基于TDL阵列天线和波形OMF的IR-UWB空时干扰消除方法

⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 1（2015）71www.elsevier.com/locate/icte基于TDL阵列天线和波形OMF的IR-UWBTakumi Kobayashia，Masato Suzukia，Chika Sugimotob，Ryuji Kohnoba日本横滨国立大学物理、电气和计算机工程系 b接收日期：2015年1月25日;接受日期：2015年2015年9月14日在线发布摘要提出了一种基于抽头延迟线阵列天线和正交匹配滤波器相结合的超宽带通信系统空时干扰消除方法。为了减少来自使用重叠频带的其他系统的干扰，已经提出了诸如阵列天线的空间域信号处理。然而，主阵天线不能应用于脉冲无线电（IR）UWB，因为IR-UWB没有载波信号。本文提出了一种新的抽头延迟线阵列天线结合正交匹配滤波器检测器。数值仿真结果表明，该系统可以使零陷方向与干扰信号方向一致。此外，我们表明，该系统可以减少干扰信号，即使干扰信号具有等效的脉冲形状和等效的到来方向。2015年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：超宽带;干扰抵消;抽头延迟线;阵列天线;正交匹配滤波器1. 介绍超宽带（UWB）通信用于各种需要高可靠性的近场无线设备，例如近年来用于医学信息通信技术（MICT）的无线体域网（WBAN）。特别是由于其极低的功率谱密度而具有高可靠性和安全性的特点，满足了MICT对无线通信的要求[1]。美国联邦通信委员会（FCC）将UWB通信的频带定义为3.1 GHz至10.6 GHz [2]。因此，这意味着存在这样的可能性，即存在共享相同或重叠频带的现有各种UWB系统，即使这些UWB系统不用于MICT。由于这个原因，用于MICT的UWB系统容易受到来自其他现有UWB系统的干扰。作为一种空间干扰消除方法，线（TDL）阵列天线已经被提出[3]。该方法实现了波束成形，用于将天线增益在*通讯作者。电子邮件地址：kobayashi-takumi-ch@ynu.jp（T. Kobayashi）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。所需信号的方向，以及用于将天线增益抑制转向诸如干扰源的非所需信号的方向的调零。然而，由于脉冲无线电超宽带（IR-UWB）没有载波，基于主TDL阵列天线的零陷控制不能应用于UWB系统。在我们以前的工作中，已经提出了基于脉冲波形的正交匹配滤波器（OMF）的时间干扰消除[4]。 为了实现更可靠的超宽带系统，本文提出了一种结合TDL阵列天线和OMF的空时干扰消除方法。本文的组织结构如下。建议系统及其优化设计在第2节中描述。第3节描述了数值评估条件，这些结果和讨论。第四节是本文的结论。2. 系统模型与优化设计图1显示了我们的提案系统模型。建议系统有N个天线和天线分支。每个天线支路由模拟延迟器、采样器和带权系数Cn（t）的数字抽头延迟线（TDL）组成。模拟延迟时间http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2015.09.0062405-9595/c2015韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。72T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）71−r（t）=<$rn（ t−ts（ K−2））<$KKSKn−sinθu，（2）ν0（）如下彼此k=0u=0u=0u=0天线（n=（N-1）/ 2）可以表示为U−1su（ t）=au（ t） bu（ t） gu（ t），（4）其中au（ t）、 bu（ t）和gu（ t）分别是第u个用户的脉搏波形、数据和接收幅度。因此，到达每个天线的其他信号可以写为U−1Fig. 1. 简化拟议系统结构。在这里，我们研究模拟延迟的最佳延迟时间装置δn.为了检索所需的用户δn= −τ0，n.（六）结果，通过每个分支的延迟器件之后的接收信号可以被写为：U−1在每个分支的采样器处，接收和延迟的信号被采样到离散时域。采样信号矢量定义为：rn（ t−ts（ K−1））图二. 围绕提案制度的情况举例。延迟器件和TDL分别定义为δn和采样间隔ts。图2示出了围绕具有3个天线（N=3）和两个用户（U=2）的提议系统的简单情况示例。当所需用户nU−1=u=0U−1=u=0.rn（ t）su（t+τu， n+δn）au（t+τu， n+δn）而另一个用户的信号来自方向θ1，. . . ，θU1，则第u个用户的信号在中心天线（图2示例中的天线1）和另一个第n个天线之间的传播距离的差被表示为·bu（t+τu，n+δn）·gu（t+τu，n+ δn）。（八）采样信号进入具有系数的TDLcn（t−（K−1）ts）N−1−c（t）=<$cn（ t−（K−2）ts）<$，（9）n= −n2N−1 dscos2−θun.cn（ t）= −n −2dssinθu（1）其中K是TDL的抽头数。在我们的建议系统中，抽头系数是确定的其中Ds是天线之间的距离。结果，第u所述时间差写为以与用于时间干扰消除的OMF相同的方式。现在我们定义一个正交基为p（t）= [p（ t−（K−1）t）· · ·p（ t）]T，（10）N−12其中T是转置。此外，将p0（t）设置为等于期望波形a 不另一个p相互正交，其中v是传播速度。现在，我们假设天线的数量N是奇数。中心收到信号p tTpt1（k l）x（N−1）/2（t）=su（ t），（3）xn（ t）=su（t + τu，n）.（五）rn（ t）=su（t+τu，n+ δn）.（七）τu， n=−T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）7173=（）（）=k l0（否则）。（十一）74T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）71×××≤m（））表1评价条件。参数值天线间距（m）0.45每个符号的样本数量31采样间隔; ts0。410−9调制双极调制用户总数3用户0（期望信号）0阶MHP用户1的波形（干扰信号）二阶MHP用户2（干扰信号）CoU脉冲期望信号的到达角;θ0（度）−10或 0非期望信号的到达角;θ1=θ2（度）30和−60或0和0当我们将抽头系数定义为K−1被用作期望的用户信号。此外，UWB（CoU）脉冲波形上的不同阶次MHP和啁啾被用于干扰信号。m阶MHP定义为cn（t）=p0+k=1pk（t）wk， n，（12）h t=−1m实验室24米exp2（二十）可以表示为从Ref。[5]。CoU脉冲波形由下式给出：zn（t）= a0（t）T p0（t）b0（t） g0（t）U−1aCoU（ t）=href（t）exp<$−jπβt2/2<$−T/2≤t≤T/2+u=1a0（t）Tsu（t+τu，n+δn）0否则4cos<$（ 1+γ）πt/Tp<$+sin[（1−γ）πt/Tp]U−1K−1su（t+τu，n+δn）Tpk（t）wk，n.（十三）href（ t）=γππTp1−4γ（t/Tp）4γt/Tp2，（21）u=1k= 1右手边的第二项表示干扰，第三项是具有加权时间干扰消除其中，β、γ和Tp是啁啾速率（带宽/持续时间CoU脉冲）、滚降因子和脉冲长度[6]。系数因此，当方程a0（t）T au（t+τu， n+δn）wk， n满足以下在本文中，我们使用2。010 17，0.5和2。0 10−9 作为β，γ和Tp。另外，根据Gram-Schmidt正交化方法，构造了正交基pk（t）为了与建议的方法进行比较，TDL阵列和K−1= −k=1au（t+τu，n+δn）Tpk（t）wk， n使用α0（t）作为抽头系数的天线被用作常规系统，并且在相同的情况下对其进行评估。其他模拟参数如表1所示。本文在分析了现有文献的基础上，（u = 1，2，. . . ，U − 1）（14）可以从TDL的输出中减少干扰信号。当量式（14）可以用方框I中给出的矩阵形式表示，Bn定义为式（18）。因此，在条件Uk下，该OMF系统可以通过使用最佳权重来Wn=−B−n1An.（十九）当U K<时，不定义逆矩阵B-1，因为相关矩阵B不是满秩的。然而，在这种情况下，我们可以得到最佳解决方案，使用伪逆矩阵满足最小欧几里德范数代替逆矩阵。3. 数值评价与讨论为了研究性能的最佳设计方法，我们评估的方向性特性，并与传统的TDL阵列天线。在该模拟中，通过（6）和（19）计算最佳延迟时间δn和最佳抽头系数ck（t）。修正厄米脉冲（MHP）其中w为OMF的权重系数每个分支的输出k，n（/dtm/、+T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）7175我们假设脉冲同步被完全执行。另外，从最大性能评价的意义出发，本文没有考虑多径效应和MMSE算法。图图3和图4分别示出了传统TDL阵列天线和我们的方案的数值评估结果。如图3所示，最大增益方向朝向期望信号方向。这意味着我们提出的系统作为波束形成器对所需的信号。此外，我们的系统还可以使零方向朝向干扰的入射方向.在干扰信号是类似脉冲波形的情况下，常规TDL阵列天线不能充分减小干扰，如图4中用户2的结果所示。另一方面，我们的建议系统可以减少这种干扰的OMF有效地结合。在所有用户信号来自同一方向的另一种情况下在我们的建议中，这一特点是通过OMF的行动来实现的。另一方面，传统的TDL阵列天线不能减少76T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）71- -==-- -==-An= − BnWn，哪里（十五）Wn=W1，n···wK−1，n<$T，（十六）An=0a0（t）T a1（t+τ1，n+δn）.但是，（十七）Bn=0a0（t）T aU−1（t+τU−1，n+δn）a1（t+τ1，n+δn）Tp1（t）a1（t+τ1，n+δn）T pK−1（t）.. ...a U−1（t+τU−1，n+δn）T p 1（t）· ··aU−1（t+τU−1，n+δn）T pK−1（t）（十八）方框一图三.针对所提出的系统的每个信号源的方向性特性。到达角θ0、θ1和θ2分别为30度、60度和0度。（最大增益归一化为0 dB。）图五.针对所提出的系统的每个信号源的方向性特性。到达角θ0 θ1 θ20度。（最大增益为标准化为0 dB。）见图4。传统TDL阵列天线对各信号源的指向性特性。到达角θ0、θ1和θ2分别为30度、60度和0度。（最大增益已归一化。）见图6。传统TDL阵列天线对各信号源的指向性特性。到达角θ0θ1θ20度。（最大增益归一化为0 dB。）T. Kobayashi等人/ICT Express 1（2015）7177干扰如图6所示。在该图中，我们可以看到用户1的输入信号减少。这种现象不是由空间干扰消除引起的，而是由于MHP的正交性而引起的。4. 总结发言本文提出了一种基于TDL阵列天线和OMF相结合的空时干扰抑制方法用最优设计方法进行了数值计算.数值计算结果表明，该系统能将零指向干扰源方向。此外，我们的建议可以减少的影响，即使所有的干扰信号来自同一方向，通过使用OMF。结果表明，该方案具有时空干扰消除的作用，可以提高UWB通信系统的可靠性作为以后的工作，我们将讨论该系统的自适应算法。引用[1] 王建清，王琼，体域通信：信道建模、通信系统和EMC，约翰·威利&新加坡公司。有限公司、2013年。[2] 美国联邦通信委员会，新的公共安全应用-FCC超宽带技术授权所设想的使用中的网络和宽带互联网接入。可用：https：//transition.联邦通讯委员会gov/Bureaus/EngineeringTechnology/NewsReleases/2002/nret0203.HTML.[3] N. Noori，宽带抽头延迟线阵列天线的优化，伊朗。J.Electron.Eng.10（2）（2014）91[4] Takumi Kobayashi，Chika Sugimoto，Ryuji Kohno，干扰缓解假设多用户和多系统环境，使用具有修改的厄米脉冲的正交匹配滤波器用于UWB-BAN的方法，在：Proc.9th International Symposiumon Medical Information and Communication Technology，Kamakura，Japan，2015年3月，pp.24比26[5] Mohammed Ghavami，Lachlan B.李文，一种新型的超宽带脉冲波形调制系统，无线通信。Pers. Commun. 23（1）（2002）105[6] IEEE标准协会，802.15.4-2011和城域