脉冲选择MIR UWB通信系统的多用户性能

张洪全， 张宏炜

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)

脉冲选择MIR UWB通信系统的多用户性能

张洪全， 张宏炜

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022)

针对脉冲选择MIR UWB通信系统可以灵活选择发射子带脉冲的特征，提出一种采用跳时方式的多用户系统模型。通过构建该系统模型，仿真研究系统误码率性能，在用户数目为2/3/4/8时，L=15、r=2、K=8 bits情况下，与常规MIR UWB系统进行比较，对比分析两系统在数据传输速率相同，以及同步和异步通信时的用户性能。结果表明：在大信噪比条件下，基于脉冲选择的MIR UWB通信系统的多用户模型，其误码率性能优于常规MIR UWB通信系统，可实现系统传输速率的灵活调整。

脉冲选择； MIR UWB； 误码率； 多用户

0 引 言

脉冲超宽带[1](Impulse radio ultra wideband, IR UWB)通信系统采用纳秒级的窄脉冲信号来传递数据信息，具有较高的信息传输速率，并具有功耗低、截获概率低等优点，在民用和军用领域均有很好的应用前景。2004年，Paquelet等人在传统脉冲超宽带的基础之上，提出多带脉冲超宽带(Multiband impulse radio ultra wideband, MIR UWB)通信系统的概念和系统模型，可以进一步提高系统的传输速率[2-3]。2016年，文献[4]又在此模型的基础之上提出基于脉冲选择的多带脉冲超宽带系统，利用映射算法[5-6]，每次只选择部分子带脉冲发射，提高了系统频谱使用的灵活性和随机性，并且通过映射算法还可以提供不同的数据传输速率。笔者也在此系统结构的基础之上，构建基于跳时的多用户系统模型，研究其多用户共存情况时的系统误码率(Bit error rate, BER)性能。

1 发射机与接收机模型

1.1 发射机模型

脉冲选择MIR UWB通信系统的发射机模型如图1所示。采用数据映射算法，每次随机选择部分子带脉冲作为发射信号，可以提高系统频谱使用的灵活性。

图1 发射机模型

在发射端，首先将发送的二进制数据信息进行串并转换，然后送入映射模块，输出数据为ai{-1,0,+1}(i=1,2,…，L)，其中L为可选择的脉冲总数。

根据映射算法，每次从L个脉冲之中选择r个脉冲(每个脉冲对应一个不同的子带)作为发射脉冲信号。因此，在ai中只有r个非零元素。由映射算法可知，从L个子带脉冲之中选择r个带有极性信息的脉冲进行发送，系统每次可以发送的数据为K=r+[logCLr]比特，因此可以根据L或r的不同取值，实现系统的多种传输速率。然后，在各个支路上，针对非零元素ai采用TH-2PAM调制，且只有r个支路上有调制信号产生。调制脉冲采用PSWF脉冲[7]，并且pi(t)表示第i个脉冲且对应第i个子带。最后，将各支路调制之后的信号si(t)相加得到最终的发射信号S(t)，表达式为

(1)

1.2 接收机模型

脉冲选择MIR UWB通信系统的接收机模型如图2所示。该模型采用相干接收的方法。在接收端，由于PSWF脉冲在时域/频域的双正交特性，不需要设置带通滤波器去分离各个子带脉冲。因此，接收信号r(t)首先与L个支路的模板信号vi(t)进行相关，其中，模板信号采用与发端相同的PSWF脉冲。由发射端的数据映射算法可知，只有r个支路有信号发射，则可以在相关器之后，利用最大值判决器找出相关器输出绝对值最大的r个支路。之后，利用数据逆映射算法[5]和并串转换可以恢复出来发送的数据信息。

图2 接收机模型

2 多用户系统模型

脉冲选择MIR UWB通信系统的多用户系统发射端模型如图3所示。假设系统中存在若干个用户，第n个用户的发送数据D(n)首先经过串/并变换，再经过数据映射，得到待调制数据a(n)，然后进行TH-2PAM调制[8]，每个用户会分配一个不同的跳时序列；之后将多个调制信号相加得到第n个用户的基于脉冲选择的MIR UWB信号，有

(2)

a(n)——第n个用户的待调制数据；

在接收端，采用单用户接收机结构，如图2所示，并假设传输信道为加性高斯白噪声信道。当用户数目Nu同时存在于系统中时，接收机接收解调第n个用户的信息，并假设第n个用户的接收机已知传输延时和信道衰落的影响，即完成同步，进入接收机的其他用户信号为多用户干扰。接收信号可表示为

R(t)=AnS(n)(t-τn)+nmui(t)+n(t)，

(3)

式中：An——信道衰落，

τn——第n个用户的传输延时；

nmui(t)、n(t)——进入接收机的多用户干扰和信道高斯噪声。

由此，按照图2中介绍的接收过程，即可恢复出用户n的发送数据。

图3 多用户系统发射端模型

3 性能仿真与结果分析

仿真时，假设在高斯白噪声信道条件下，且对于主接收用户来说接收机已完全同步。利用图3所示的多用户系统模型，对系统的多用户性能进行仿真和分析。系统采用PSFW脉冲作为基本脉冲，其他仿真条件如表1所示，同时列出对比系统常规MIR UWB系统的仿真参数。

表1 系统仿真参数设置

基于脉冲选择的MIR UWB通信系统分别在2/3/4/8个用户的情况下，进行系统BER性能的仿真，选择的子带数目不同，系统每次可以传输的比特数目不同，进而系统的传输速率不同。当L=15，r=2时，K=8 bits，L=15，r=4时，K=14 bits，图4所示为这两种情况下系统BER性能对比曲线(同步情况)。由图4中可知，随着传输比特数/速率(vEN)的增大，系统的BER性能会有所降低。因为，传输比特数目增加意味着每次选择发射的子带脉冲数目r的增加，在接收端同时正确判决的概率会有所降低，进而导致系统性能的变差。

图4 不同传输速率时系统BER性能曲线

Fig. 4 BER performance curve of different transmission rates

同时，在2/3/4/8个用户的情况下，进行系统BER性能的仿真，在L=15，r=2，K=8 bits情况下，与常规MIR UWB系统进行比较，比较时保证两系统的数据传输速率相同。仿真分为同步和异步两种情况，见图5。

a 同步情况

b 异步情况

Fig. 5 Multi-user system BER performance curve

由图5可见，随着用户数目的增加，同步和异步两种情况下，两个系统的BER性能都随之降低，并且，基于脉冲选择的MIR UWB通信系统的BER性能在大信噪比条件时，都优于常规MIR UWB系统。

4 结束语

针对脉冲选择MIR UWB通信系统，提出一种采用跳时方式的多用户系统模型，并进行了系统性能的仿真研究。在2/3/4/8用户时，进行系统BER性能仿真，在L=15，r=2，K=8 bits情况下，与常规MIR UWB系统进行比较，比较时保证两系统的数据传输速率相同，仿真分为同步和异步进行。结果表明，基于脉冲选择的MIR UWB通信系统的多用户模型，其BER性能在大信噪比情况下优于常规MIR UWB通信系统，并且还能通过对参数L和r值的改变，灵活调整系统的数据传输速率。

[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] 齐 琳, 李 超, 窦 峥. 并行组合脉冲MIR UWB通信系统建模与仿真[J]. 北京邮电大学学报, 2016, 3(1): 74-78.

[5] 衣 强. 并行组合扩频系统抗干扰技术及映射算法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2007.

[6] 李北明, 王 俊, 薛 伟, 等. 基于循环映射算法的并行组合扩频通信[J]. 系统工程与电子技术， 2016, 38(7): 1654-1659.[7] 侯文君, 王红星, 王 瑛. 基于PSWF的TH-PPM超宽带系统优化设计与仿真[J]. 海军航空工程学院学报， 2012, 27(6): 618-622.

[8] 葛利嘉, 朱 林, 袁晓芳, 等. 超宽带无线电技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

(编辑 晁晓筠 校对 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

国家自然科学基金项目(51474100)

张洪全( 1979-)，男，黑龙江省林口人，讲师，硕士，研究方向: 矿井通信与无线通信，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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