基于Alamouti 码的MIMO-UWB 系统发射接收模型概述
2013-07-03程静静缪婉仪王加敏
孙 杰，颜 彪，程静静，徐 珍，缪婉仪，王加敏
(扬州大学信息工程学院，江苏 扬州 225127)
0 引言
超宽带(UWB)作为一种新的无线通信技术，具有低功耗、超高速、抗干扰性强等优点，成为无线个域网中研究的热点技术之一。目前，超宽带系统主要的研究包括调制技术、接收与同步技术、抗干扰技术、多址与天线技术等。
UWB 与传统的无线通信技术不同，主要是采用频谱重叠技术来提高频谱利用率和传输速率。根据其频谱扩展方式不同，可分为脉冲无线电超宽带(IR－UWB)系统和多频带超宽带(MB－UWB)系统。对于IR－UWB 系统，根据扩频序列的不同，又可分为跳时超宽带(TH－UWB)和直接序列超宽带(DS－UWB)。
由于UWB 信号与其他无线电信号同时存在，FCC 对其发射功率进行了限制。为获得更好的性能，经过专业人员的的大量研究，提出了一种MIMO 与UWB 相结合的方案。本文着重对UWB 系统的发射和接收技术、抗干扰技术等进行分析。
1 MIMO－UWB 系统模型
1.1 IR－UWB
1.1.1 TH－UWB
在跳时频超宽带系统中，根据其发送数据调制方式的不同，又可分为脉冲位置调制(PPM)、脉冲形状调制(PSM)、脉冲幅度调制(PAM)等或是几种的组合调制。下面作一具体介绍。
(1)PPM－TH
由文献［1］得PPM－TH－UWB 发射信号的表达式为:
图1 PPM－TH－UWB 信号波形
由图1 可以看出，发射信号的脉冲都在其时隙内产生了偏移，所以二进制序列为［11］，每一帧有三个时隙，比特重复次数为5，则TH 码=［2022 1］。
在接收端，接收信号的表达式为:
(2)式中，Nu是总的用户数，τ为PPM 时延，n(t)为高斯白噪声，ERX为接收脉冲能量。
(2)PAM－TH
由文献［2］得PAM－TH－UWB 发射信号的表达式为:
图2 PAM－TH－UWB 信号波形
在接收端，接收信号的表达式为:
其中，X为标准正态分布的幅度增益，L为簇数目，N为第1 簇中多径的数目，τn，l为第1 簇第n 条路径的时延。
(3)PSM－TH
由文献［3］得PSM－TH－UWB 发射信号的表达式为:
1.1.2 DS－UWB
由文献［4］得DS－UWB 信号表达式:
(6)式中，bk(i)∈{±1}为第k个用户的二进制符号，sk(j)为扩频码的sk第j个元素，pt(t)为宽度是Tc的脉冲波。图3所示为DS－UWB 信号。
图3 DS－UWB 信号波形
与TH－UWB 信号相比，DS－UWB 信号在每个脉冲持续时间(Ts)内，不随时间的变化而改变位置。从图3 可以看出，第二组脉冲与第一组脉冲极性相同，则传输的二进制序列为［11］，DS 序列为［1－111－1－1－11－11］。
1.2 MB－UWB
与IR－UWB 不同，MB－UWB是FCC 将3.1 ～10.6GHz范围内的带宽分割成14个带宽为528MHz的子频带，并分为5个频段组，前4个频段组分别由3个子频带组成，第5个频段组由2个子频带组成。每个频带内的数据调制类型不一定使用IR方式，通常采用正交频分复用调制。
MB－OFDM UWB 信号的表达式为:
其中，T是OFDM 符号的持续时间，ret(t/T)是持续时间为T的矩形窗，cm是发送序列。
文献［5］提出了MB－UWB 与其他窄带兼容共存的问题，由于UWB 系统占用很宽的频带，势必会和其他无线通信频段重叠。因为FCC 对UWB的发射功率做了限制，理论上可以和其他系统共存，但实际应用中还需要进一步论证。
2 MIMO－UWB
假设系统有Mt根发射天线，Mr根接收天线，Ns个数据流通过N个OFDM 副载波调制。则第i 根天线上发射的OFDM 信号可以表示为:
在接收端，假设系统同步，第j 根接收天线接收到的信号可以表示为:
3 Alamouti 码
将上式带入式(9)中化简，得:
其中，hj为第j 根接收天线的信道矢量即H的第j 列。
由文献［6］得:
由ML 译码准则可得:
4 结束语
本文简要介绍了SISO－UWB和MIMO－UWB 系统的多址方式、调制方案和接收译码准则。UWB的调制方案主要分为TH－UWB、DS－UWB和MB－OFDM UWB 三种，因OFDM 技术成熟，MB－OFDM UWB 更具有发展潜力。
与SISO 相比，MIMO 技术提高了系统的性能，但也增加了系统的发射与接收难度。在多用户条件下，MIMO 可以抑制干扰信号，提高UWB 系统的误码率性能。多个接收天线分集还可以有效地克服多径衰落，随着天线数目的增加，系统误码率性能进一步提高。
MIMO－OFDM 技术已在通信领域获得广泛研究，如何将MIMO－OFDM 技术与UWB 相结合是未来的重点研究方向，也将对无线通信技术的发展起到促进作用。
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