MIMO-UWB的发射和接收方案综述

2、UWB-MIMO发送方案

在多用户环境下，假设MIMO-UWB系统有Nu个用户，每个用户都有Nt个发射天线，同时有Nr个接收天线。将每个用户的发射信息划分成b比特一组，以一个符号来发送，这样就需要M=2b个符号。进一步再将符号划分成Nb个一组，每组符号编码成一个空时码，并且在K个时隙的时间长度中通过Nt个天线将这个空时码发送出去。显然，这种编码的效率为：R=Nb/K。每个空时码矩阵都是一个K×Nt的矩阵，记做Du，该矩阵的第K行，第i列元素diu(k)是第u个用户在第k个时隙通过第i根天线发送出去的一个M进制码元。也就是说空时码矩阵的每行都对应着发射时隙，每列对应着发射天线。发射机将空时码矩阵中的每个元素diu(k)转换成UWB信号，通过天线发送出去。形成什么样的UWB信号需要综合考虑选用的多址方式和调制方式。下面进行分别讨论。

2.1　TH-MPPM

UWB信号是由周期为纳秒级的窄脉冲形成的。传统的UWB调制方式采用TH-MPPM方式。在该种方式下，数据符号通过脉冲的不同时延来表达，第u个用户通过第i个天线发射出去的波形为[2]：

式中(t)是持续时间为Tw的脉冲波，Tf是符号的重复周期，且。脉冲波规一化为单位能量，保证第u个用户在每个帧间隔期间总的传输能量为Eu，和天线数量无关。每一帧包含Nc个子区间，并且NcTc≤Tf。第u个用户的TH序列记作{Cu(k)}，该序列满足0≤Cu(k)≤Nc-1。它对第k个信号波形加入一个和用户有关的跳时Cu(k)T，这样在接收端只要根据各个用户的TH码进行检测，就能得到各自需要的发送信息。TH-MPPM通过这样的设计来实现多用户接入。第k帧中，第u个用户的第i个天线上发送的符号记作：diu(k)，其对应的时间搬移为。为了使M个可能的脉冲在接收端能够正交，我们要使Tm-Tm-1≥Tw，同样，为了脉冲在接收端能够正交，跳时码也需要满足Tc≥MTw。在文献[3，5]中提到一种更巧妙的方法，（1）式也可以表示成：

在（2）式中，UWB信号被分解成M种信号波形，每种对应各自的时延Tm。假设在第kx个时隙发送的符号是mx{0，1…，M-1}，即如图1所示。

图1　TH-2PPM已调信号波形

2.2　TH-BPSK

不同于TH-MPPM方式，TH-BPSK方式的数据信息通过波形的极性来表示，通过天线发射的UWB TH-BPSK信号[1]为：

式中的diu(k)表示传送的双极性符号，diu(k){-1，1}。同TH-MPPM类似，脉冲包含一个和用户相关的跳时码序列{Cu(k)}，0≤Cu(k)≤Nc-1。其中Tc≥Tw，NcTc≤Tf，具有规一化能量，这样第u个用户每帧的总发射能量为Eu，如图2所示。

图2　TH-BPSK已调信号波形

2.3　DS-BPSK

DS-BPSK调制情况下，通过一个脉冲波的扩频序列{对在第i个天线第k个时隙传输的二进制符号diu(k){-1，1}进行扩频。式中且Cu(l){-1，1），所以通过天线传送的UWB信号以表示为：

式中的Tf=NcTc，为了保证一个序列中的脉冲能够相互正交，需要同时满足Tc≥Tw。因为一个比特符号需要用Nc个脉冲表示，需要乘上一个因子保证Nc个脉冲波为单位能量。这样第u个用户在第k个时隙里面发送的信号能量为Eu，如图3所示。

图3　DS-BPSK已调信号波形