MIMO-UWB的發(fā)射和接收方案綜述

摘要　介紹和討論多天線(xiàn)（MIMO）條件下，超寬帶（UWB）系統(tǒng)的多址方式、各種發(fā)送和接收方案，包括跳時(shí)M進(jìn)制脈沖位置調(diào)制（TH-MPPM），跳時(shí)二相移相鍵控（TH-BPSK），直接序列二相移相鍵控（DS-BPSK）等。最后，對(duì)超寬帶的另一種重要標(biāo)準(zhǔn)，多載波正交頻分復(fù)用超寬帶（MB-OFDM-UWB）的多天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)作了簡(jiǎn)單介紹。

1、引言

1.1　UWB技術(shù)

超寬帶（Ultra Wide Bandwidth）無(wú)線(xiàn)通信早期應(yīng)用主要是在雷達(dá)和軍事方面。但隨著研究的深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已逐步轉(zhuǎn)向在通信應(yīng)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(xiàn)的一種通信方式，通常也被稱(chēng)為脈沖通信技術(shù)。根據(jù)FCC的定義，信號(hào)的10dB帶寬不小于信號(hào)中心頻率的20%或者信號(hào)的10dB帶寬大于500MHz都是超寬帶信號(hào)。和傳統(tǒng)窄帶技術(shù)相比，超寬帶技術(shù)有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：高速的數(shù)據(jù)數(shù)率、豐富的多徑差異性、極低的功率消耗，而且多址的實(shí)現(xiàn)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(hào)范圍和已有的窄帶設(shè)備之間有重疊，F(xiàn)CC對(duì)超寬帶的發(fā)射功率作了限制規(guī)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(jié)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(tǒng)的容量和頻譜利用率，因而成為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及熱門(mén)研究課題。MIMO系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線(xiàn)，每個(gè)收發(fā)天線(xiàn)對(duì)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(duì)對(duì)應(yīng)收發(fā)天線(xiàn)之間的增益。對(duì)于信道矩陣參數(shù)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(shù)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(dú)立零均值高斯復(fù)數(shù)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)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)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(hào)帶寬的前提下帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的性能上幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善。

1.3　MIMO-UWB技術(shù)

將MIMO技術(shù)用于UWB系統(tǒng)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(tǒng)不同，UWB系統(tǒng)中多徑衰落的影響要小得多，因?yàn)閁WB非常窄的脈沖在多徑傳播時(shí)引起大量獨(dú)立的衰落信號(hào)分量能夠被分辨，從而能實(shí)現(xiàn)有效的多徑信號(hào)分集接收。MIMO-UWB系統(tǒng)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(hào)具有良好的自相關(guān)及互相關(guān)特性。

近年來(lái)，國(guó)外開(kāi)始進(jìn)行MIMO技術(shù)在超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，出現(xiàn)了一些研究結(jié)果[1-6]。本文對(duì)MIMO-UWB方向的國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果進(jìn)行綜述，包括MIMO-UWB系統(tǒng)的多址技術(shù)、發(fā)射鏈路技術(shù)和接收與檢測(cè)技術(shù)等。