路可以考虑：

①设定延时和衰落幅度值，然后与信道相乘及求和，这是最简化的多径信道仿真过程；

②设定各延迟路径的时延和功率，根据路径功率分别得到复抽头系数的实部与虚部，然后用复抽头系数与信号相乘并求和；

③将多径效应看作是FIR滤波器进行模拟。

文中使用的多抽头模型与方法②较为类似。

为了模拟出和真实城市环境较为相似的复抽头系数组，使用了一组某城市实测6 径增益数据[–20 0 –7 –12 –18–22]dB.其中，当某径增益小于最大径值20 dB 以上时，可以认为该径对系统没有影响，即此组数据折算后可以简化为[-6 1 –9]dB。而在计算中，输出的字符串rb 的实际能量可以使用以下公式表达：

rb=16×Sb×（h1+h2+h3）+2×Sa×h3+2×Sc×h1+（Sa+Sb）×h2，

则连续通过多径等效模型的离散字符串都可以通过此法获得近似的离散字符输出和相应的近似输出能量。

3 编码方案和天线传输系统的改进

使用基本编码方式时，因为模拟自然状态下完全随机的子载波通道序数固有的升降排布统计规律，单个时隙的利用效率并不算特别的高。为此，在进行编码方案改进时，可以考虑两种简单易行的办法来增加单个时隙的标定利用效率。

改进方法一是，通过在每次时隙标定前比较分别计算出升序和降序所能标定占用的子频带个数，选出数量较大的一种作为当前使用的排序方案，这样在每个时隙标定完成后仅需占用一个特定专用频带用于当前升降序识别即可。这种改进办法的优点是不需要对输入数据进行过多的重组运算即能起到一定的优化效果。

改进办法二是，在进行时隙标定前，设置四个数据缓存器。以一个既定的一定长度的子载波序号数据串为单位，将子载波占用频带序号串全部装入四个缓存器进行重组。装入缓存器的规则如下：首先从升序或者降序中选定一种作为标准，按照基本的编码法在一号缓存器中进行时隙标定，当需要新的构成新的时隙时转入第二号缓存器，依此类推。当四个缓存器全部轮装一遍后又跳回一号缓存器进行第二次时隙标定循环，直至既定的一定长度序号数据串全部装入四个缓存器为止。在此后的传送过程中以缓存器为单位从一号至四号进行依次发送，接收端同样设置四个缓冲器按照先进先出的异步传输模式进行数据串复原解码工作。这种办法的好处是，以缓存器为单位的重新标定过程，改变了原有的自然随机统计规律，在这种模式下，很少有基本编码方案中常见的单个子载波占用一个时隙的情况出现，频谱利用效率大为提高。不足之处在于对硬件存储和计算能力要求较高。

在对天线传输系统的改进方面，通过空间分集的方式强化系统的抗多径干扰能力。在信号传输时，通过在发送端或接收端配备两组发送或接收信号构成多进单出或单进多出的MISO 或SIMO 系统，以此来加强分集增益。其中在发送端配备两组天线时，两副天线需要传输相同的数据，所以系统的实际传输数据率并不像MIMO 系统那样会成倍提高。当使用多副天线进行接收时，为了达到简化系统的目的，通常使用等增益合并ECG 进行信号的检测和合并工作。以上的改进方案将在下一节中得到验证。

4 参数设计和实验结果

在对改进的编码方案进行验证时，主要使用频谱效率和误码率两个指标对设计方案进行评估。文中频谱效率按照如下公式进行定义：

其中ε 即为频谱效率，b n 为发送的总时隙数， n γ 为当前时隙内的标定子频带序号个数，L 为每个子频带序号符号占用比特数，而N 为总的子频带数。

按照此种方法，以基本编码方案为例，在载频带数为16，总的子频带序号个数为10 000 的情况下进行实验，基本编码方案效率统计结果如图3 所示。

图3 编码方案效率统计

图4 FSK 与MFSK 基本编码方案的效率对比

由图4 可见，总载频带数为16 时，产生的时隙以标定1个或2 个子频带序号个数为主，具体统计数据如表1。

表1 序号分布概率统计表

虽然总体频谱利用效率不足0.5，但是与未进行基本编码前的普通单载波FSK 相比，编码后的效率已经大大提高，因为在相同条件下，单载波FSK 仅能达到：

仅仅0.25 的频谱效率，由此说明，之前设计的基本编码方案是有效的。

在另一组计算中，图4 显示了总频带划分从2 至1024个子载波带的条件下，单载波FSK 与多载波MFSK 基本编码方案的效率对比，显示了在整个通频带上，基本编码方案总是具有较大的效率优势。

为了对基本编码方案进行进一步改进，选择理论效果更佳的改进方案2 进行验证，基本编码方案及改进编码方案2的频谱效率对比结果如图5 所示。

图5 基本及改进方案的频谱效率对比

可见，使用改进方案2 后，虽会对硬件复杂度造成一些不利的影响，但其频谱效率相对于普通编码方案，在2 至1024个子载波划分条件下，频谱效率总能保持在普通编码方案的两倍左右。可见，改进编码方案2 的设计也是成功的。

在误码率方面，当三径增益设为[-6 1 –9]dB 时，归一化后的衰落系数为[0.1817 0.7268 0.091]，于是可得如图6。根据图6 的各子载波衰落程度，可以预先在各子载波硬判决检测中设定不同的门限，则可以判决出各子载波大致的误码率。

图6 子载波数为N=8 时的多径衰落功率谱

图7 给出了设定门限状态下基本编码方案的各子载波误码率（Es/N0=7dB,载波数N=8），因为4 和6，3 和7 载波在频带衰落值上是对称的，所以在图7 中只列出载波3 和载波4。

可见，信道能量衰落对误码率有较大的影响，基本编码方案在给出的多径条件下虽然效率较高，但误码率在影判决条件下普遍较大，多数超过了10-2 量级。在引入多接收天线SIMO 概念后，使用1 至4 组接收天线进行ECG 等增益合并，结果如图8 所示。

图7 设定门限下基本方案的各子载波误码率

图8 基本编码方案ECG 合并误码率

由图8 可以看出，所设计的基本编码方案在与多接收天线ECG 检测合并后能够有效地抑制住强多径效应造成的较大误码率，从而在获得较高的频谱利用效率的同时，在*费较小的硬件条件的前题下，同时也获得较强的多径效应抑制能力。

5 结语

文中设计了一种采用新型多载波MFSK 调制编码方案的类OFDM 系统，并通过仿真给出该系统在较严重的瑞利多径衰落条件下的频谱利用效率及误码率特性。由于联合使用了MFSK 及OFDM 和SIMO 等调制和发送接收方式，所提出的系统在系统复杂度增加不大的情况下，在强干扰条件中仍取得了比单独使用单载波调制具有更高的频谱使用效率且比单发单收的天线具有更优误码率的仿真结果。多载波MFSK编码方案是一种适用于各类工作于瑞利多径衰落条件下的中低容量无线系统的低成本改进方案。