论文摘要
超宽带（UWB）是一种新型的利用极短持续时间脉冲来传输信息的无载波通信方式,它主要应用于短距离无线通信中。UWB技术具有很多优点,包括功耗小、系统复杂度低、多址能力强、系统容量大和能够提供精确地定位服务等。但是其也同时面临着诸多技术挑战。由于其具有很大的带宽,为了避免和其他系统相互干扰,UWB的功率始终被限制在一个较低水平。这就限制了UWB的通信距离。UWB信道是一个高频率选择性信道,往往具有几百条多径,最大多径时延达到几百纳秒。为了避免强烈的码间干扰,相邻脉冲的时间间隔往往设置得非常大。这就限制了UWB的实际通信速率。多天线（MIMO）技术因其能够传输并行数据（复用）来提高传输率；发送或接收同一数据的多个副本（分集）来提高检测信噪比,而必将成为未来无线通信网络中应用最为广泛的物理层技术。本论文主要围绕多天线超宽带（MIMO-UWB）系统展开,对如何利用多天线应对UWB系统中的技术挑战作了深入研究,提出了针对MIMO-UWB系统的两种预处理算法、一种检测算法及其两种改进型算法。此外,还提出了一种单天线非相干UWB系统的新型调制算法。首先,本文提出了一种基于时间反转技术的MIMO-UWB预处理算法。现存时间反转预处理可以将复用系统的多数据流干扰压制到一定程度,但是其对信道估计要求极高,需要估计所有并行信道。提出的预处理算法降低了现存预处理算法对信道估计复杂度和预处理滤波器个数的要求,使得其应用更加灵活。同时我们论述了,所提算法需服从的具体准则：信道选择准则。该准则能将等效信道矩阵构造为良态矩阵,等效地提供了更高系统容量。接着,本文提出了一种能够同时消除多流干扰及码间干扰的空时预均衡算法。为了获得极高数据率,我们利用多天线传输并行数据流,并且符号时间设置得远远小于最大多径时延。此时,系统中存在严重的干扰：多数据流干扰及码间干扰。本文提出在发送端获得所有信道状态信息的前提下,就可以利用该信息将多流干扰及码间干扰完全消除,从而使系统在高数据率传输信息时,仍然获得极佳的检测性能。所提算法首先使用时间反转将干扰压制到一定程度,然后用迫零空时均衡将干扰完全消除。所提算法的干扰消除操作比现存算法对发送自由度（发送天线数）要求更低。当系统数据速率达到G比特量级时,采用所提算法的系统仍然获得了出色的误码性能。我们还提出了一种简洁的信道估计算法,使用该信道估计算法为预处理提供信道状态信息,研究了所提预处理算法对信道估计误差的鲁棒性。然后,本文提出了一种适合差分空时块码编码的MIMO-UWB系统的非相干多符号差分检测算法和它的两种改进型算法。逐符号差分检测可以在不知道信道信息时使差分MIMO-UWB系统获得空间分集增益。但是,相较于理想相干接收,非相干接收总会有一定性能损失。我们通过广义似然比检验理论推导出了多符号差分检测的度量函数。随着观察窗长度增加,多符号差分检测算法性能随之提升,向相干检测接近,但是其码字的穷搜索过程的复杂度也随之呈指数级增长。为了降低所提算法复杂度,使其适合UWB系统对实现复杂度低的要求,我们对检测度量函数做了等价变形,使得球译码算法能够被应用到所提算法。球译码算法通过有导向的搜索能够有效降低复杂度,但是在大观测窗时,系统计算量仍然难以忍受。我们又提出次优的判决反馈方法,该方法使搜索复杂度不随观测窗长度增加而增加,而错误传播引起的性能下降非常小,更具有实用价值。最后,本文提出了一种针对非相干单天线UWB系统的调制方法。该方法将不同数目的正交码字分层复用,所有层相互叠加,然后块编码调制UWB脉冲后同时传输。其具有高效率的特点,相比于同类算法能够传输更多的信息。同时利用码字匹配能量聚集方式联合检测复用的码字,其性能能够得到保障。所以,所提算法从误比特率性能的角度优于现存其他非相干方法。