（无线电物理专业论文）基于时间反演技术的超宽带无线通信的实验研究.pdf

摘要 摘要 信息的高效传输是未来无线通信研究的主要方向。超宽带( u l t r a w i d eb a n d ： im 僵) 无线通信系统与其它无线通信系统相比，具有高通信容量、高多径分辨率、 不需要新频谱、保密性好等独特优点，成为了下一代无线通信的关键技术之一。 时间反演( t i m er e v e r s a l ：t r ) 技术是由m f i n k 于1 9 9 2 年首先应用于声学领 域，近年来被引入电磁波领域。由于t r 应用于u w b 无线通信时，将极大地增加 信道容量、减少同信道干扰、降低码间干扰、提高信息传输速率，因此吸引了大 批无线通信研究者t r 在u w b 通信中的应用进行了研究。本论文就t r 技术进行 了研究，共分为以下五章。 第一章介绍了u w b 无线通信的发展历史、存在问题、目前的解决方法和t r 的优势；简要阐述了t r 时空聚焦原理，调研了t r 技术应用于u w b 无线通信的 研究进展。 第二章介绍了t r u w b 无线传输实验中相关的技术，包括脉冲形成器、功率 限制、c l e a n 算法等。利用先进的仪器搭建了t r - u w b 无线传输实验平台，并对 各硬件的指标要求进行了说明。 第三章提出了单输入多输出( s i m o ) 技术与t r 技术相结合的多用户u w b 无线传输方式，并从理论上证明了s i m o t r 的可行性。介绍了在实验环境中将会 面临的实际问题并提出了相应的解决方案。采用全时域方法在小型办公室内环境 下对s i m o t r u w b 无线传输进行了实验研究。研究内容主要包括t r 对信号波 形的恢复、多径效应抑制能力、不同脉冲的聚焦特性，发送分集技术对系统性能 的影响，并最终实现了5 0 0 m b p s 信息速率下的用户数为2 的u w b 无线通信。 第四章在s i m o t r 基础上研究了多输入多输出( m m o ) 与t r 相结合的多 用户u w b 无线传输方式。首先，在小型办公室内环境下通过发射高斯单脉冲信号 对2 x 2 情况下的4 个用户信道进行了探测。然后，通过m a t l a b 仿真软件对t r 信 号在各用户的聚集特性进行了研究，并分别仿真实现了2 5 0 m b p s 、3 3 0 m b p s 、 5 0 0 m b p s 速率情况下m i m o t r 多用户通信。结果显示，t r 聚焦特性有效地提高 了m i m o 的通信质量，在5 0 0 m b p s 信息速率下仍然能够实现低误码率的无线通信。 第五章对本文做了总结，指出了未来工作的方向。 关键词：时间反演，超宽带通信，多径干扰，多用户 t a b s t r a c t h i 曲s p e e di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw i l lb eo n eo ft h em a i nr e s e a r c ha s p e c t si n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c o m p a r e d w i t ho t h e r s y s t e m s u l t r a w i d eb a n d c o m m u n i c a t i o n ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sr e c e i v e dw i d e l ys t u d yi n t h er e s e a r c ho fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o rt h ea d v a n t a g e so fh i g h c a p a c i t y , h i g hm u l t i p a t hr e s o l u t i o n ，c o m p a t i b i l i t yw i t he x i s t i n gc o m m u n i c a t i o n f r e q u e n c ys p e c t r u m ，h i 曲s e c u r i t ya n d s oo n t i m er e v e r s a l ( t r ) t e c h n o l o g yw a sf i r s ta p p l i e di na c o u s t i c sf i e l db ym f i l l l 【，a n d i nr e c e n ty e a r si tw a si n t r o d u c e di n t oe l e c t r o m a g n e t i cw a v ef i e l d i ft ri sa p p l i e dt o u 1 仃a - w i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tw i l lt r e m e n d o u s l yi n c r e a s et h e c a p a c i t yo ft h ec h a n n e l ，r e d u c et h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，r e d u c ei n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e 。a n di n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e s o 豫h a sa t t r a c t e dal o to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h e r s t h et h e s i sd o e ss o m er e s e a r c ho ft r , a n di ti s d i v i d e di n t of o l l o w i n gc h a p t e r s c h a p t e rli n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 。 p r o b l e m st ob es o l v e d 。p r e s e n ts o l u t i o n sa n dt h ea d v a n t a g e so f 豫t e c h n i q u e t h e nw e s i m p l ye x p l a i nt h et e m p o r a la n ds p a t i a lf o c u s i n go ft r , a n df i n a l l yi n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n ts t a t u so ft r i 肿 c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h e t e c h n i q u e s o ft r i 舳w i r e l e s st r a n s m i s s i o n s e x p e r i m e n t ，i n c l u d i n gp u l s eg e n e r a t o r , l i m i t a t i o no fp o w e r , c l e a na l g o r i t h m ，a n ds oo n t h e nw eu t i l i z ea d v a n c e di n s t r u m e n t st oc o n s t r u c ta 豫u l 佃w i r e l e s st r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n di n t r o d u c e st h ep a r a m e t e r so fa l lt h eh a r d w a r e c h a p t e r3i n t r o d u c e st h et rc o m b i n e dw i t l ls m ot e c h n i q u ef o rm u l t i u s e ri ，w b c o m m u n i c a t i o n s a n dt h e o r e t i c a l l yt e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fm i m o 己w ep o i n to u t t h et e c h n i c a ld i f f i c u l t yo fe x p e r i m e n ta n dp r o p o s ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a n dn l e l lw e a p p l yt h e 彻lt i m ed o m a i nm e t h o dt oi n v e s t i g a t et h es i m o t r i ) _ w bw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n su n d e rt h ee n v i r o n m e n t so fas m a l l0 伍c e t h ei n v e s t i g a t i o n si n c l u d et h e r e c o v e r i n go ft h es i g n a lw a v e f o r m ，t h em u l t i - p a t he f f e c ts u p p r e s s i o na b i l i t yo ft r , t h e e n e r g yf o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i co f 豫。a sw e l la st h ei m p a c t so ft r a n s m i td i v e r s i t y t e c h n i q u eo ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n df i n a l l ya c h i e v et w o u s e r sw i r e l e s st r a n s i m i s s i o n w i t hi n f o r m a t i o nr a t eo f5 0 0 m b p s b a s e do ns i m o 乙c h a p t e r4a p p l i e st h em 【m o 耶rt e c h n i q u et om u l t i u e s r i 脚t r a n s i m i s s i o n f i r s t l y , i nt h ee n v i r o m e n to f2 2m u l t i - u s e rs y s t e m t r a n s m i t t e r s e n d sg a u s s i a np u l s es i g n a lf o rs o u n d i n gc h a n n e l ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h ef o u r c h a n n e l sa r eo b t a i n e d s e c o n d l y , w ei n v e s t i g a t et h ef o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i co ft ru s i n g s o f t w a r em a t l a ba n ds i m u l a t et h et w ou s e r sw i r e l e s st r a n s i m i s s i o nu n d e rt h e i n f o r m a t i o nr a t ea r e2 5 0 m b p s 。3 3 0 m b p sa sw e l l 弱5 0 0 m b p s 。r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s a b s t r a c t s h o w st h a tt h ef o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i co ft rd e e p l yi m p o v e st h eq u a l i t yo fm i m o c o m m u n i c a t i o n ，a n d t h em i m os y s t e ma l s oc o u l dr e a c h5 0 0 m b p sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sw i t hl o wb i te r r o rr a t i o c h a p t e r5s u m m a r i z e st h et h e s i sa n dp o i n t so u tt h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：t i m er e v e r s a l ，u l t r a - w i d eb a n dc o m m u n i c a t i o n ，m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c e ， m u l t i u s e r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：径垒 日期：乙尹夕年f 月夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 0 日期：z 夕年f 月夕日 第一章引言 第一章引言 1 1 基于时间反演的超宽带技术的研究目的及意义 信息的高速传输是未来无线通信研究的主要方向之一。超宽带( u l t r aw i d e b a n d ：u w b ) 无线通信系统具有高通信容量、高多径分辨率、兼容现有通信频谱以 及保密性能高等独特优点，已经成为下一代无线通信研究的热点方向 1 。2 1 。而无线 通信的用户大多处在异常复杂的环境中，复杂环境的时变多径传播特性会严重影 响通信性能，克服这一问题的核心技术之一是在无线链路中引入环境自适应技术。 为了进一步提高l r w b 无线通信系统的性能，我们研究基于时间反演 ( t i m e r e v e r s a l ：t r ) 的环境自适应l r w b 高效无线链路传输技术。t r 技术的基 本原理是麦克斯韦方程的对称性，首先将记录的由接收机发来的宽带探测信息进 行逆时处理并用信息调制发射，然后信号将自动地在接收用户处实现时间空间同 步聚焦，最终实现信号的完美复现。简单分析表明，一方面t r 信号的时间空间聚 焦特性能够极大地提高通信性能，增加通信容量、减低符号间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ：i s i ) 、提高传输速率、增加保密性能，并且通信系统结构非常简单； 另一方面t r 技术的基本原理使宽带无线系统在异常复杂环境( 如建筑密集区，甚 至正在发生台风或地震的区域) 中的任意两点间能准确无误地建立高效连接，表 现出固有的环境自适应性。因此，基于t r 的环境自适应u w b 高效无线链路传输 技术具有十分广阔的应用前景，然而要将该技术推向实用仍然存在着诸多技术难 题需要解决。 因此，随着对t r 无线通信技术认识的不断深入，人们将会全面挖掘t r 技术 在无线通信系统应用中的巨大潜能，基于t r 的环境自适应u w b 高效无线传输链 路技术无疑是未来宽带无线通信技术发展的必然趋势，必将成长为未来无线通信 技术中的关键技术之一。 1 2u w b 技术的概述 u w b 技术曾经被称为无载波( c a r d e rf r e e ) 或脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ：i r ) 技术【3 司。根据联邦通讯委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ：f c c ) 的规定， 电子科技大学硕士学位论文 u w b 信号有两种定义：一种定义是指1 0 d b 带宽超过5 0 0 m h z 的信号；另一种定 义是指相对带宽7 7 大于0 2 0 ( 即2 0 ) 的信号，所谓相对带宽r ，表达式如下 ， 一，、 r = 丛l 业 ( 1 1 ) 。 u h 七 心| 2 7 其中厶和五分别是能量功率谱密度的上限频率和下限频率。 由于使用极窄的脉冲及很宽的带宽，l r w b 技术具有如下优势： ( ) u w b 信号的带宽极宽，可提供很大的系统容量。 ( 2 ) 极宽的带宽使得系统具有很大的增益，抗窄带干扰的能力比一般系统强。 ( 3 ) u w b 信号具有较强的多径分辨能力。 ( 4 ) u w b 信号的发射功率十分低，对其它窄带系统的干扰小，可与其他系统共 享频谱资源，提高频谱利用率。 ( 5 ) 同样由于发射功率十分低，u w b 信号被截获、侦测到的概率低，有利于安 全保密通信。 ( 6 ) 不需要使用复杂的调制方法和接收方法，系统实现相对简单，成本较低。 然而，u w b 无线通信系统常常处于非常复杂的电磁传播环境中，由于反射、 散射以及色散传播作用会严重影响通信质量；并且在多散射环境中，信号经过不 同的路径后到达用户端( i & ) ，这将出现多径效应。在多径效应严重时会导致信号 延迟展宽，造成u w b 无线通信中的符号间干扰、多用户通信中的共道干扰，导致 传输信号的信噪比下降，从而使u w b 在传输速率上的优势也很难得到体现。为了 抑制多径效应的消极影响，人们进行了大量的研究。目前采用的主要方法之一是 提高发射脉冲信号的占空比。很明显，这一技术极大地浪费了信号的时间和频率 资源。另一种有效的方法是采用m i m o 系统和正交频分复用技术( o f d m ) 相结 合的技术，这一技术将高速率信号的严重多径效应转化为低速率信号的弱多径效 应，在一定程度上弱化了多径效应的消极影响。然而，这一技术仍然受限于信号 传输时的多径效应。 另外，u w b 占有的频带极宽，有一部分频带与现有的其它无线系统，如航空、 军事、天文、安全等领域的无线系统所使用的频带重叠，甚至会对全球定位系统 ( g p s ) 、无线局域n ( w l a n ) 等窄带通信造成干扰。同时，u w b 系统也可能受到其 它无线系统的干扰。为了降低u w b 系统与其他窄带无线通信系统间的干扰，可采 用在发射端( t x ) 或r x 增加滤波器或具有陷波特性的u w b 天线，将频率重叠的 信号滤掉，但这样会导致u w b 的频率资源就不能得到充分利用。 2 上o 第一章引言 因此，为了解决u w b 无线通信中的多径效应及干扰等问题，人们将t r 技术 引入无线通傅7 】。 1 3 时间反演技术的概述 1 9 9 2 年巴黎第七大学的m f i i l l 【教授率先将t r 技术应用于声学领域，并证 明该技术在传输过程中的时空聚焦特性 8 - 1 0 。之后的研究逐步表明了t r 在工程应 用领域中的巨大价值。采用这种技术，能使在均匀和非均匀媒质中传播的声波实 现时间和空间的同步聚焦，因此可用于复杂媒质中目标的探测。t r 声学技术实现 目标探测的过程可以简要地用下图1 表示。其他的一些技术，如自适应时间延迟 聚焦法( a d a p t i v et i m e d d a yf o c u s i n g ) 、相位共扼法【l l j ( p h a s ec o n j u g a t i o n ) 等， 对于所探测目标的位置和周围媒质的特性等都有一些特殊的要求。而采用t r 技术 进行目标探测则具有更多的自由度，可以在更多情况下实现目标的高分辨率成像。 t r 技术在超声波探癌、水下的声波通信等方面取得了一定的成果 1 2 】。文献【1 3 】中利 用频域信道提取技术获得了信道冲击响应，然后将t r 技术与最小均方根误差 ( m m s e ) 均衡技术相结合应用于信息传输，实验证明了t r 可以有效地改善u w b 接收机的性能。 2 0 0 4 年，f i n k 教授利用脉冲宽度为1 微秒，中心频率在1 4 5 g h z 的脉冲信号 成功完成了t r 实验，实现了信号的时空聚焦。这是首次将t r 技术应用于电磁波 眺 ( a )雾缸c 。擎k 图1t r 声学技术实现目标探测示意图 ( a ) 探测器发射声波( b ) 目标反射声波，探测器记录反射响应 ( c ) 探测器发射时间反演信号，信号将在目标处实现时间和空间同时聚焦 领域1 4 1 。因此，t r 技术可用于目标的探测，如微波成像、体内癌细胞治疗等1 5 1 7 1 。 同时，研究者们也逐步开展t r 技术在现代无线通信系统中的应用研究，基本思想 类似图1 ，只是略去第一步骤而将目标反射信号用接收用户所发射的探测信号代 替，接收机处对所记录的无线信号通道响应进行t r 操作，并按特定方式用通信信 息进行调制，信号将能够准确无误地在接收机处实现时空同步聚焦，信号也因此 3 电子科技大学硕士学位论文 仅在接收机处完美重现。 然而，目前t r 技术在无线通信方面的研究与应用在国际上仍然处于起步阶 段。所取得的成果主要集中在基于t r 的u w b 电磁脉冲时间空间聚焦的物理现象 和物理机制研究方面【1 8 09 1 ，有一些研究者尝试了t r 技术在m i m o 无线通信系统 中的简单应用f 2 0 】。这些成果基本上是基于实验方法，研究从t x 发射的信号通过多 径环境后传输到r x 所得接收信号的时间聚焦和空间聚焦特性，但实验表明了基于 t r 的u w b 通信技术具有天然而优良的环境自适应能力，展现了t r 在无线通信 应用中的巨大潜力。在公开的专利中，出现了t r 在电子信息技术领域的应用专利， 它们主要有基于t r 的信号调制解调技术以及信号处理技术【2 1 - 2 2 ，用以对信号进行 均衡处理。另外也出现了单比特和多比特的低速率t r 无线传输系统【2 3 1 ，专利中提 出的t r 技术仍然用来实现信号处理功能，但是系统传输速率极低不能满足现代高 速通信要求。所公开的文献中也很少涉及对基于t r 无线通信系统的相关理论探 讨，缺少对该技术全面而深入的认识和理解，而专利更是局限于技术的局部应用。 国内在基于t r 的研究和应用方面的报道很少【2 们5 1 ，而基于t r 的无线通信研究至 今仍未见报道。如上文献检索和专利查询表明，基于t r 的环境自适应u w b 高效 无线传输链路技术仍然处于空白状态。但是，文献发表及专利申请的趋势表明， 基于t r 的环境自适应u w b 高效无线传输链路技术成为了未来宽带无线通信技术 发展的必然趋势，这一课题已经成为当前无线通信技术研究与应用热点，并必将 成长为未来无线通信技术中的关键技术之一。 1 4 本论文的主要工作 本论文充分调研了u w b 无线通信技术以及t r 技术在u w b 中的研究进展。 在此基础上，首先通过电磁仿真平台对t r - u w b 下的单输入单输出( s i s o ) 系统 进行了研究。然后，利用先进的任意波形发生器和数字串行分析仪在小型办公室 内环境下构建了无线链路传输环境，实现了单输入多输出( s 蹦o ) 系统下的多用 户t r u w b 通信。对不同脉冲的聚焦特性、不同传输速率以及不同的t r 方式的 通信质量进行了研究，并与传统u w b 通信进行了对比。最后，在s i m o 基础上对 多输入多输出( m 蹦o ) 系统进行研究，并实现了多用户情况下的高速率t r - u w b 通信。全文就t r 技术研究内容的不同将其分为五章： 第一章介绍将t r 技术运用于u w b 无线通信的研究目的及意义，国内外u w b 无线通信技术、t r 技术和该技术应用于u w b 无线通信的研究历史及现状。 4 第一章引言 第二章首先介绍了s i m o t r u w b 的基本原理。然后，在此基础上对 m i m o t r - u w b 的基本原理进行了介绍。最后介绍了电磁仿真实验相关原理，如： u w b 的功率限制和辐射模板，c l e a n 算法，信号发生器，u w b 的调制及解调方式， t r 技术的原理分析以及t r u w b 实验系统的硬件要求。 第三章首先在小型办公室环境下构建了s i m o 多用户传输链路。该部分主要 的研究内容包括t r 技术应用于多用户通信系统后，各个用户信息的时间聚焦能 力，空间聚焦能力，多径抑制能力等性能的研究分析；对不同脉冲条件下t r 的时 空聚焦特性进行了实验研究，确定出高斯脉冲更适用于t r u w b 通信。然后对传 输速率分别为2 5 0 m b p s 、3 3 0 m b p s 以及5 0 0 m b p s 情况下的误码率进行了实验研究， 并在相同条件下进行了直接u w b 通信对比实验。通过实验结果对比表明，t r 技 术能够有效地抑制多径，显著地提高信号幅度，改善信号波形，并且误码率均低 于传统u w b 通信情况。整个实验最终实现了用户数目为2 、信息速率为5 0 0 m b p s 的多用户通信。 第四章首先对实验环境进行了简单介绍，然后利用利用高斯单脉冲信号对信 道进行探测，通过去卷积算法c l e a n 算法在室内环境中提取得到2 2 条件下的4 条信道冲击响应，然后在m a t l a b 仿真平台上验证了m i m o t r 情况下信息的时间 聚焦特性。最后在信息传输速率为2 5 0 m b p s 、3 3 0 m b p s 以及5 0 0 m b p s 的情况下进 行了m i m o t r u w b 无线传输仿真实验和直接传输仿真实验。从实验结果可知在 5 0 0 m b p s 的高速率下，m i m o t r u w b 仍具有较高信息检测率，由此证明了t r 的聚焦特性有效地提高了m i m o 的通信质量。 第五章对全文所作的工作和存在的问题进行了总结，对下一步的研究进行了 展望。 本文的主要创新点有： 通过在频域上和时域幅度上对信号成份进行判断，有效地抑制了u w b 信号中 的窄带成份，实现了u w b 通信系统与其他系统共存。 u w b 由于所占时间宽度很短，对信号进行同步一直是一个难点，本文介绍了 一种新型的模板检测方法，实现了纳秒( i l s ) 级的脉冲串信号的同步。 在t r u w b 系统中对s i m o 情况进行了研究，实现了一个基站多个用户情况 下的高速率低误码u w b 通信。并在s i m o t r 的基础上进一步研究了m i m o t r 通信系统，这对于提高信道容量、传输速率以及可靠性方面都有重要意义。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章t r u w b 多用户无线通信原理及关键技术 2 1t r - u w b 多用户无线通信基本原理 2 1 1s i m 0 t r 无线通信原理 在本次实验中，我们将t r 技术与s i m o 技术相结合，实现多用户u w b 通信。 整个s i m o t r 系统示意图如图2 - 1 所示。 露h 丑j 图2 - ls i m o t r 无线通信系统不葸图 k ( f ) 为t x 到第m 个r x ( r x 刖) 的信道冲击响应，在整个实验过程中都假设该冲 击响应是不变或者渐变的，并且由于信道具有空间衰减和时间延迟两大特性，因 此对于一个含有多径的信道，丸( f ) 表示如下 工_ k ( f ) = c r = l h 。心一) ( 2 - 1 ) 1 = 1 其中，k ) 表示为第m 个信道中的第，条多径成份，l 、与分别表示为第 m 个信道中所包含的多径数量，衰减因子以及延迟时间。s i m o t r 的整个通信过 程可以由以下步骤实现。 首先，由，向t x 发射信道探测脉冲x ( t ) ，在t x 得到对应于用户m 的接收 波形y 。( f ) ，并利用数据处理模块存储下来，其公式如下 y m ( t ) - - x ( t ) 圆h m ( f ) ( 2 2 ) 其中 表示为卷积运算。在一般情况下，探测脉冲x ( f ) 采用调制到对应频带范围 的高斯信号【5 1 。对其进行t r 处理后得到 ( o ) = x ( 一f ) 0k ( 一t ) ( 2 - 3 ) 6 第二章t r - u w b 多用户无线通信原理及关键技术 然后，在t x 端产生对应于用户m 的二进制跳时码( t h c o d e m ) ，并利用t h o a d c , , , 对t r 处理后的信号虼( 一f ) 进行调制，调制后得到携带有用户m 信息的正式通信 信号( f ) 如下 p ) = 厶虼( 。+ f 弓。+ ，互) i - - 0 n(24)-! 、一。， = 以x ( 。) k ( - f ) 圆万 f o 弓，+ 乏) i - - - o 公式( 2 4 ) 中的文f ) 代表d i r a c d e l t a 函数，它只在t = 0 时刻值不为零；弓。、瓦分别 表示信号的帧时间与码片时间；，是对应于第m 个用户的第i 帧信息的二进制码， 并且c 槲 0 , i 】；n 为二进制码数目；4 ，l 是能量分配因子，对于具有m 个用户的 s m o - t r 系统，厶可以表示如下 m 厶= p 。a ，其中p i = m a ) 【瞬( f ) 】 ( 2 5 ) 最后，利用计算机对各个用户信息进行合成处理并最终得到包含所有用户信 息的发射信号如下 mmn - 1 s ( f ) = 勺( f ) = 4 y ，( i t y l + c j 。- t ) ( 2 - 6 ) j = l，= li = o 在t x 端将s ( f ) 发射出去，r x m 所接收到的信息为 现在定义 = s ( f ) o k ( f ) + 理( ) = 0 ( f ) ( f ) + 以( f ) j = l 厂m 一11 = l a 2 y 2 ( i t f l + c s , t ! - t ) i o k ( f ) + 玎( f ) ( 2 - 7 ) l j = li = oj r _ | l ，n 一1 1 = 4 x ( - t ) h s ( - t ) 万 卜- ( f 弓。+ 勺e ) 五。( f ) + ，z ( f ) ，一l 乜= 以x ( 一f ) 毛。m ( t ) 圆6 t - ( i t 。+ 气，正) ( 2 - 8 ) i = o 7 - 电子科技大学硕士学位论文 啪)=f)兰n-i州。*徊虹r一(itsi=0。+ 硎 ) 。啪) ) 姨( f ) = 4 工( 一f ) o i ( 一f ) 万 f 一- + 勺乏) o 丸( f ) ( 2 - 9 ) j 因此，可以表示如下 = 乞( f ) + 幺( ) + 胛( f ) ( 2 1 0 ) 公式( 2 8 ) 中兄。( f ) 为第聊个信道的信道冲击响应j i l 。( f ) 的自相关函数。，z ( f ) 表示 通信环境中的高斯白噪声；民( f ) 表示第历个用户的有用信息；而既( f ) 表示的是 不同信道之间的互相关函数。 从上述可知，在t = f 0 。+ 。疋时刻，e ( f ) 中的自相关项将相干叠加，而q ( f ) 中的互相关项则非相干叠加，级( f ) 的数值相对于已( f ) 而言很小。所以，在r x 朋 端所接收的到的信号中，已( ) 为其中的主要能量成份。 由上述分析可看出，利用s i m o t r 技术，可以使第聊个用户在f = f 乃。+ c m ，乏 时刻实现时空聚焦。 2 1 2m i m 0 t r 无线通信原理 整个m i m o t r 系统示意图如图2 2 所示。 图2 - 2m i m o - t r 无线通信系统示意图 ( f ) 为第i 个t x ( t x i ) 到脚的信道冲击响应，由于信道具有衰减和延迟两大特 性，因此对于一个含有多径的信道，( f ) 表示如下 岛 h i j ( t ) = ( f 一锄) ( 2 - 11 ) 1 - - 1 8 固 圈 固徊峰岫 第二章t r u w b 多用户无线通信原理及关键技术 其中( f ) 表示为从t x ，到i 嗨的信道中的第，条多径成份。岛、与分别表示 为从t x f 到r x j 的信道中所包含的多径数量、衰减因子以及延迟时间。m i m o t r 的整个通信过程如下。 首先，由r x j 向t x f 发射信道探测脉冲z ( f ) ，在t 秘得到对应于用户历的接收 波形( f ) ，并利用数据处理模块存储下来，其公式如下 乃( f ) = 工( f ) 固( f ) ( 2 1 2 ) 然后，在t 秘产生对应于用户歹的二进制跳时码( t h c o d e j ) ，并利用t h c o d e ， 对t r 后的信号虼( 一f ) 进行调制，得到携带有用户信息的正式通信信号( f ) 如下 所示。 西 ) = 鸟均一+ 哆。+ 乃) _ k = 一0 ( 2 1 3 )- 1。 2 荟呜x ( 一力固j i l i ( 一力。万l 一( 后弓- + 互) 其中弓- 、疋分别表示信号的帧时间与码片时间；是对应于t x fl - f i 第j 个用户发 射的信息中的第七帧信息的二进制码，并且 o ，1 】；为二进制码数目；鸣是 对应于t x j 的能量分配因子，对于具有g 个用户的m i m o t r 系统，4 f 可以表示 如下 a q = p ，善p , ，其中玩= m x y 。( 明 ( 2 1 4 ) 最后，利用计算机对各个用户信息进行合成处理并最终得到包含所有用户信 息的发射信号s 如) ，公式如下 ggn 一1 墨( f ) = 嘞( ) = 4 ( 七弓。+ 互一f )( 2 1 5 ) l g - - - - lv = 1k = o 在t x i 将t ( f ) 发射出去，在脚所得到的接收信号由公式( 2 1 4 ) 表示，式中 兄蚵( f ) h v ( t ) 的自相关函数；砣( f ) 表示通信环境中的高斯白噪声；乞( f ) 表示t x f 传输到购得到的有用信息；而岛( ，) 表示的是( ，) 与其它不同信道之间的互相关 函数。 9 电子科技大学硕士学位论文 = s ，( ) ( f ) + ，2 ( f ) = e s i ，( f ) o ( ) + 聆( f ) 广gn 一1- 1 = le e l ，y i ，( k t i 。+ c o k t 。- t ) i ( ，) + 胛( f ) ( 2 - 1 6 ) ：l g n - 1 4 ，x ( 一f ) ( 一f ) 虹一( 是弓。+ 乏) l 。7 l f ( f ) + 嚣( f ) 现在定义 因此，可以表示如下 = 巨) 4 - q j ) 4 - n ( t ) ( 2 - 1 8 ) 从上述可知，在t = 七弓。+ 啄正时刻，岛( f ) 中的自相关项相干叠加，而q ( f ) 的 互相关项则非相干叠加，g ( f ) 的数值远小于岛( r ) 的数值。所以，在聃端所接收 的到的信号中，毛( f ) 为其中的主要能量成份。 由于t r 信号的时空聚焦特性，只要各个t x 进行信息同步发射，各个发射信 息都会同时刻在相同的r x 实现聚焦，从而增强接收信号的峰值能量。因此对于 r x j 而言，在m i m o t r 通信中的接收信号如下 mmg ：锄= ( f ) ( f ) + 嚣( z ) ( 2 1 9 ) i = 1i = 1v = l 对比s i m o t r 而言，利用m i m o t r 技术不仅能够实现多用户之间的通信， 而且可以将使多个s i m o t r 的能量向同一r x 所发射的信息在相同时刻实现聚焦， 从而进一步改善通信性能。 2 2u w b 无线电相关理论 2 2 1 跳时超宽带( t h u w b ) 信号的产生 发射u w b 信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技 1 0 乃 门叫 乃 灯 哆 列 七 - 卜 一 q 弓 0 力 一 “ 广l 距 旧 吼 哪 0 二 瓣 履n ) o v 每脚 心脚g州 毛 绣 第二章t r - u w b 多用户无线通信原理及关键技术 术称为瓜。信息数据符号对脉冲进行调制时最常用的调制方式为脉冲位置调制 ( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所需信号 的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声对数据符号进行编码。一般情况下，编码 后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是所谓的i i - i l r w b 。 对于结合了二进制p p m 的t h - u w b 的信号，其发射方案【5 】如图2 3 所示 野吗 心2 专如2 等2 砉足= 等= 考 ( b s ) ( b s ) ( s e e + i s ) r ：盟：三 五互 ( 脉冲s ) 图2 3p p m - t h - u w b 信号的发射方案 通过发射系统的输出信号j ( f ) 可表示如下 j ( f ) = p ( t - j t ，- e j t , - a ，s ) ( 2 - 2 0 ) ，= 一 式( 2 - 2 0 ) q b 巳乏定义了脉冲的随机性或者说是相对于z 整数倍时刻的抖动，c 为平 均脉冲重复周期，互为码片时间，a s e 表示g qp p m 调制引起的位移。磊被称为比 特间隔或比特持续时间，也即用于传输一个比特的时间，其表示如下 瓦= 以乃 ( 2 - 2 1 ) 2 2 2 脉冲形成器 在i m 僵通信系统中，对脉冲形成器的滤波器单位冲击响应的选择是至关重要 的，因为它会影响传输信号的功率谱密度( p s d ) 。高斯脉冲是一种非常典型并适 用于u w b 信号传输的脉冲，它具有很短的脉冲宽度以及很宽的带宽，该类脉冲函 数的时域形式为 即) = e x p ( 一掣) ( 2 - 2 2 ) 其中f 为常数，决定了高斯脉冲的宽度。脉冲峰值出现在f = t o 时刻。上式的傅里 叶变换为 1 1 电子科技大学硕士学位论文 w ) = 2 e x p ( 书砥一孚) ( 2 - 2 3 ) 通常可取f = 2 z 为高斯脉冲的宽度，这时频谱为最大值的4 3 ；在厂= 1 r 时 为最大值的4 5 6 ；大约在厂= 1 7 z 时为最大值的1 0 【2 6 1 。 但是，为了有效辐射，产生的脉冲应具有一个基本条件：无直流分量。在满 足该条件的前提下有多种脉冲波形可供选择。高斯脉冲的各阶函数表示的波形都 是满足上述条件的。实际中，最普遍采用的脉冲波形是高斯的二阶导函数。 通过改变脉冲波形来获得频谱形成是脉冲无线电的一个有趣的特性。频谱形 成主要可以采取三种不同的方法：改变脉冲宽度、对脉冲进行微分和对基函数的 组合。 2 2 3 功率限制和辐射模板 由于u w b 无线电信号所在的频带范围很宽，为了使其能够与其它通信系统共 存，必须限制最大允许功率，这个功率的值一般由辐射模板来确赳5 1 。它设定的功 率极限值是相对于有效辐射功率而言的，即某一个频率范围内的有效全向辐射功 率( e i p r ) ，它等于发射机的最大可用功率名( 即发射机能够提供给天线的最大 功率) 和发射天线增益g 。，的乘积 e i r p = 嘞g a r ( 2 2 4 ) 通常用d b m 来表示e i r p 的大小，即1 0 1 9 ( e 限只，。船l m w ) 。但一般来说，在 某一给定的频率处，辐射模板是以功率值( 典型单位是d b m ) 而不是以功率密度