基于MUI的THMA-UWB系統(tǒng)性能分析*

趙紅梅，武亞楠

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

基于MUI的THMA-UWB系統(tǒng)性能分析*

趙紅梅，武亞楠

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

針對(duì)多用戶超寬帶無(wú)線電通信，分析在MUI情況下的THMA-UWB系統(tǒng)的性能。重點(diǎn)介紹了最佳二進(jìn)制正交脈沖位置調(diào)制(2PPM)和二進(jìn)制反極性脈沖幅度調(diào)制(2PAM)多用戶通信的基本原理，從理論上對(duì)基于SGA環(huán)境下的 THMA-UWB系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，包括幾種調(diào)制方式和參數(shù)對(duì)系統(tǒng)抗干擾影響的分析，最后對(duì)系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行了仿真比較。理論推導(dǎo)和仿真分析表明，使用SGA估計(jì)系統(tǒng)誤碼率的有效性在用戶數(shù)目的選取、脈沖形成因子和比特速率上都對(duì)系統(tǒng)有較大影響，2PAM-THMA超寬帶系統(tǒng)性能要優(yōu)于2PPM-THMA超寬帶系統(tǒng)的性能，且前者的系統(tǒng)誤碼率的下限更低，系統(tǒng)性能明顯更優(yōu)良。

超寬帶；標(biāo)準(zhǔn)高斯類似；多用戶干擾；二進(jìn)制正交 PPM調(diào)制；二進(jìn)制反極性 PAM調(diào)制；跳時(shí)多址

0 引言

眾所周知，GPS和E-911在室外通信與定位領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，而在室內(nèi)定位技術(shù)中，超寬帶發(fā)展正成為促進(jìn)社會(huì)和生活改變的新動(dòng)力。超寬帶無(wú)線技術(shù)（Ultra-wideband，UWB）具有帶寬極寬、系統(tǒng)容量大、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。

ISSA Y等基于IR-UWB研究跳時(shí)脈沖位置調(diào)制系統(tǒng)的性能，比特誤碼率性能分析考慮 MAI的影響[1]。HAZRA R和TYAGI A將雙跳合作策略應(yīng)用于IR-UWB系統(tǒng)誤碼率分析[2]。BAEK S等采用多個(gè)接收天線，對(duì)不同數(shù)量的天線和 MP（multipaths），評(píng)估二進(jìn)制 PPM調(diào)制分析系統(tǒng)性能[3]。YIN H B等結(jié)合稀疏變換和最小化算法重構(gòu)UWB-2PPM信號(hào)，理論分析和仿真表明該算法可以重構(gòu)原傳輸信號(hào)且不依據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)[4]。XU H B等基于SGA，仿真結(jié)果揭示了反極性抗MUI阻力優(yōu)于正交[5]。因此，本文重點(diǎn)分析比較最佳2PPM調(diào)制和反極性2PAM調(diào)制的UWB系統(tǒng)的性能，同時(shí)分析脈沖形成因子等因素對(duì)系統(tǒng)誤碼率的重要性。

多用戶干擾顯著影響著超寬帶系統(tǒng)的性能。NAANAA A分析了基于TH-CDMA的超寬帶系統(tǒng)的誤碼率性能，研究了碰撞時(shí)間和其他用戶多路訪問(wèn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響[6]。KRISTEM V等研究多用戶干擾MUI(Multi-User Interference)和多路徑傳播對(duì)的超寬帶系統(tǒng)性能的抑制，并提出TH-IR非線性處理方案，通知有優(yōu)化參數(shù)選擇，表明該算法優(yōu)于閾值和中值濾波算法[7]。AMIGO A G和VANDENDORPE L考慮TH-PPM信號(hào)，評(píng)估基于SGA和MUI的超寬帶系統(tǒng)的誤碼率[8]。LI Y等對(duì)直接序列脈沖幅度調(diào)制(DS-PAM)、時(shí)間跳躍脈沖位置調(diào)制(TH-PPM)和MB-OFDM超寬頻系統(tǒng)進(jìn)行性能比較[9]。

本文在標(biāo)準(zhǔn)高斯近似(Standard Gaussian Approximation，SGA)環(huán)境下，重點(diǎn)研究并比較兩種多用戶超寬帶系統(tǒng)下最佳二進(jìn)制脈沖位置調(diào)制(Binary Pulse Position Modulation，2PPM)和反極性二進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制(Binary Pulse Amplitude Modulation，2PAM)系統(tǒng)的誤碼率性能，以及其他參數(shù)對(duì)兩者性能的影響。

1 系統(tǒng)模型及誤碼率分析

在本文中，接收信號(hào)建模為高斯函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)形式，其時(shí)域表達(dá)式為：

其中 Ttau為高斯脈沖成形因子，也是脈沖寬度的參數(shù)；A為信號(hào)脈沖峰值幅度。

1.1 最佳二進(jìn)制正交脈沖相位調(diào)制：2PPM-THMA

在UWB通信系統(tǒng)中，采用二進(jìn)制脈沖相位調(diào)制(2PPM)，擴(kuò)頻方式采用跳時(shí)(TH)擴(kuò)頻。此時(shí)，第k個(gè)用戶傳輸?shù)亩M(jìn)制PPM-THMA信號(hào)的表達(dá)式為：

假設(shè)一個(gè)基于SGA的TH-UWB系統(tǒng)包含Nu個(gè)用戶，則參考接收機(jī)接收到的信號(hào)為來(lái)自Nu個(gè)發(fā)射機(jī)的所有信號(hào)和熱噪聲的總和，即：

其中，φu(t)和 φMUI(t)分別代表接收機(jī)輸入端的有用信號(hào)和MUI分量，n(t)是雙邊功率譜密度為N0/2的加性高斯白噪聲。

不失一般性，參考接收機(jī)解調(diào)來(lái)自第一個(gè)發(fā)射機(jī)的第一比特信號(hào)，接收機(jī)已知 TH碼，即，且發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間完全同步。

軟判決相關(guān)接收機(jī)的輸出，可表示如下：

對(duì)于最佳正交二進(jìn)制PPM調(diào)制，采用基于ML準(zhǔn)則的判決規(guī)則，即式(4)中得到的P值與閾值0比較，判決規(guī)則如下：

為了不失一般性，在SGA條件下分析系統(tǒng)性能。PMUI和Pn均服從均值為0、方差分別為和的高斯分布。同時(shí)考慮熱噪聲和MUI的影響，平均誤碼率表達(dá)式如下：

不失一般性，有用信號(hào)的能量Eb可以通過(guò)計(jì)算一個(gè)比特的Ns個(gè)脈沖在接收端輸出的有用能量之和得到：

顯然，W(ε)是脈沖信號(hào)s(t)的自相關(guān)函數(shù)。因此信號(hào)和熱噪聲的比值SNRk、信號(hào)與MUI干擾的比值SIR可以表示為：

對(duì)于正交脈沖，因?yàn)镻PM偏移ε大于脈沖持續(xù)時(shí)間TM，W(ε)恒等于0，故有1-W(ε)=1。式(12)表明，對(duì)于給定用戶數(shù)量位置，可以通過(guò)比特速率來(lái)控制MUI的大小。在完全功率控制的假設(shè)下，由式(12)推導(dǎo)出，評(píng)價(jià)給定SIR任何一個(gè)用戶被容許的最大比特速率為：

結(jié)合式(12)和式(13)，在理想功率控制下得到基于2PPM-THMA系統(tǒng)的誤碼率Prb表示如下：

1.2 二進(jìn)制反極性脈沖幅度調(diào)制：2PAM-THMA

二進(jìn)制反極性PAM-THMA的分析過(guò)程與1.1節(jié)類似。相關(guān)接收機(jī)的輸出如式(4)，只是相關(guān)掩膜表達(dá)式變成：

不失一般性，借助上式，對(duì)于構(gòu)成一個(gè)比特的Ns個(gè)脈沖，接收機(jī)輸出的有用成分的能量為：

這種情況下，根據(jù)接收機(jī)輸出熱噪聲和總的MUI的方差，可得信號(hào)和熱噪聲的比值SNRk、信號(hào)與MUI干擾的比值SIR：

由式(19)推導(dǎo)出與式(13)類似的表達(dá)式：

基于SGA條件下，在理想功率控制下二進(jìn)制反極性PAM-THMA系統(tǒng)的誤碼率如下：

2 仿真結(jié)果與討論

為了分析TH-UWB系統(tǒng)的性能，作以下假設(shè)：所有信源的脈沖重復(fù)頻率相同，均為 1/Ts；對(duì)于一對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成的一條鏈路，均使用接收端已知的特定偽隨機(jī)PN碼；信源是由獨(dú)立且0、1等概率出現(xiàn)的隨機(jī)變量組成；所有時(shí)延τ服從[0，Ts]上的均勻分布；系統(tǒng)采用相干檢測(cè)，參考接收機(jī)與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)之間是完全同步的。

2.1 調(diào)制參數(shù)對(duì) Prb的影響

在增加用戶的情況下，比較2PPM-THMA和2PAMTHMA的性能。脈沖形成因子為 0.25 ns，PPM偏移量為0.5 ns。圖1中，對(duì)于2PPM和2PAM而言，誤碼率均隨著Eb/N0的升高而下降。但在圖1左圖中，在誤碼率高于10-3時(shí)，2PAM和 2PPM兩種調(diào)制方式的誤碼率大體一致，且保持不變。隨著誤碼率的減小，兩條曲線之間的距離越來(lái)越大。圖1右圖中，兩者的誤碼率都漸漸趨向于一個(gè)常數(shù)，2PAM的誤碼率下限比 2PPM要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。有30個(gè)用戶的2PPM系統(tǒng)性能與有60個(gè)用戶的2PAM系統(tǒng)性能相差無(wú)幾。由此得出結(jié)論：在其他條件相同情況下，2PAM-THMA系統(tǒng)性能要優(yōu)于 2PPMTHMA系統(tǒng)，前者誤碼率下限要低于后者；可通過(guò)提高每個(gè)脈沖的傳輸能量和傳輸功率改善系統(tǒng)的工作性能，降低誤碼率；2PPM將會(huì)有3 dB的SIR損失。

圖1 Tau=0.25 ns，Rb=20 Mb/s

2.2 脈沖形成因子 Tau對(duì)Prb的影響

在改變脈沖形成因子和用戶的數(shù)量的情況下，比較2PPM-THMA和2PAM-THMA的性能。從圖2中明顯可以看出，在 Eb/N0不大于 8 dB之前，圖中 4條曲線變化趨勢(shì)基本一致；但是在 Eb/N0超過(guò) 8 dB后，隨著脈沖形成因子 Tau的變大，系統(tǒng)誤碼率也變大。

圖2 Nu=5，Nu=15，Rb=20 Mb/s

圖3為同一脈沖形成因子 Tau=0.1 ns的仿真曲線，系統(tǒng)誤碼率隨著用戶數(shù)量的增加而變大，并且可以得到與 2.1節(jié)相似的結(jié)論，2PAM-THMA系統(tǒng)的性能優(yōu)于2PPM-THMA系統(tǒng)，前者系統(tǒng)誤碼率下限低于后者。

圖3 Tau=0.1 ns,Rb=20 Mb/s

2.3 比特速率Rb對(duì)Prb的影響

圖4是在不同信息比特速率的條件下對(duì)兩種調(diào)制方式的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析比較。從圖4中可以看出，當(dāng)Eb/N0小于10 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率對(duì)比特速率和調(diào)制方式的變化不敏感；當(dāng) Eb/N0超過(guò) 10 dB，系統(tǒng)誤碼率與比特速率成反比。

尤其當(dāng)信息比特速率為25 Mb/s時(shí)，隨著Eb/N0的增大，2PPM-THMA和2PAM-THMA系統(tǒng)的誤碼率曲線變化幅度很小，因此圖5分別對(duì)當(dāng) Rb=25 Mb/s時(shí)的兩種調(diào)制方式進(jìn)行了仿真?？梢缘贸鼋Y(jié)論，用戶數(shù)量越多，Eb/N0的變化對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響越小，系統(tǒng)誤碼率下限也越高；當(dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)，可以通過(guò)提高 Eb/N0來(lái)改善系統(tǒng)的性能。

圖4 Tau=0.1 ns，Nu=5/15

圖5 Tau=0.1 ns，Rb=25 Mb/s

3 結(jié)語(yǔ)

本文將2PPM-THMA和2PAM-THMA的性能進(jìn)行比較，從誤碼率的角度分析了調(diào)制參數(shù)、脈沖形成因子、比特速率對(duì)系統(tǒng)影響的趨勢(shì)。兩種調(diào)制方式下，隨著用戶數(shù)量的增大，THMA-UWB系統(tǒng)誤碼率也隨之增大，2PAM反極性調(diào)制系統(tǒng)誤碼率低于2PPM正交調(diào)制。其次通過(guò)減小脈沖形成因子和增大信息比特速率，可以降低系統(tǒng)的誤碼率。同時(shí)，當(dāng)信息比特率足夠大時(shí)，系統(tǒng)誤碼率達(dá)到下限的時(shí)間更早。因此，在設(shè)計(jì)超寬帶通信系統(tǒng)時(shí)，必須綜合考慮各種因素，以提高系統(tǒng)性能，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

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Performance analysis and simulation of muitiuser interference in THMA-UWB communication system

Zhao Hongmei，Wu Yanan
(College of Electric and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450000，China)

This paper presents a performance comparison of THMA-UWB for multi-user wireless communication systems.MUI effects arising form the introduce of multi-user in THMA-UWB system and hence induce time-of-arrival(TOA)based positioning inaccuracy.The Standard Gaussian Approximation(SGA)channel is considered.This paper mainly consists of two steps：(1)the error bit rate of THMA-UWB system for orthogonal binary pulse position modulation with time hopping(2PPM-THMA-UWB)and binary pulse amplitude modulation with time hopping(2PAM-THMA-UWB)are deduced.(2)we will evaluate the performances of MUI effect by different number of users,rate bits,pulse forming factor under SGA.Simulation results show that 2PAM-THMA UWB system performs much better compared to 2PPM-THMA UWB system,higher bit rate and smaller pulse forming factor could lead to good performance,even with a high number of users.

UWB；SGA；MUI；2PPM；2PAM；Time Hopping Multiple Access(THMA)

TN91

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.030

趙紅梅，武亞楠.基于 MUI的 THMA-UWB系統(tǒng)性能分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：106-109.

英文引用格式：Zhao Hongmei，Wu Yanan.Performance analysis and simulation of muitiuser interference in THMA-UWB communication system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：106-109.

2015-12-14）

趙紅梅(1976-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：寬帶無(wú)線通信與微波技術(shù)、高精度超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)等。

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1504604）；鄭州市技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)院士工作站建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（131PYSGZ211）；鄭州輕工業(yè)學(xué)院 2014年研究生科技創(chuàng)新基金(2014002)

武亞楠(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：高精度超寬帶室內(nèi)定位算法。