CN113904705B - 一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法，包括：RASK调制激活一根目标接收天线，将发射天线阵列形成空间波束；发射端对信号进行时间反演处理，归一化后聚焦发射信号到达目标接收天线；接收端采用最大接收功率检测算法正确地检测出天线索引，估计出比特序列。本发明的方法可以充分利用时间反演和RASK调制的特点，不仅有效地降低多天线干扰和多径干扰，同时能降低接收端的检测复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法。
背景技术
超宽带(ultra wide band，UWB)技术自21世纪初期民用以来得到了快速发展，利用极窄的脉冲传输信息，使其具有多径分辨力强、功耗低、成本低等优势，因此逐渐成为最具潜力的新型短距离无载波通信技术之一。随着对数据传输速率和吞吐量需求的持续增长，多输入多输出UWB(multiple input multiple output UWB，MIMO-UWB)通信系统得到了广泛关注。MIMO-UWB系统具有许多优势的同时也有一些不足，其中重要的方面是多天线存在的信道间干扰(inter-channel interference，ICI)等问题以及多径效应引起的符号间干扰(inter-symbol interference，ISI)。
近年来研究发现，采用空间调制(Spatial Modulation，SM)方式在发射端激活一根发射天线，利用空域中天线索引来传输比特信息，能够消除MIMO系统中的多天线中的信道间ICI问题，例如PENG等人提出了一种基于SM的MIMO-UWB方案，通过采用最大比合并检测恢复信号实现了低检测复杂度，但UWB的多径效应引起的ISI造成误比特率(bit errorrate，BER)较高。HU等人提出了一种基于混沌空间调制的UWB方案，克服多天线问题的同时提高了系统的信道容量，但多径效应会使得系统性能下降。BAI等人提出了一种基于正交互补码的SM-UWB方案，采用正交互补码扩展频谱从而提高利用率在一定程度上缓解了多径效应，但是接收端复杂度较高。总而言之，这些现有技术都能在一定程度上解决多天线存在的信道间干扰问题；但是对于多径效应却并没有得到有效地解决。
对于多径效应引起的符号间干扰，一般是采用时间反演(time reversal，TR)技术来减少多径效应引起的ISI，TR技术可以将经过多径传输后的信号在空域和时域上实现能量聚焦，具有空时聚焦特性，利用空时聚焦特性就可以减少多径效应引起的ISI，同时，TR还可以收集UWB通信系统中分散的多径分量实现能量聚焦，还能够降低接收端的复杂度，最终能够有效提高系统的抗干扰性。
然而在接收天线移位键控(receive antenna shift keying，RASK)调制方式中，不仅可以较好地解决通信系统中多天线干扰问题，而且由于在接收端选择一根天线作为目标天线对信号进行接收，可以简化接收机结构对本来接收端比较复杂的通信系统例如超宽带系统十分有用；但是由于RASK调制将发射天线阵列形成空间波束形成一种聚焦效果，需要一种能有效形成聚焦效果的技术进一步提高聚焦性，同时考虑到超宽带系统本身存在严重的多径干扰，而目前传统UWB系统中只单方面考虑了如何处理多天线干扰和多径干扰，然而在复杂多变的实际环境中具有一定的局限性，无法适应实际环境。
发明内容
为了能够提高多输入多输出超宽带系统的抗干扰性能，本发明提出了一种基于时间反演接收天线移位键控的MIMO-UWB(time reversal receive antenna shift keyingUWB，TR-RASK-UWB)方法，接收端利用RASK调制将发射天线阵列形成空间波束的同时，在发射端对发射信号采用时间反演将信道冲激响应序列取反得到信道冲激响应的反序列，从而产生聚焦特性。
本发明提出的一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法，包括以下步骤：
S1、接收端利用接收天线移位键控调制在接收端激活一根天线作为目标接收天线，发射端所有天线则都对准目标接收天线，构成多输入单输出系统模型；
S2、接收端向发射端发送探测信号，发射端接收到信号后估计信道脉冲响应，计算出经过超宽带信道后的信道状态；
S3、发射端根据计算出的经过超宽带信道后的信道状态，对发射信号进行时间反演处理，并将时间反演处理后的信号进行归一化聚焦发射到选中的一根目标接收天线；
S4、所有接收天线接收到归一化后的接收信号，接收端采用最大接收功率检测算法利用接收信号的最大功率估计出目标接收天线索引，并估计出比特序列。
本发明的有益效果：
1.本发明能充分结合RASK调制和TR技术的特点尽可能地降低了接收端复杂度，使得系统结构得到了简化。
2.本发明能有效利用超宽带系统的多径，减小了由于丰富的多径效应对接收信号的干扰。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明基于时间反演接收天线移位键控方案的流程图；
图2为本发明基于时间反演接收天线移位键控方案的发射端框图；
图3为本发明基于时间反演接收天线移位键控方案的接收端框图；
图4为本发明与现有技术的信干噪比比较图；
图5为本发明系统在不同多径下的误比特率比较图；
图6为本发明系统在不同发射天线的误比特率比较图；
图7为本发明系统在不同接收天线的误比特率比较图；
图8为本发明与现有技术的误比特率比较图；
图9为本发明不同发射天线下的仿真和理论误比特率性能比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法，包括但不限于如下步骤：
S1、接收端利用接收天线移位键控调制在接收端激活一根天线作为目标接收天线，发射端所有天线则都对准目标接收天线，构成多输入单输出系统模型；
S2、接收端向发射端发送探测信号，发射端接收到信号后估计信道脉冲响应，计算出经过超宽带信道后的信道状态；
S3、发射端根据计算出的经过超宽带信道后的信道状态，对发射信号进行时间反演处理，并将时间反演处理后的信号进行归一化聚焦发射到选中的一根目标接收天线；
S4、所有接收天线接收到归一化后的接收信号，接收端采用最大接收功率检测算法利用接收信号的最大功率估计出目标接收天线索引，并估计出比特序列。
为使本发明的方法更加清楚、完整，接下来对本发明方法中的各个步骤进行详细描述。
时间反演信道探测阶段，接收端向发射端发送探测信号，估计信道脉冲响应(channel impulse response,CIR)，计算探测信号经过超宽带信道后的输出值。在单输入单输出(Simple Input Simple Output,SISO)系统的情况下，经过超宽带信道后的输出为：
y(t)＝x(t)*h*(-t)*h(t)
其中，x(t)表示RASK映射出的信号矢量，y(t)表示接收端接收的信号。
按传统通信系统的形式，除发送信号外统一成一个等效信道分量，其表达如下：
将heq(t)分成自相关R(t)和互相关Q(t)两部分，即heq(t)＝R(t)+Q(t)。
通过以上分析可知：R(t)是各个不同传播路径的自相关函数，并且在t＝0的时候的取值达到最大，与各多径分量的延迟无关。由于每个传播路径的自相关函数都在t＝0时刻达到最大值，各个传播路径冲激响应的相干叠加将增强heq(t)的能量。R(t)的大小和多径数目相关，多径数目越多，自相关函数越大。Q(t)是各个不同传播路径的互相关函数，非相干多径信号卷积叠加后的结果是相互抵消的。因此在丰富的多径环境下，经过空间传播，接收端接收到的信号在空间和时间上聚焦，主瓣会比旁瓣大很多，TR技术的聚焦特性将会很明显，这就达到了简化接收机结构的目的。
图2为基于时间反演接收天线移位键控方案的发射端框图。本发射端框图包括如下：通过RASK调制后将输入的二进制比特流划分为若干组并生成映射信号；其次，通过天线选择模块选出一根目标接收天线，经过TR技术的空时聚焦特性收集多径分量，减少多径效应的干扰，生成发射信号；最后，经过UWB多径信道后到达接收端得到接收信号。
其中参数j∈{1,...,Nr}确定天线索引位置，具体表示为：
所以，RASK映射出的信号矢量xj∈CNr×1可以表示为：
经TR处理后产生发射信号s(t)∈C1×Nt，所以接收信号可以表示为：
yj(t)＝H*s(t)+nj(t)
其中，H为Nt×Nr阶信道脉冲矩阵；nj(t)为加性高斯白噪声。
图3所示为本发明基于时间反演接收天线移位键控方案的接收端框图。该系统有Nt根发射天线和Nr根用户接收天线，则第m根发射天线到第j根目标接收天线的信道冲激响应为hmj，信号经过UWB多径信道后到达接收端。信道矩阵可以表示为Nt×Nr阶矩阵：
其中，第m根发射天线到第j根目标接收天线的信道脉冲响应可以表示为：
其中，Xmj表示信道的幅度增益；表示第m根发射天线到第j根目标接收天线的第l个簇中第k条多径的幅度衰落系数；Tl表示第l个簇的到达时间延迟；τk,l表示第l个簇中第k条多径相对该簇第一条径到达时间的时延；L表示可以接收到的簇的最大数目；K表示第l个簇的最大多径数目；δ(·)为狄拉克函数。
当发射端向接收端发送长度为U的符号序列，上式可以进一步得到目标接收天线处的信号矩阵表示为：
上式可以进一步展开为期望信号、符号间干扰和噪声三部分的和。具体展开形式表示为：
由于该方案消除了用户间干扰(inter-user interference，IUI)，因此信干噪比为期望信号与系统符号间干扰和噪声之和的比值，表示为：
由上式分析可知，该方案没有了IUI并且时间反演能很好地降低多径效应产生的ISI，因此SINR表达式分母相比于传统UWB系统小很多造成该比值变大，系统性能会得到提升。
该方法在接收端采用非相关检测方案，利用接收信号的功率检测天线，接收到的功率最大就是目标天线，可以表示为：
或者表示为：
利用RASK调制的平均BER作进一步推导，表达式为：
其中，d(Xk,Xj)为两个空间符号Xk和Xj之间的汉明距离；Pu(Xk→Xj,j≠k)为误符号率(symbol error rate，SER)；E[·]表示期望值。
上式可以进一步表示为：
从上式可以发现，BER取决于SER，为了便于推导，将上面的分量定义如下：
于是可以得到：
最终可以得到BER表达式为：
在本发明的实施例中，采用MATLAB对本发明所提出的方案进行蒙特卡罗仿真验证。利用下式的高斯函数的二阶导数作为UWB脉冲发射信号：
系统仿真主要参数如表2所示。
表2仿真参数
图4为UWB和本发明的TR-RASK-UWB系统在不同发射天线数的信干噪比变化曲线图。将接收天线设置为4根，多径数设置为8，整体来看4条曲线的SINR都随着信噪比(signal-to-noise rate，SNR)的增加而增加，并且最终都趋于平稳状态。发射天线数从2根增加到4根时，发射分集增益得到提升，该方案和传统UWB系统下的信干噪比都会有所提升。分析可知，当收发天线数相同时，对比相同SNR下，本发明所提系统的信干噪比相比于传统UWB系统会有显著提升。
图5为TR-RASK-UWB系统在不同多径下的BER变化曲线图。发射天线设置为4根，接收天线也设置为4根，整体来看4条曲线的BER都随着SNR的增加而逐渐减小。当该方案的BER为10-5时,多径数为12比为8可以获得2.2dB的增益。相同SNR情况下，随着多径数量的增加系统的性能更好。分析可知，随着多径数量增加时间反演能充分利用多径环境聚焦信号能量，多径数越多聚焦效高越好，该方案下的BER性能会有较好提升。
图6为TR-RASK-UWB系统在不同发射天线下的BER变化曲线图。接收天线设置为4根，多径数设置为8，整体来看4条曲线的BER都随着SNR的增加而逐渐减小。在信噪比为12dB时，发射天线从2根增加到5根，所提方案的BER从10-2降低大约10-5。当该方案的BER为10-3时，发射天线为5根比为4根可以获得2.5dB的增益。分析可知，随着发射天线的增加，发射分集增益增加，该方案下的BER性能会有较好提升。
图7为TR-RASK-UWB系统在不同接收天线下的BER变化曲线图。发射天线设置为4根，多径数设置为8，整体来看4条曲线的BER都随着SNR的增加而逐渐减小。接收天线从2根增加到8根时，因为传输比特数随天线数量的增加而增加，所以传输速率从1增加到3。当该方案的BER为10-5时，接收天线为2根比为4根可以获得1.0dB的增益。分析可知，随着接收天线数量的增加，传输比特数增加，但该方案下的BER性能会略有下降。
图8为传统UWB系统和所提TR-RASK-UWB系统在不同发射天线和接收天线下的BER性能比较。多径数设置为8，整体来看4条曲线的BER都随着SNR的增加而逐渐减小。当BER为10-4时，发射天线为4根和接收天线为4根的TR-RASK-UWB系统与传统UWB系统相比，增益约为1.0dB；发射天线为4根和接收天线为8根的传统UWB系统比TR-RASK-UWB系统损失约1.1dB。对比可知，在相同发射天线和接收天线的情况下，所提TR-RASK-UWB系统比传统UWB系统具有更好的BER性能。
图9为TR-RASK-UWB系统在不同发射天线下的仿真和理论BER性能比较。接收天线设置为4根，多径数设置为8，整体来看BER性能都随着SNR的增加而逐渐减小。在信噪比为12dB时，发射天线从2根增加到5根，所提方案的BER从10-2降低大约10-5。随着发射天线的增加，发射分集增益增加，该方案下的BER性能会有较好提升。对比可知，该方案下的仿真结果和理论推导结果相互吻合。
本发明针对MIMO-UWB系统中的多天线干扰和多径干扰的问题，提出了一种基于TR-RASK的多输入多输出UWB方案，通过仿真结果表明，本发明利用RASK调制形成空间波束避免多天线干扰的同时，运用时间反演的空时聚焦性，减少多径干扰，增强接收信号能量，使得所提方案在发射天线和接收天线相同的情况下，相比于传统UWB系统性能有较好提升。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收端利用接收天线移位键控调制RASK在接收端激活一根天线作为目标接收天线，发射端所有天线则都对准目标接收天线，构成多输入单输出系统模型；
S2、接收端向发射端发送探测信号，计算出经过超宽带信道后的信道状态；
所述发射端接收到探测信号后估计信道脉冲响应包括选中的目标接收天线发送的探测信号经过多径环境后到达发射端，发射端利用自相关的信道估计算法提取出信道脉冲响应以及其对应的复共轭转置后的信道脉冲响应；
S3、发射端根据计算出的经过超宽带信道后的信道状态，对发射信号进行时间反演处理，并将时间反演处理后的发射信号进行归一化聚焦发射到选中的一根目标接收天线；
归一化聚焦发射到达选中的目标接收天线的接收信号表达式如下：
y(t)＝x(t)*h*(-t)*h(t)
其中，y(t)表示接收端接收的信号，x(t)表示RASK映射出的信号矢量，h*(-t)表示复共轭转置后的信道脉冲响应，h(t)表示理想条件下的信道脉冲响应，其表示为：
其中，I表示多径最大数目；αi表示第i条多径的衰落系数；τi表示第i条多径的时延；δ(·)为狄拉克函数；
经过超宽带信道后进行时间反演处理后的信道脉冲响应hmj(t)表示为：
其中，hmj(t)表示第m根发射天线到第j根目标接收天线的信道脉冲响应，Xmj表示信道的幅度增益；表示第m根发射天线到第j根目标接收天线的第l个簇中第k条多径的幅度衰落系数；Tl表示第l个簇的到达时间延迟；τk,l表示第l个簇中第k条多径相对该簇第一条径到达时间的时延；L表示可以接收到的簇的最大数目；K表示第l个簇的最大多径数目；
采用功率归一化因子，将经过时间反演处理后的信道脉冲响应进行归一化处理表示为：
其中，gmj[l,k]表示第m根发射天线到第j根目标接收天线的第l个簇中第k条多径的信道脉冲响应；表示第m根发射天线经过超宽带信道到第j根目标接收天线的第L-1-l个簇中第K-1-k条多径的信道脉冲响应的共轭信号；ftr为功率归一化因子，表示为：
其中，hmj[l,k]表示第m根发射天线经过超宽带信道到第j根目标接收天线的第l个簇中第k条多径的信道脉冲响应；
S4、所有接收天线接收到归一化后的接收信号，接收端采用最大接收功率检测算法利用接收信号的最大功率估计出目标接收天线索引，并估计出比特序列。
2.根据权利要求1所述的一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法，其特征在于，
采用最大接收功率检测算法检测出目标天线索引；
或者表示为：
其中，表示目标接收天线的索引；Nr表示接收天线根数；yj(t)2表示第j个目标接收天线所接收到接收信号的功率；/>表示第/>个目标接收天线所接收到接收信号的功率。
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| CN202111159089.2A Active CN113904705B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种提高多输入多输出超宽带系统抗干扰的方法 |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN1645776A (zh) * | 2002-04-19 | 2005-07-27 | 通用电气公司 | 通过超宽带导频信号来同步无线遥测系统的方法和设备 |
| CN101309241A (zh) * | 2008-06-03 | 2008-11-19 | 电子科技大学 | 全通均衡的时间反演超宽带无线通信方法 |
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Family Cites Families (1)
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-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111159089.2A patent/CN113904705B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CS-DCSK UWB与窄带通信系统共存性研究;陈志雄;黄瑾;徐位凯;;重庆邮电大学学报(自然科学版)(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113904705A (zh) | 2022-01-07 |
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