基于MIMOUWB通信系統(tǒng)AOA估計(jì)的算法仿真優(yōu)化研究

張?chǎng)H 沈重 周暉

摘 ?要： UWB技術(shù)的應(yīng)用無論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外主要還是用于定位系統(tǒng)。與常規(guī)的無線通信技術(shù)相比，UWB 還具有容量大、速率高、功率低等突出優(yōu)點(diǎn)，UWB信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸性能方面也有著很大的優(yōu)勢(shì)。本文提出了一種在UWB MIMO系統(tǒng)中結(jié)合AOA估計(jì)的方法，先對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行定位，然后位置信息同其他檢測(cè)數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送到基站，有利于實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中還能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位的功能。采用MIMO技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)來說可以提高頻譜效率，改善系統(tǒng)性能，AOA估計(jì)方面利用多天線可以實(shí)現(xiàn)精確的定位精度。

關(guān)鍵詞： UWB;AOA估計(jì);MIMO技術(shù);數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)： TN911.23 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.055

本文著錄格式：張?chǎng)H，沈重，周暉. 基于MIMO UWB通信系統(tǒng)AOA估計(jì)的算法仿真優(yōu)化研究[J]. 軟件，2020，41（08）：205-208+216

【Abstract】： The application of UWB technology is mainly used in positioning system both at home and abroad. Compared with conventional wireless communication technology， UWB also has outstanding advantages such as large capacity， high speed and low power， and UWB signal also has great advantages in data transmission performance. In this paper， a method of combining AOA estimation in UWB MIMO system is proposed， which first locates the location of the tag， and then the location information is packaged and sent to the base station together with other detection data， which is beneficial to realize the function of real-time accurate positioning of the location of data transmission in the process of data transmission. The use of MIMO technology for the system can improve the spectrum efficiency and improve the system performance. In the aspect of AOA estimation， multiple antennas can be used to achieve accurate positioning accuracy.

【Key words】： UWB; AOA estimation; MIMO technology; Data transmission

0 ?引言

目前，UWB技術(shù)被普遍用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，用它傳輸數(shù)據(jù)的研究相對(duì)較少。與常規(guī)的無線技術(shù)相比，UWB通信技術(shù)最大的特點(diǎn)是帶寬很寬、速率快、抗干擾性強(qiáng)，相對(duì)于窄帶或?qū)拵盘?hào)，它可以提供比窄帶或?qū)拵盘?hào)更豐富的信息，在數(shù)據(jù)傳輸性能方面也有著很大的優(yōu)勢(shì)，是室內(nèi)通信系統(tǒng)的良好選擇。本文提出將UWB MIMO系統(tǒng)與UWB定位技術(shù)相結(jié)合的思想，在室內(nèi)環(huán)境中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信的同時(shí)又能獲取到其位置信息。該方法可廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療，軍事，消防，環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，如實(shí)時(shí)檢測(cè)醫(yī)院患者的生理參數(shù)，在患者未感覺到不適，但是參數(shù)異常有潛在的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的情況下，醫(yī)生可以準(zhǔn)確定位到患者的位置，及時(shí)做出響應(yīng)的預(yù)防;消防方面利用無人機(jī)、智能機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行自主尋找探測(cè)受困人員并準(zhǔn)確快速的進(jìn)行定位，并及對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可方便消防人員制定高效、準(zhǔn)確的營(yíng)救方案[1-2]。

FCC對(duì)超寬帶的發(fā)射功率作了限制規(guī)定，為了在此限制下獲得期望性能人們將MIMO技術(shù)應(yīng)用到UWB通信系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)高通信容量和頻譜利用率，同時(shí)還提高了信道的可行性，降低誤碼率。本文提出了UWB MIMO系統(tǒng)模型，研究了系統(tǒng)的傳輸方案，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真分析，使用MUSIC算法實(shí)現(xiàn)了UWB信號(hào)的AOA估計(jì)。

1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文研究的是搭建一個(gè)室內(nèi)定位及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)又能獲取到位置信息。主要思想是通過UWB室內(nèi)定位技術(shù)獲取到標(biāo)簽的位置參數(shù)，然后將位置參數(shù)同標(biāo)簽上的其他數(shù)據(jù)一起打包發(fā)給基站，基站再通過串口將數(shù)據(jù)傳到PC上位機(jī)。在定位部分使用MUSIC算法實(shí)現(xiàn)了UWB信號(hào)的AOA估計(jì)，基站發(fā)出UWB信號(hào)，標(biāo)簽接收到信號(hào)后進(jìn)行算法運(yùn)算得到基站相對(duì)標(biāo)簽的角度，再根據(jù)幾何關(guān)系算出標(biāo)簽相對(duì)基站的角度[3-5]。數(shù)據(jù)通信部分將MIMO技術(shù)引入到MB-OFDM UWB系統(tǒng)中搭建一個(gè)MIMO UWB系統(tǒng)模型。在MB-OFDM UWB系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)可以明顯提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，并且在接收端使用多天線分集技術(shù)可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能，彌補(bǔ)多徑帶來的損耗，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

2 ?基于MUSIC算法的AOA估計(jì)

室內(nèi)傳播環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)的多徑傳播帶來的影響很難對(duì)信號(hào)的到達(dá)角度（AOA）進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。MUSIC算法是一種高分辨率特征的結(jié)構(gòu)算法，根據(jù)天線陣列形式就可以對(duì)入射信號(hào)數(shù)目、到達(dá)角度及波形的強(qiáng)度做出無偏估計(jì)得到高分辨的估計(jì)結(jié)果。

2.1 ?MUSIC算法基本原理

來自不同方向入射平面波的接收天線陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示。 個(gè)信號(hào)從 個(gè)不同方向到達(dá)，被一個(gè)有 個(gè)權(quán)值的 個(gè)陣元的天線接收。每個(gè)接收信號(hào) ?都含有加性、零均值、高斯噪聲。時(shí)間由第 個(gè)采樣時(shí)刻表示。

2.2 ?算法仿真及分析

影響基于MUSIC算法AOA估計(jì)性能的因素有信噪比、采樣數(shù)、陣元數(shù)、入射角度等。下面分別針對(duì)在不同信噪比和不同陣元天線條件下的MUSIC算法性能的比較進(jìn)行MATLAB仿真和分析。仿真參數(shù)為：兩個(gè)到達(dá)角30和60，陣元間距 ，采樣數(shù) ，圖3中真元天線個(gè)數(shù) ，a圖中噪聲方差為0.1，b圖中的噪聲方差為0.001。圖4中噪聲方差為0.1，陣元天線分別為2和4。

比較上圖可以發(fā)現(xiàn)在基于MUSIC算法的AOA估計(jì)中，噪聲方差越小即信噪比越大時(shí)其分辨率越高，AOA估計(jì)性能越好。由圖3可以看出陣元天線數(shù)量越多，AOA估計(jì)性能越好。

3 ?UWB MIMO通信系統(tǒng)

UWB MIMO通信系統(tǒng)部分將MIMO技術(shù)引入到MB-OFDM UWB系統(tǒng)中搭建一個(gè)MIMO UWB系統(tǒng)模型[6-9]。MB-OFDM UWB系統(tǒng)將3.1～10.6 GHz頻段劃分成14個(gè)帶寬為528 MHz的子帶。系統(tǒng)利用很窄的時(shí)域OFDM碼傳送信號(hào)， 同時(shí)通過時(shí)頻交織（TFI），的方式使得無論任何時(shí)刻只在一個(gè)子頻帶進(jìn)行傳輸，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，可以在小的多的寬帶上處理信息，不僅降低了設(shè)備的復(fù)雜性、功耗及成本，而且還能提高頻譜的利用率和靈活性，有助于在全球范圍內(nèi)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在OFDM各個(gè)子載波和各發(fā)送天線間采用空頻分組編碼（SFBC）技術(shù)，同時(shí)獲得空間分集和頻率分集，從而降低信道誤碼率提高可靠性。

4.3 ?SFBC編碼技術(shù)應(yīng)用于UWB MIMO系統(tǒng)

本文選用2×2的雙輸入雙輸出天線來實(shí)現(xiàn)SFBC編碼技術(shù)。SFBC的主要思想是在空間和頻率兩個(gè)維度上安排數(shù)據(jù)流的不同版本，可以有空間分集和頻率分集的效果。在天線1上，兩個(gè)符號(hào) 、 分別安排在兩個(gè)相鄰的子載波上，在天線2上，這兩個(gè)符號(hào)調(diào)換一下子載波的位置，把它們的另一個(gè)版本 、 分別放在這兩個(gè)子載波上。如圖7為SFBC編碼技術(shù)原理示意圖。

本系統(tǒng)的主要應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境，所以選擇了傳輸距離為0～4 m的LOS環(huán)境下CM1信道和NLOS環(huán)境下的CM2信道進(jìn)行仿真比較。從仿真圖可以看出在信道信噪比相同的情況下，采用了SFBC編碼技術(shù)的MIMO UWB系統(tǒng)的誤碼率相比傳統(tǒng)的SISO UWB系統(tǒng)降低了很多。從圖9可以看出NLOS環(huán)境下多徑干擾強(qiáng)，信道頻率選擇性的不斷增大，采用SFBC碼所帶來的系統(tǒng)性能的提升越來越小。誤比特率為10-2時(shí)，LOS環(huán)境下系統(tǒng)性能改進(jìn)了2 dB，NLOS環(huán)境下只改進(jìn)了1.5 dB，對(duì)比兩個(gè)仿真圖雖然采用MIMO UWB系統(tǒng)整體性能有所提高，但是在復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)性能還有待繼續(xù)優(yōu)化。

5 ?總結(jié)

本文研究了基于MIMO UWB通信系統(tǒng)AOA估計(jì)的算法仿真優(yōu)化，并將定位到的數(shù)據(jù)同其他檢測(cè)數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送到基站，有利于實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中還能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位的功能。文章采用MUSIC算法實(shí)現(xiàn)了AOA估計(jì)，通過仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)分析可得出信噪比、陣元天線數(shù)量與角度分辨率、AOA估計(jì)性能成正比趨勢(shì)，是AOA估計(jì)性能的優(yōu)越的重要因素。MIMO UWB通信系統(tǒng)中采用了SFBC編碼技術(shù)，與傳統(tǒng)的UWB通信系統(tǒng)相比，系統(tǒng)性能有了很大的提高。系統(tǒng)還可以繼續(xù)優(yōu)化，目前定位部分只研究了角度估計(jì)，下一步可將AOA與TDOA相結(jié)合來達(dá)到精準(zhǔn)定位的效果，MIMO UWB通信部分可通過增加天線陣列、優(yōu)化編碼技術(shù)等方法進(jìn)一步提高NLOS環(huán)境下的系統(tǒng)性能。

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