MIMO-UWB的发射和接收方案综述

3、UWB-MIMO接收方案

为了使问题简化，假设信道在一个K时隙内的码块内满足相互独立且平坦衰落。第u个用户从第i个发射天线到接收端第j个接收天线的信道衰落系数记为。假设服从Nakagami-衰落，并且平均能量为Ωu。同样假设接收端知道但发送端不知道信道状态信息（CSI）。据文献[4]，经接收天线的输出脉冲(t)转变为它的一阶微分，记为w(t)。按照同样的方法定义之间的关系。这样，第j个接收天线上的接收信号可以表示为：

这里的nj(t)是零均值，双边功率谱密度N0/2的高斯白噪声，τu是第u个用户信号的传输时延。不妨设第一个用户的信号是我们需要的信号，（5）式可被重新表达为：

式中，，是从其他用户处接收到的干扰。假设接收机准确同步，且事先知道跳时（TH）或者扩频序列。举例来说，当需要接收一个用户信号的时候，接收端解调前就有τo和{co(k)}序列信息并且知道接收脉冲波形为w(t)。接收器由一组相关器组成，这组相关器采用一系列w(t)的延时脉冲，与接收脉冲进行相关处理。

3.1　TH-MPPM

为了检测传输的M进制码元，相关器将第j个天线上收到的信号与接收器端的做相关运算。所以相关器第输出m’个输出量为：

式中的分别指相关器输出的有用信号、多用户干扰信号和噪声信号。根据（2）式，

将所有Nr个天线的相关器输出合并写成矩阵形式，得到：

这里的SD是和空时编码方式相关的MK×Nt矩阵。式中：

（11）式中SD(k)是个Nt维行向量

信道状态信息矩阵Ho是一个Nt×Nr的矩阵，它的第i行第j列元素是hijo。相关器输出是一个Mk×Nr的矩阵Y=[YT(0)YT(1)…YT(K-1)]T，每个YT(K)是一个M×Nr矩阵，其中的第i行第j列元素为yjm(k)。Ntot矩阵和Y结构类似，不再赘述。采用最大似然检测，则与输出码字欧氏距离最小的码字为：

这里的　表示F范数。

3.2　TH/BPSK

BPSK系统中，每个天线上接收的信号与模板作相关运算，当采用TH-BPSK调制

信号经相关器输出：

和TH-MPPM方式类似，分别是需要的用户信号，其他用户的干扰，和噪声，用（3），（4）式取代（13），可表示成如下的形式：

这样，所有Nr组相关器输出的信号可以表示成如下形式：

式中Do在前面定义过，是需要的用户空时码，Y和Ntot是K×Nr矩阵，它们的第k行第j列元素分别是，类似前面TH-MPPM方式，得到最大似然解码器输出

4、结论和展望

本文综述介绍了MIMO-UWB系统的多址方式、调制方案和接收与检测方案。利用MIMO技术可以极大地提高超宽带系统的容量和频谱效率。

当前UWB调制方案主要分为3种：TH-UWB、DS-UWB和MB-OFDM-UWB。虽然从理论和分析来看，TH-UWB是一种合适的方案，但是这种技术很少在现实系统中使用，目前的研究和运用表明DS-UWB是一种有潜力的单载波调制方案，关于这两种单载波方案的MIMO实现，上文已经详细说明。MB-OFDM-UWB方案采用MB-OFDM技术把UWB的频谱分成多个子带，然后利用多载波进行信号的传输。在这种方案中，融入OFDM、扩频与交织、跳频等多种机制，保证了在多径衰落信道上可靠实现高速数据的传输，这种系统方案具有以下优势：

（1）系统的频谱利用效率较高；

（2）减少对其他窄带无限系统的干扰，这是多带技术的主要优势，它使得UWB系统能够与其它无线电系统和平共处；

（3）灵活的数据传输速率，可扩展性强。可以根据不同的频段要求进行整合，特别适合上、下行链路数据传输非对称业务；

（4）OFDM技术相对成熟，已经在许多通信领域得到了广泛应用[7]。

MIMO-OFDM-UWB的实现的关键技术之一是MIMO-OFDM系统的编码技术。目前对其编码的研究大都在空间和时间，或者空间和频率这两维方向上进行，即ST编码和SF编码。这两种编码技术一般只能获得两维方向上的增益。为了更加充分的利用空间、时间和频率三维方向上的增益，文献[8，9]提出了空时频编码技术（STFC），从空间、时间、频率三维方向上同时进行编码。该技术和MB-OFDM-UWB方案的结合将是未来的一个重要研究方向。

参考文献

1　M.L.Welborn，“System Considerations for Ultra　Wideband Wireless Networks”，IEEE Radio and Wireless　Conf.,PP.5-8，Aug.2001.

2　M.Z.Win and R.A.Scholtz，“Impulse Radio：How It Works”，IEEE Commun.Letters，vol.2，no.2，PP.36-38，Feb.1998.

3　L.Yang and G.B.Giannakis，“Space-Time Coding for Impulse Radio”，IEEE Conf.on Ultra Wideband Systems and Technologies，PP.235-240，May 2002.

4　M.Z.Win and R.A.Scholtz，“Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications”，IEEE Trans.on Commun.，vol.48，no.4，PP.679-691，Apr.2000.

5　C.J.Le Martet and G.B.Giannakis，“All-digital PPM Impulse Radio for Multiple-Access through Frequency-Selective Multipath”，Proc.IEEE Sensor Array and Multichannel Sig.Proc.Workshop，PP.22-26，Mar.2000.

6　J.G.Proakis，Digital Communications，McGraw-Hill，New York，2001

7　张士兵，张力军，“基于扩频与调频的多带OFDM-UWB多址技术”，信号处理，2006.12.

8　Molisch A F，Win M Z，Winters J H.“Space-time-frequency（STF）coding for MIMO-OFDM systems”IEEE Communications Letters，2002，6（9）：370.

9　Zhiqiang Liu，Yangxin，Georgios B G.“Space-time-frequency coded OFDM over frequency selective fading channels”.IEEE Transaction on signal processing，2002，50（10）：2465.

10　W.Siriwongpairat，Masoud Olfat，K.J.Ray L“Performance Analysis of TH-and DS-UWB-MIMO Systems”EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2005：3，328-345