CN102332937A - 一种基于时间反演技术的oppm-uwb通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间反演技术的OPPM-UWB通信方法，属于无线通信技术领域。技术方案包括：步骤1：接收端首先根据OPPM-UWB无线通信的传输速率确定相应脉冲宽度的调制脉冲x(t)并发送，然后发送端对接收信号y(t)进行时间反演操作，得到反演信号s(t)；步骤2：发送端将反演信号s(t)作为抑制多径干扰的调制脉冲对需要发送的信息进行OPPM调制并发送；步骤3：接收端接收OPPM调制信号，然后对接收的信号进行解调、解码，还原出发送的信息。本发明在OPPM调制中引入时间反演技术，利用时间反演信号的自适应聚焦特性，能够减小多径延迟造成的码间干扰，从而降低系统的误码率。本发明无需增加接收机的复杂度，也不需要进行复杂的信号处理，就可以实现多径信道的干扰抑制。

Description

一种基于时间反演技术的OPPM-UWB通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及时间反演(Time Reversal，TR)无线通信技术和重叠脉冲位置调制(Overlapping Pulse Position Modulation，OPPM)的超宽带(Ultra WideBand，UWB)通信方法。

背景技术

超宽带(UWB)通信中，重叠脉冲位置调制(OPPM)是对脉冲位置调制(PPM)的一种扩展，这种扩展是通过允许脉冲位置之间重叠而获得的，并没有缩短脉冲宽度或者说没有扩展系统带宽。OPPM调制相比于PPM调制而言可以获得更高系统容量和通信速率，但由于OPPM正交性的破坏，其解调错误概率有所提高；尤其是多径环境对于OPPM调制的影响更大，在室内密集多径信道中，信号受到频率选择性衰落，信号能量被扩展到几个甚至几十个符号周期以外，通信误码率会大幅提高。

文献‘Enhancement of RAKE receivers for ultra-wideband reception’(Communications，IETVolume：2，Issue：3 2008 p423-431)介绍了rake接收机在抑制多径干扰方面的应用和作用。Rake接收机通过对不同多径信道产生的多径成分进行合并，达到较好的分集接收效果，提高系统接收端的信噪比，从而提高系统的性能。但使用Rake接收机增加了接收机的复杂性，其复杂程度随判决前分析和合并的多径数目增加而增大。且一维和二维Rake接收机都对信道特性具有比较高的依赖性，不能有效地获取延迟到其他码元符号的多径能量，在复杂多径和重叠多径情况下，单独使用Rake接收机结构复杂且效果不佳。

文献‘Implementation of Channel Equalization of Indoor Positioning System Based on MB-OFDM’(Information，Computing  and Telecommunication，2009.YC-ICT′09.IEEE Youth Conference2009，p7-10)介绍了信道均衡技术在补偿和消除多径环境造成的码间干扰的作用。其中最大似然序列估计可以完全利用信号的多径分量，被认为是一种最佳检测器，但是其计算复杂度较高，很难应用于实际系统，而很多次优均衡器无法有效获得多径分集增益，不能积极地利用多径传输的信号能量来改善系统的性能。

文献‘Quantifying the Degradation of Combined MUI and Multipath Effects in Impulse-RadioUWB’(IEEE Transactions On Wireless Communications，Vol.6，No.8，August 2007)和文献‘Signal Design for Ultra-Wide-Band Communications in Dense Multipath’(IEEE Transactionson Vehicular Technology，Vol.51，No.6，November 2002)等也对多径环境对UWB通信的影响进行了分析并提出了一些解决方案。但现在提出的方法多是基于复杂的计算或者增加接收机的复杂度的基础上的，并不能利用简单的操作来抑制多径环境的影响。

时间反演(Time Reversal，TR)是近年来发展的一种新型无线通信技术，它具有独特时-空聚焦功能和天然的环境自适应性。TR可自动适应各种复杂的无线传输环境，不需要复杂的多径信号合并处理以及自适应算法，极大地简化接收机设计。更为重要的是，TR在抑制多径衰落的同时，能充分地利用多径能量来提高信噪比、压缩脉冲扩展、减小符号间干扰。

发明内容

本发明提供一种基于时间反演技术的OPPM-UWB无线通信方法，利用时间反演信号的自适应聚焦特性，实现了复杂多径环境下低误码率的超宽带无线通信。该方法能够有效减少多径环境对传输误码率的影响，与传统方法相比，具有不增加计算和接收机复杂度的优势。

本发明的技术方案为：

一种基于时间反演技术的OPPM-UWB无线通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：接收端首先根据OPPM-UWB无线通信的传输速率确定相应脉冲宽度的调制脉冲x(t)并发送出去，调制脉冲x(t)通过多径无线信道传输后，设发送端接收到的信号为y(t)，然后发送端对接收信号y(t)进行时间反演操作，得到反演信号s(t)＝y(T-t)，其中T为接收信号的长度。

步骤2：发送端将步骤1所得的反演信号s(t)作为抑制多径干扰的调制脉冲对需要发送的信息进行OPPM调制并发送。对于M进制的OPPM调制(M等于2、4、8或16)，不同编码对应的脉冲位置间隔设为Vt，选用的高斯脉冲的脉冲宽度为T_p，则码片时间可以表示为T_s＝Vt·(M-1)+T_p，其示意图在图2中给出。

步骤3：接收端接收发送端于步骤2所发送的OPPM调制信号，然后对接收的信号进行解调、解码，还原出发送的信息。

本发明的有益效果是：本发明在OPPM调制中引入时间反演技术，提出了一种基于时间反演技术的OPPM-UWB通信方法，该方法利用时间反演信号的自适应聚焦特性，可以在经过复杂多径信道传输后，将能量集中在需要的位置，从而减小能量向其他码片时间的扩展，减小多径延迟造成的码间干扰，从而降低系统的误码率。同传统的减小多径干扰的方法相比，该方法不需要增加接收机的复杂度，也不需要进行复杂的信号处理，只需要改变脉冲调制所使用的波形，就可以实现多径信道的干扰抑制。

附图说明

图1为本发明基本流程示意图。

图2为本发明所采用的M进制OPPM调制中不同编码对应脉冲位置的示意图。

图3为本发明具体实施方式选择的高斯调制脉冲波形图。

图4为本发明具体实施方式中发送端接收到的信号y(t)的波形图。

图5为时间反演通信中，发射端发送反演波形s(t)后接收端接收到的信号波形。

图6为本发明具体实施方式中，采用4进制OPPM调制中不同编码对应脉冲位置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种基于时间反演技术的OPPM-UWB无线通信方法，包括以下步骤：

步骤1：接收端首先根据OPPM-UWB无线通信的传输速率确定相应脉冲宽度的调制脉冲x(t)并发送出去，调制脉冲x(t)通过多径无线信道传输后，设发送端接收到的信号为y(t)，然后发送端对接收信号y(t)进行时间反演操作，得到反演信号s(t)＝y(T-t)，其中T为接收信号的长度。

步骤2：发送端将步骤1所得的反演信号s(t)作为抑制多径干扰的调制脉冲对需要发送的信息进行OPPM调制并发送。

步骤3：接收端接收发送端于步骤2所发送的OPPM调制信号，然后对接收的信号进行解调、解码，还原出发送的信息。

本实施例中将收发天线安置在密闭空间内，空间内通过随机布置杂物以模拟复杂多径环境。调制脉冲x(t)采用任意波形发生器AWG7122B模拟产生，其DA采样率可以达到24GHz；接收信号y(t)采用串行数字信号分析仪DSA72004B采集，其AD采样率最高可达100GHz。调制脉冲x(t)采用高斯脉冲，如图3所示，脉冲宽度为T_p＝lns，中心频率3.9GHz。进行步骤1操作时，发送端接收到的信号y(t)如图4所示。从图4可以看出，无线信道中有着丰富的多径，信号宽度出现了很大的扩展。将信号y(t)进行时间反演操作，得到反演信号s(t)，反演信号s(t)从发射端重新发送，接收端接收到的信号在图5中给出。从图5给出的接收信号中可以观察到明显的聚焦现象。该现象充分证明了时间反演信号所具有的自适应的时间、空间同步聚焦特性。

实施例中我们以4进制OPPM的调制方式为例进行详细说明。脉冲位置调制不同编码间的脉冲移位为Vt＝T_p/3，码片时间T_s选为初始选定的调制高斯脉冲宽度的两倍，即T_s＝2T_p。故在码片时间内共有四种不同的脉冲位置状态，可以分别用来表示00，01，10，11四种二进制信息。4进制OPPM的不同的脉冲位置示意图如图6所示。

实验中我们选择发送600个0到255之间数据，每个数据可以由8位二进制码表示。按照OPPM调制方法对待发送的数据进行编码调制，调制过程中使用发明内容中所提到的接收到信号的反演信号s(t)作为调制使用的脉冲波形，最终的调制信号可以表示为

$\mathrm{ppm}1\left(t\right)=\underset{j=0}{\overset{2399}{\mathrm{\Σ}}}s(t-j{T}_s-{\mathrm{\ϵ}}_j)$

式中ε_j为OPPM编码引入的时移，取值分别为0，T_p/3，2T_p/3，T_p可以分别表示00，01，10，11四种二进制信息。在实验过程中，我们同时采用初始选定的调制高斯脉冲x(t)作为调制使用的脉冲波形进行OPPM编码调制，作为对比实验。所得到的最终调制信号可以表示为

$\mathrm{ppm}2\left(t\right)=\underset{j=0}{\overset{2399}{\mathrm{\Σ}}}x(t-j{T}_s-{\mathrm{\ϵ}}_j)$

进行发明内容中所述步骤3的操作，分别对两组信号进行发送接收和解调，分别计算得到两种方式的误码率。所示结果在表1中给出。

表1

	TR-OPPM-UWB	传统OPPM-UWB
			平均误码率	0.015417	0.426875

通过对结果的分析比较可以发现，不使用时间反演技术的OPPM-UWB通信方法的误码率极高，完全不能适用于复杂多径下的通信。而采用时间反演技术的OPPM-UWB通信方法的误码率降低很多。实验中码元的传输速率到达了1Gbps，进一步的实验表明，降低传输速率，还会使得误码率进一步的下降，可以降低到10^-2以下。而采用正交PPM调制，在码片时间相同的情况下，将会得到更低的误码率。

需要指出的是，在实验过程中我们未采用任何形式的纠错码。根据相关的通信理论，未采用信道编码时误码率达到10^-2以下，则通过RS编码等信道编码后，通信误码率可以降至10^-6以下，能够满足实际通信的要求。

实施例证明了采用时间反演技术能够大幅降低OPPM-UWB通信在复杂多径环境下的误码率，使得其能够满足实际通信的需求。证明了本发明所述方法的正确性和实用性。

Claims (2)

1.一种基于时间反演技术的OPPM-UWB无线通信方法，包括以下步骤：

步骤1：接收端首先根据OPPM-UWB无线通信的传输速率确定相应脉冲宽度的调制脉冲x(t)并发送出去，调制脉冲x(t)通过多径无线信道传输后，设发送端接收到的信号为y(t)，然后发送端对接收信号y(t)进行时间反演操作，得到反演信号s(t)＝y(T-t)，其中T为接收信号的长度；

步骤2：发送端将步骤1所得的反演信号s(t)作为抑制多径干扰的调制脉冲对需要发送的信息进行OPPM调制并发送；

步骤3：接收端接收发送端于步骤2所发送的OPPM调制信号，然后对接收的信号进行解调、解码，还原出发送的信息。

2.根据权利要求1所述的基于时间反演技术的OPPM-UWB无线通信方法，其特征在于，所述OPPM调制为M进制的OPPM调制，其中M等于2、4、8或16。

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