MIMO-UWB的發(fā)射和接收方案綜述

　　1、引言

　　1.1　UWB技術(shù)

　　超寬帶(Ultra Wide Bandwidth)無(wú)線(xiàn)通信早期應用主要是在雷達和軍事方面。但隨著(zhù)研究的深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已逐步轉向在通信應用方面的研究。超寬帶技術(shù)是由一系列周期非常短、頻率非常高的脈沖波實(shí)現的一種通信方式，通常也被稱(chēng)為脈沖通信技術(shù)。根據FCC的定義，信號的10dB帶寬不小于信號中心頻率的20%或者信號的10dB帶寬大于500MHz都是超寬帶信號。和傳統窄帶技術(shù)相比，超寬帶技術(shù)有如下幾個(gè)優(yōu)勢：高速的數據數率、豐富的多徑差異性、極低的功率消耗，而且多址的實(shí)現也較簡(jiǎn)單。這些特性使得超寬帶技術(shù)成為一種短距離無(wú)線(xiàn)通信的可行技術(shù)。由于超寬帶的信號范圍和已有的窄帶設備之間有重疊，FCC對超寬帶的發(fā)射功率作了限制規定。為了能在限定的發(fā)射功率下獲得期望的性能，人們進(jìn)行了大量的研究，提出了許多方案，其中一種利用MIMO技術(shù)和UWB結合。

　　1.2　MIMO技術(shù)

　　多天線(xiàn)(MIMO)技術(shù)能在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高通信系統的容量和頻譜利用率，因而成為新一代移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)及熱門(mén)研究課題。MIMO系統在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)，利用無(wú)線(xiàn)信道的多徑特征來(lái)抑制信道衰落。MIMO將多徑無(wú)線(xiàn)信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現高的通信容量和頻譜利用率，同時(shí)可提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO系統在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線(xiàn)，每個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對之間形成一個(gè)MIMO子信道，假定發(fā)射端有M個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，接收端有N個(gè)接收天線(xiàn)，則在收發(fā)之間就形成了N×M的信道矩陣H，在某一時(shí)刻t，信道矩陣H為：

　　其中H陣中的元素為任意一對對應收發(fā)天線(xiàn)之間的增益。對于信道矩陣參數確定MIMO信道，假定發(fā)送端不知道信道信息，總的發(fā)送功率為P，與發(fā)送天線(xiàn)的數量M無(wú)關(guān);接收端的噪聲用N×1矩陣n表示，它的元素是靜態(tài)獨立零均值高斯復數變量，各個(gè)接收天線(xiàn)的噪聲功率均為σ2;發(fā)送功率平均分配到每一個(gè)發(fā)送天線(xiàn)上，則容量公式為：

　　固定N，令M增大，使得，則容量公式近似可以表示為：

　　從上式可見(jiàn)，此時(shí)的信道容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增大而線(xiàn)性增大。因此可利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術(shù)成功之處在于它能夠在不額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的性能上幾個(gè)數量級的改善。

　　1.3　MIMO-UWB技術(shù)

　　將MIMO技術(shù)用于UWB系統具有很高的鏈路可靠性和速率適配能力，與窄帶無(wú)線(xiàn)通信系統不同，UWB系統中多徑衰落的影響要小得多，因為UWB 非常窄的脈沖在多徑傳播時(shí)引起大量獨立的衰落信號分量能夠被分辨，從而能實(shí)現有效的多徑信號分集接收。MIMO-UWB系統能夠在時(shí)域上很好地解決有害的碼間干擾和信道間干擾問(wèn)題，原因在于接收信號具有良好的自相關(guān)及互相關(guān)特性。

　　近年來(lái)，國外開(kāi)始進(jìn)行MIMO技術(shù)在超寬帶系統中的應用研究，出現了一些研究結果[1-6]。本文對MIMO-UWB方向的國內外研究結果進(jìn)行綜述，包括MIMO-UWB系統的多址技術(shù)、發(fā)射鏈路技術(shù)和接收與檢測技術(shù)等。

　　2、UWB-MIMO發(fā)送方案

　　在多用戶(hù)環(huán)境下，假設MIMO-UWB系統有Nu個(gè)用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)都有Nt個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，同時(shí)有Nr個(gè)接收天線(xiàn)。將每個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信息劃分成b比特一組，以一個(gè)符號來(lái)發(fā)送，這樣就需要M=2b個(gè)符號。進(jìn)一步再將符號劃分成Nb個(gè)一組，每組符號編碼成一個(gè)空時(shí)碼，并且在K個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長(cháng)度中通過(guò)Nt個(gè)天線(xiàn)將這個(gè)空時(shí)碼發(fā)送出去。顯然，這種編碼的效率為：R=Nb/K。每個(gè)空時(shí)碼矩陣都是一個(gè)K×Nt的矩陣，記做Du，該矩陣的第K行，第i列元素diu(k)是第u個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)時(shí)隙通過(guò)第i根天線(xiàn)發(fā)送出去的一個(gè)M進(jìn)制碼元。也就是說(shuō)空時(shí)碼矩陣的每行都對應著(zhù)發(fā)射時(shí)隙，每列對應著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)。發(fā)射機將空時(shí)碼矩陣中的每個(gè)元素diu(k)轉換成UWB信號，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。形成什么樣的UWB信號需要綜合考慮選用的多址方式和調制方式。下面進(jìn)行分別討論。

　　2.1　TH-MPPM

　　UWB信號是由周期為納秒級的窄脈沖形成的。傳統的UWB調制方式采用TH-MPPM方式。在該種方式下，數據符號通過(guò)脈沖的不同時(shí)延來(lái)表達，第u個(gè)用戶(hù)通過(guò)第i個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去的波形為[2]：

　　式中(t)是持續時(shí)間為T(mén)w的脈沖波，Tf是符號的重復周期，且。脈沖波規一化為單位能量，保證第u個(gè)用戶(hù)在每個(gè)幀間隔期間總的傳輸能量為Eu，和天線(xiàn)數量無(wú)關(guān)。每一幀包含Nc個(gè)子區間，并且NcTc≤Tf。第u個(gè)用戶(hù)的TH序列記作{Cu(k)}，該序列滿(mǎn)足0≤Cu(k)≤Nc-1。它對第k個(gè)信號波形加入一個(gè)和用戶(hù)有關(guān)的跳時(shí)Cu(k)T，這樣在接收端只要根據各個(gè)用戶(hù)的TH碼進(jìn)行檢測，就能得到各自需要的發(fā)送信息。TH-MPPM通過(guò)這樣的設計來(lái)實(shí)現多用戶(hù)接入。第k幀中，第u個(gè)用戶(hù)的第i個(gè)天線(xiàn)上發(fā)送的符號記作：diu(k)，其對應的時(shí)間搬移為。為了使M個(gè)可能的脈沖在接收端能夠正交，我們要使Tm-Tm-1≥Tw，同樣，為了脈沖在接收端能夠正交，跳時(shí)碼也需要滿(mǎn)足Tc≥MTw。在文獻[3，5]中提到一種更巧妙的方法，(1)式也可以表示成：

　　在(2)式中，UWB信號被分解成M種信號波形，每種對應各自的時(shí)延Tm。假設在第kx個(gè)時(shí)隙發(fā)送的符號是mx{0，1…，M-1}，即如圖1所示。

　　圖1　TH-2PPM已調信號波形

　　2.2　TH-BPSK

　　不同于TH-MPPM方式，TH-BPSK方式的數據信息通過(guò)波形的極性來(lái)表示，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射的UWB TH-BPSK信號[1]為：

　　式中的diu(k)表示傳送的雙極性符號，diu(k){-1，1}。同TH-MPPM類(lèi)似，脈沖包含一個(gè)和用戶(hù)相關(guān)的跳時(shí)碼序列{Cu(k)}，0≤Cu(k)≤Nc-1。其中Tc≥Tw，NcTc≤Tf，具有規一化能量，這樣第u個(gè)用戶(hù)每幀的總發(fā)射能量為Eu，如圖2所

　　示。

　　圖2　TH-BPSK已調信號波形

　　2.3　DS-BPSK

　　DS-BPSK調制情況下，通過(guò)一個(gè)脈沖波的擴頻序列{對在第i個(gè)天線(xiàn)第k個(gè)時(shí)隙傳輸的二進(jìn)制符號diu(k){-1，1}進(jìn)行擴頻。式中且Cu(l){-1，1)，所以通過(guò)天線(xiàn)傳送的UWB信號以表示為：

　　式中的Tf=NcTc，為了保證一個(gè)序列中的脈沖能夠相互正交，需要同時(shí)滿(mǎn)足Tc≥Tw。因為一個(gè)比特符號需要用Nc個(gè)脈沖表示，需要乘上一個(gè)因子保證Nc個(gè)脈沖波為單位能量。這樣第u個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)時(shí)隙里面發(fā)送的信號能量為Eu，如圖3所示。

　　圖3　DS-BPSK已調信號波形

　　3、UWB-MIMO接收方案

　　為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，假設信道在一個(gè)K時(shí)隙內的碼塊內滿(mǎn)足相互獨立且平坦衰落。第u個(gè)用戶(hù)從第i個(gè)發(fā)射天線(xiàn)到接收端第j個(gè)接收天線(xiàn)的信道衰落系數記為。假設服從Nakagami-衰落，并且平均能量為Ωu。同樣假設接收端知道但發(fā)送端不知道信道狀態(tài)信息(CSI)。據文獻[4]，經(jīng)接收天線(xiàn)的輸出脈沖(t)轉變?yōu)樗囊浑A微分，記為w(t)。按照同樣的方法定義之間的關(guān)系。這樣，第j個(gè)接收天線(xiàn)上的接收信號可以表示為：

　　這里的nj(t)是零均值，雙邊功率譜密度N0/2的高斯白噪聲，τu是第u個(gè)用戶(hù)信號的傳輸時(shí)延。不妨設第一個(gè)用戶(hù)的信號是我們需要的信號，(5)式可被重新表達為：

　　式中，，是從其他用戶(hù)處接收到的干擾。假設接收機準確同步，且事先知道跳時(shí)(TH)或者擴頻序列。舉例來(lái)說(shuō)，當需要接收一個(gè)用戶(hù)信號的時(shí)候，接收端解調前就有τo和{co(k)}序列信息并且知道接收脈沖波形為w(t)。接收器由一組相關(guān)器組成，這組相關(guān)器采用一系列w(t)的延時(shí)脈沖，與接收脈沖進(jìn)行相關(guān)處理。

　　3.1　TH-MPPM

　　為了檢測傳輸的M進(jìn)制碼元，相關(guān)器將第j個(gè)天線(xiàn)上收到的信號與接收器端的做相關(guān)運算。所以相關(guān)器第輸出m’個(gè)輸出量為：

　　式中的分別指相關(guān)器輸出的有用信號、多用戶(hù)干擾信號和噪聲信號。根據(2)式，

　　將所有Nr個(gè)天線(xiàn)的相關(guān)器輸出合并寫(xiě)成矩陣形式，得到：

　　這里的SD是和空時(shí)編碼方式相關(guān)的MK×Nt矩陣。式中：

　　(11)式中SD(k)是個(gè)Nt維行向量

　　信道狀態(tài)信息矩陣Ho是一個(gè)Nt×Nr的矩陣，它的第i行第j列元素是hijo。相關(guān)器輸出是一個(gè)Mk×Nr的矩陣Y=[YT(0)YT(1)…YT(K-1)]T，每個(gè)YT(K)是一個(gè)M×Nr矩陣，其中的第i行第j列元素為yjm(k)。Ntot矩陣和Y結構類(lèi)似，不再贅述。采用最大似然檢測，則與輸出碼字歐氏距離最小的碼字為：

　　這里的表示F范數。

　　3.2　TH/BPSK

　　BPSK系統中，每個(gè)天線(xiàn)上接收的信號與模板作相關(guān)運算，當采用TH-BPSK調制

　　信號經(jīng)相關(guān)器輸出：

　　和TH-MPPM方式類(lèi)似，分別是需要的用戶(hù)信號，其他用戶(hù)的干擾，和噪聲，用(3)，(4)式取代(13)，可表示成如下的形式：

　　這樣，所有Nr組相關(guān)器輸出的信號可以表示成如下形式：

　　式中Do在前面定義過(guò)，是需要的用戶(hù)空時(shí)碼，Y和Ntot是K×Nr矩陣，它們的第k行第j列元素分別是，類(lèi)似前面TH-MPPM方式，得到最大似然解碼器輸出

　　4、結論和展望

　　本文綜述介紹了MIMO-UWB系統的多址方式、調制方案和接收與檢測方案。利用MIMO技術(shù)可以極大地提高超寬帶系統的容量和頻譜效率。

　　當前UWB調制方案主要分為3種：TH-UWB、DS-UWB和MB-OFDM-UWB。雖然從理論和分析來(lái)看，TH-UWB是一種合適的方案，但是這種技術(shù)很少在現實(shí)系統中使用，目前的研究和運用表明DS-UWB是一種有潛力的單載波調制方案，關(guān)于這兩種單載波方案的MIMO實(shí)現，上文已經(jīng)詳細說(shuō)明。MB-OFDM-UWB方案采用MB-OFDM技術(shù)把UWB的頻譜分成多個(gè)子帶，然后利用多載波進(jìn)行信號的傳輸。在這種方案中，融入OFDM、擴頻與交織、跳頻等多種機制，保證了在多徑衰落信道上可靠實(shí)現高速數據的傳輸，這種系統方案具有以下優(yōu)勢：

　　(1)系統的頻譜利用效率較高;

　　(2)減少對其他窄帶無(wú)限系統的干擾，這是多帶技術(shù)的主要優(yōu)勢，它使得UWB系統能夠與其它無(wú)線(xiàn)電系統和平共處;

　　(3)靈活的數據傳輸速率，可擴展性強?？梢愿鶕煌念l段要求進(jìn)行整合，特別適合上、下行鏈路數據傳輸非對稱(chēng)業(yè)務(wù);

　　(4)OFDM技術(shù)相對成熟，已經(jīng)在許多通信領(lǐng)域得到了廣泛應用[7]。

　　MIMO-OFDM-UWB的實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)之一是MIMO-OFDM系統的編碼技術(shù)。目前對其編碼的研究大都在空間和時(shí)間，或者空間和頻率這兩維方向上進(jìn)行，即ST編碼和SF編碼。這兩種編碼技術(shù)一般只能獲得兩維方向上的增益。為了更加充分的利用空間、時(shí)間和頻率三維方向上的增益，文獻[8， 9]提出了空時(shí)頻編碼技術(shù)(STFC)，從空間、時(shí)間、頻率三維方向上同時(shí)進(jìn)行編碼。該技術(shù)和MB-OFDM-UWB方案的結合將是未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。