張洪全， 張宏煒

(黑龍江科技大學 電子與信息工程學院， 哈爾濱 150022)

脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)的多用戶性能

張洪全， 張宏煒

(黑龍江科技大學 電子與信息工程學院， 哈爾濱 150022)

針對脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)可以靈活選擇發(fā)射子帶脈沖的特征，提出一種采用跳時方式的多用戶系統(tǒng)模型。通過構建該系統(tǒng)模型，仿真研究系統(tǒng)誤碼率性能，在用戶數目為2/3/4/8時，L=15、r=2、K=8 bits情況下，與常規(guī)MIR UWB系統(tǒng)進行比較，對比分析兩系統(tǒng)在數據傳輸速率相同，以及同步和異步通信時的用戶性能。結果表明：在大信噪比條件下，基于脈沖選擇的MIR UWB通信系統(tǒng)的多用戶模型，其誤碼率性能優(yōu)于常規(guī)MIR UWB通信系統(tǒng)，可實現系統(tǒng)傳輸速率的靈活調整。

脈沖選擇； MIR UWB； 誤碼率； 多用戶

0 引 言

脈沖超寬帶[1](Impulse radio ultra wideband, IR UWB)通信系統(tǒng)采用納秒級的窄脈沖信號來傳遞數據信息，具有較高的信息傳輸速率，并具有功耗低、截獲概率低等優(yōu)點，在民用和軍用領域均有很好的應用前景。2004年，Paquelet等人在傳統(tǒng)脈沖超寬帶的基礎之上，提出多帶脈沖超寬帶(Multiband impulse radio ultra wideband, MIR UWB)通信系統(tǒng)的概念和系統(tǒng)模型，可以進一步提高系統(tǒng)的傳輸速率[2-3]。2016年，文獻[4]又在此模型的基礎之上提出基于脈沖選擇的多帶脈沖超寬帶系統(tǒng)，利用映射算法[5-6]，每次只選擇部分子帶脈沖發(fā)射，提高了系統(tǒng)頻譜使用的靈活性和隨機性，并且通過映射算法還可以提供不同的數據傳輸速率。筆者也在此系統(tǒng)結構的基礎之上，構建基于跳時的多用戶系統(tǒng)模型，研究其多用戶共存情況時的系統(tǒng)誤碼率(Bit error rate, BER)性能。

1 發(fā)射機與接收機模型

1.1 發(fā)射機模型

脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)的發(fā)射機模型如圖1所示。采用數據映射算法，每次隨機選擇部分子帶脈沖作為發(fā)射信號，可以提高系統(tǒng)頻譜使用的靈活性。

圖1 發(fā)射機模型

在發(fā)射端，首先將發(fā)送的二進制數據信息進行串并轉換，然后送入映射模塊，輸出數據為ai{-1,0,+1}(i=1,2,…，L)，其中L為可選擇的脈沖總數。

根據映射算法，每次從L個脈沖之中選擇r個脈沖(每個脈沖對應一個不同的子帶)作為發(fā)射脈沖信號。因此，在ai中只有r個非零元素。由映射算法可知，從L個子帶脈沖之中選擇r個帶有極性信息的脈沖進行發(fā)送，系統(tǒng)每次可以發(fā)送的數據為K=r+[logCLr]比特，因此可以根據L或r的不同取值，實現系統(tǒng)的多種傳輸速率。然后，在各個支路上，針對非零元素ai采用TH-2PAM調制，且只有r個支路上有調制信號產生。調制脈沖采用PSWF脈沖[7]，并且pi(t)表示第i個脈沖且對應第i個子帶。最后，將各支路調制之后的信號si(t)相加得到最終的發(fā)射信號S(t)，表達式為

(1)

1.2 接收機模型

脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)的接收機模型如圖2所示。該模型采用相干接收的方法。在接收端，由于PSWF脈沖在時域/頻域的雙正交特性，不需要設置帶通濾波器去分離各個子帶脈沖。因此，接收信號r(t)首先與L個支路的模板信號vi(t)進行相關，其中，模板信號采用與發(fā)端相同的PSWF脈沖。由發(fā)射端的數據映射算法可知，只有r個支路有信號發(fā)射，則可以在相關器之后，利用最大值判決器找出相關器輸出絕對值最大的r個支路。之后，利用數據逆映射算法[5]和并串轉換可以恢復出來發(fā)送的數據信息。

圖2 接收機模型

2 多用戶系統(tǒng)模型

脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)的多用戶系統(tǒng)發(fā)射端模型如圖3所示。假設系統(tǒng)中存在若干個用戶，第n個用戶的發(fā)送數據D(n)首先經過串/并變換，再經過數據映射，得到待調制數據a(n)，然后進行TH-2PAM調制[8]，每個用戶會分配一個不同的跳時序列；之后將多個調制信號相加得到第n個用戶的基于脈沖選擇的MIR UWB信號，有

(2)

a(n)——第n個用戶的待調制數據；

在接收端，采用單用戶接收機結構，如圖2所示，并假設傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。當用戶數目Nu同時存在于系統(tǒng)中時，接收機接收解調第n個用戶的信息，并假設第n個用戶的接收機已知傳輸延時和信道衰落的影響，即完成同步，進入接收機的其他用戶信號為多用戶干擾。接收信號可表示為

R(t)=AnS(n)(t-τn)+nmui(t)+n(t)，

(3)

式中：An——信道衰落，

τn——第n個用戶的傳輸延時；

nmui(t)、n(t)——進入接收機的多用戶干擾和信道高斯噪聲。

由此，按照圖2中介紹的接收過程，即可恢復出用戶n的發(fā)送數據。

圖3 多用戶系統(tǒng)發(fā)射端模型

3 性能仿真與結果分析

仿真時，假設在高斯白噪聲信道條件下，且對于主接收用戶來說接收機已完全同步。利用圖3所示的多用戶系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)的多用戶性能進行仿真和分析。系統(tǒng)采用PSFW脈沖作為基本脈沖，其他仿真條件如表1所示，同時列出對比系統(tǒng)常規(guī)MIR UWB系統(tǒng)的仿真參數。

表1 系統(tǒng)仿真參數設置

基于脈沖選擇的MIR UWB通信系統(tǒng)分別在2/3/4/8個用戶的情況下，進行系統(tǒng)BER性能的仿真，選擇的子帶數目不同，系統(tǒng)每次可以傳輸的比特數目不同，進而系統(tǒng)的傳輸速率不同。當L=15，r=2時，K=8 bits，L=15，r=4時，K=14 bits，圖4所示為這兩種情況下系統(tǒng)BER性能對比曲線(同步情況)。由圖4中可知，隨著傳輸比特數/速率(vEN)的增大，系統(tǒng)的BER性能會有所降低。因為，傳輸比特數目增加意味著每次選擇發(fā)射的子帶脈沖數目r的增加，在接收端同時正確判決的概率會有所降低，進而導致系統(tǒng)性能的變差。

圖4 不同傳輸速率時系統(tǒng)BER性能曲線

Fig. 4 BER performance curve of different transmission rates

同時，在2/3/4/8個用戶的情況下，進行系統(tǒng)BER性能的仿真，在L=15，r=2，K=8 bits情況下，與常規(guī)MIR UWB系統(tǒng)進行比較，比較時保證兩系統(tǒng)的數據傳輸速率相同。仿真分為同步和異步兩種情況，見圖5。

a 同步情況

b 異步情況

Fig. 5 Multi-user system BER performance curve

由圖5可見，隨著用戶數目的增加，同步和異步兩種情況下，兩個系統(tǒng)的BER性能都隨之降低，并且，基于脈沖選擇的MIR UWB通信系統(tǒng)的BER性能在大信噪比條件時，都優(yōu)于常規(guī)MIR UWB系統(tǒng)。

4 結束語

針對脈沖選擇MIR UWB通信系統(tǒng)，提出一種采用跳時方式的多用戶系統(tǒng)模型，并進行了系統(tǒng)性能的仿真研究。在2/3/4/8用戶時，進行系統(tǒng)BER性能仿真，在L=15，r=2，K=8 bits情況下，與常規(guī)MIR UWB系統(tǒng)進行比較，比較時保證兩系統(tǒng)的數據傳輸速率相同，仿真分為同步和異步進行。結果表明，基于脈沖選擇的MIR UWB通信系統(tǒng)的多用戶模型，其BER性能在大信噪比情況下優(yōu)于常規(guī)MIR UWB通信系統(tǒng)，并且還能通過對參數L和r值的改變，靈活調整系統(tǒng)的數據傳輸速率。

[1] Win M Z, Scholtz R A. Impulse radio: how it works[J]. IEEE Communication Letters, 1998, 2(2): 36-38.

[2] Paquelet S, Aubert L M. An energy adaptive demodulation for high data rates with impulse radio[C]// IEEE Radio and Wireless Conference， Atlanta: IEEE, 2004: 323-326.

[3] Dehner H U, Figielek D, Jakel H, et al. High data rate coexistence-based channel coding for noncoherent multiband impulse radio UWB[C]// IEEE International Conference on Ultra-Wideband， Syracuse: IEEE， 2012: 120-124．

[4] 齊 琳, 李 超, 竇 崢. 并行組合脈沖MIR UWB通信系統(tǒng)建模與仿真[J]. 北京郵電大學學報, 2016, 3(1): 74-78.

[5] 衣 強. 并行組合擴頻系統(tǒng)抗干擾技術及映射算法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2007.

[6] 李北明, 王 俊, 薛 偉, 等. 基于循環(huán)映射算法的并行組合擴頻通信[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術， 2016, 38(7): 1654-1659.[7] 侯文君, 王紅星, 王 瑛. 基于PSWF的TH-PPM超寬帶系統(tǒng)優(yōu)化設計與仿真[J]. 海軍航空工程學院學報， 2012, 27(6): 618-622.

[8] 葛利嘉, 朱 林, 袁曉芳, 等. 超寬帶無線電技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Research on multi-user performance of pulse selection MIR UWB communication system

ZhangHongquan，ZhangHongwei

(School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

According to the characteristics of pulse select MIR UWB communication system can flexibly select the transmit subband pulse, a multi-user system model based on time hopping was proposed. The system model was given and the BER performance was simulated. When the number of users is 2/3/4/8,L=15,r=2,K=8 bits, compared with the conventional MIR UWB system，the data transmission rates of the two systems are the same, and the simulation is divided into synchronous and asynchronous. The results show that in the case of high SNR, multi-user model of MIR UWB communication system based on pulse selection, and its BER performance is better than the conventional one, and it can realize the flexible adjustment of the system transmission rate.

pulse selection; MIR UWB; BER; multi-user

2017-03-24

國家自然科學基金項目(51474100)

張洪全( 1979-)，男，黑龍江省林口人，講師，碩士，研究方向: 礦井通信與無線通信，E-mail：daqingzhq@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.023

TN911.22

2095-7262(2017)05-0565-04

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