基于Alamouti 碼的MIMO-UWB 系統發射接收模型概述

孫 杰，顏 彪，程靜靜，徐 珍，繆婉儀，王加敏

(揚州大學信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

超寬帶(UWB)作為一種新的無線通信技術，具有低功耗、超高速、抗干擾性強等優點，成為無線個域網中研究的熱點技術之一。目前，超寬帶系統主要的研究包括調制技術、接收與同步技術、抗干擾技術、多址與天線技術等。

UWB 與傳統的無線通信技術不同，主要是采用頻譜重疊技術來提高頻譜利用率和傳輸速率。根據其頻譜擴展方式不同，可分為脈沖無線電超寬帶(IR－UWB)系統和多頻帶超寬帶(MB－UWB)系統。對于IR－UWB 系統，根據擴頻序列的不同，又可分為跳時超寬帶(TH－UWB)和直接序列超寬帶(DS－UWB)。

由于UWB 信號與其他無線電信號同時存在，FCC 對其發射功率進行了限制。為獲得更好的性能，經過專業人員的的大量研究，提出了一種MIMO 與UWB 相結合的方案。本文著重對UWB 系統的發射和接收技術、抗干擾技術等進行分析。

1 MIMO－UWB 系統模型

1.1 IR－UWB

1.1.1 TH－UWB

在跳時頻超寬帶系統中，根據其發送數據調制方式的不同，又可分為脈沖位置調制(PPM)、脈沖形狀調制(PSM)、脈沖幅度調制(PAM)等或是幾種的組合調制。下面作一具體介紹。

(1)PPM－TH

由文獻［1］得PPM－TH－UWB 發射信號的表達式為:

圖1 PPM－TH－UWB 信號波形

由圖1 可以看出，發射信號的脈沖都在其時隙內產生了偏移，所以二進制序列為［11］，每一幀有三個時隙，比特重復次數為5，則TH 碼=［2022 1］。

在接收端，接收信號的表達式為:

(2)式中，Nu是總的用戶數，τ為PPM 時延，n(t)為高斯白噪聲，ERX為接收脈沖能量。

(2)PAM－TH

由文獻［2］得PAM－TH－UWB 發射信號的表達式為:

圖2 PAM－TH－UWB 信號波形

在接收端，接收信號的表達式為:

其中，X為標準正態分布的幅度增益，L為簇數目，N為第1 簇中多徑的數目，τn，l為第1 簇第n 條路徑的時延。

(3)PSM－TH

由文獻［3］得PSM－TH－UWB 發射信號的表達式為:

1.1.2 DS－UWB

由文獻［4］得DS－UWB 信號表達式:

(6)式中，bk(i)∈{±1}為第k個用戶的二進制符號，sk(j)為擴頻碼的sk第j個元素，pt(t)為寬度是Tc的脈沖波。圖3所示為DS－UWB 信號。

圖3 DS－UWB 信號波形

與TH－UWB 信號相比，DS－UWB 信號在每個脈沖持續時間(Ts)內，不隨時間的變化而改變位置。從圖3 可以看出，第二組脈沖與第一組脈沖極性相同，則傳輸的二進制序列為［11］，DS 序列為［1－111－1－1－11－11］。

1.2 MB－UWB

與IR－UWB 不同，MB－UWB是FCC 將3.1 ～10.6GHz范圍內的帶寬分割成14個帶寬為528MHz的子頻帶，并分為5個頻段組，前4個頻段組分別由3個子頻帶組成，第5個頻段組由2個子頻帶組成。每個頻帶內的數據調制類型不一定使用IR方式，通常采用正交頻分復用調制。

MB－OFDM UWB 信號的表達式為:

其中，T是OFDM 符號的持續時間，ret(t/T)是持續時間為T的矩形窗，cm是發送序列。

文獻［5］提出了MB－UWB 與其他窄帶兼容共存的問題，由于UWB 系統占用很寬的頻帶，勢必會和其他無線通信頻段重疊。因為FCC 對UWB的發射功率做了限制，理論上可以和其他系統共存，但實際應用中還需要進一步論證。

2 MIMO－UWB

假設系統有Mt根發射天線，Mr根接收天線，Ns個數據流通過N個OFDM 副載波調制。則第i 根天線上發射的OFDM 信號可以表示為:

在接收端，假設系統同步，第j 根接收天線接收到的信號可以表示為:

3 Alamouti 碼

將上式帶入式(9)中化簡，得:

其中，hj為第j 根接收天線的信道矢量即H的第j 列。

由文獻［6］得:

由ML 譯碼準則可得:

4 結束語

本文簡要介紹了SISO－UWB和MIMO－UWB 系統的多址方式、調制方案和接收譯碼準則。UWB的調制方案主要分為TH－UWB、DS－UWB和MB－OFDM UWB 三種，因OFDM 技術成熟，MB－OFDM UWB 更具有發展潛力。

與SISO 相比，MIMO 技術提高了系統的性能，但也增加了系統的發射與接收難度。在多用戶條件下，MIMO 可以抑制干擾信號，提高UWB 系統的誤碼率性能。多個接收天線分集還可以有效地克服多徑衰落，隨著天線數目的增加，系統誤碼率性能進一步提高。

MIMO－OFDM 技術已在通信領域獲得廣泛研究，如何將MIMO－OFDM 技術與UWB 相結合是未來的重點研究方向，也將對無線通信技術的發展起到促進作用。

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