[[alternative]]Ber reduction by smart UWB antenna array in indoor wireless communication

碩士[[abstract]]近年來由於超寬頻通信系統的短距離、低功率的寬頻傳輸特性使其成為目前無線通訊中的新寵。已有許多超寬頻通訊在室內傳輸的相關文獻已經被發表，其大多研究是以量測方式找出影響通道的統計參數後，並分析在此通道統計模型下的系統傳輸錯誤率。本研究的目標是希望利用天線場型的調整，使得系統傳輸位元錯誤率能夠最低。其中的要件除了通訊系統的參數之外，還包括室內環境多路徑傳輸效應的影響，因此要解決這樣的問題可以看成一種求解最佳化的問題。由於基因法則的好處在於不須列出變數和因變數的明顯數學關係亦能找出最佳解，因此本研究使用基因法則作為最佳化的工具。和一般以天線場型為目標函數所不同的地方是，本研究擬以降低室內通信傳輸位元錯誤率為目標函數，再利用基因法則作最佳化的調整，尋找出滿足最低傳輸位元錯誤率時的天線場型，此種場型最能滿足室內無線通訊的需求。 本研究首先利用射線追蹤法計算出任意給定室內環境之脈衝響應，根據已知的天線陣列以及考慮具同步電路的脈衝無線電超寬頻通訊系統，利用基因法則做最佳化的運算，尋找出當傳輸位元錯誤率最低時的天線場型以及系統的效能分析。並且將此結果應用在室內無線區域迴路的通訊上。 模擬結果顯示，透過基因演算法分別地調整天線陣列中每一個天線元件的信號聵入線長度，確實能在3GHz-6GHz合成出具有指向性的輻射場型。此一指向性輻射場型能提供以下優點。(1) 在接收端能有效地接收到每根天線所幅射出的能量，並進而提高接收端的訊雜比。(2) 此指向性輻射場型能有效地減少多路徑效應的發生，使得信號在通道中傳輸的延遲擴散降低。 (3) 可大幅降低位元錯誤率，提高通訊品質。[[abstract]]In this paper, a new ultra wideband circular antenna array(UCAA) combining genetic algorithm to minimize the bit error rate (BER) is proposed. The ultra wideband(UWB) impulse responses of the indoor channel for any transmitter-receiver location are computed by SBR/Image techniques, inverse fast Fourier transform and Hermitian processing. By using the impulse response of multipath channel, the performance of the binary pulse amplitude modulation (B-PAM) impulse radio (IR) UWB system with circular antenna array can be calculated. Based on the topography of the antenna and the BER formula, the array pattern synthesis problem can be reformulated into an optimization problem and solved by the genetic algorithm. The novelties of our approach is not only choosing BER as the object function instead of sidelobe level of the antenna pattern, but also consider the antenna feed length effect of each array element. The strong point of the genetic algorithm is that it can find out the solution even if the performance index cannot be formulated by simple equations. Simulation results show that the synthesized antenna array pattern is effective to focus maximum gain to the LOS path which scales as the number of array elements. In other words, the receiver can increase the received signal energy to noise ratio. The synthesized array pattern also can mitigate severe multipath fading in complex propagation environment. As a result, the BER can be reduced substantially in indoor UWB communication system.[[tableofcontents]]目錄 第一章 概論......................................... P.01 1.1 研究背景 ...................................... P.01 1.2 研究動機 ...................................... P.12 1.3 研究方法 ...................................... P.14 1.4 研究內容簡介 .................................. P.14 第二章 智慧型天線系統 ............................ P.16 2.1 智慧型天線的基本定義與工作原理 ................ P.16 2.2 智慧型天線的優點 .............................. P.18 2.3 智慧型天線的種類 .............................. P.22 2.3.1 切換波束式系統 .......................... P.22 2.3.2 自適性天線陣列系統 ..................... P.25 第三章 智慧型超寬頻天線陣列系統 .................. P.28 3.1 智慧型超寬頻天線陣列系統概述 .................. P.28 3.2 天線陣列技術 ................................... P.30 3.2.1 線性陣列 ............................... P.31 3.2.2 環形陣列 ............................... P.34 3.3 超寬頻天線陣列元件介紹 ......................... P.38 3.4 超寬頻環型天線陣列 ............................. P.47 第四章 UWB通道計算模型 ........................... P.58 4.1 無線電波傳播通道分析 ........................... P.58 4.2 通道計算模型分析 .............................. P.59 4.2.1 利用射線追蹤法計算出頻域響應 .......... P.61 4.2.2 利用何米特法與快速反傅立葉轉換計算出時域 響應 .................................... P.64 4.3 射線彈跳追蹤法程式流程分析 .................... P.67 4.4 系統模擬架構 .................................. P.70 4.4.1 發射訊號波形 .......................... P.70 4.4.2 位元錯誤率之計算 ......................... P.71 第五章 基因演算法 .................................. P.75 5.1 基因演算法概述 ................................ P.75 5.1.1 基本概述 ................................. P.76 5.1.2 編碼(encode)與解碼(decode) ............... P.79 5.2 基因演算法之三大運算 ........................... P.80 5.2.1 複製(reproduction) ....................... P.80 5.2.2 交配(crossover) ........................ P.81 5.2.3 突變(mutation) ........................... P.81 5.3 基因演算法之主要特性 ........................... P.83 5.4 基因演算法於合成輻射場型之應用 ................. P.84 第六章 數值模擬結果 ............................... P.86 6.1 模擬環境與參數設定 ............................. P.86 6.2 模擬結果分析與比較 ............................. P.89 6.2.1 單一接收點 ............................... P.91 6.2.1.1 CASE 1 ............................. P.91 6.2.1.2 CASE 2 ............................. P.109 6.2.1.3 CASE 3 ............................... P.127 6.2.2 多個接收點 ............................... P.144 6.2.2.1 CASE 4 ............................. P.144 6.2.2.2 CASE 5 ............................. P.161 第七章 結論 ...................................... P.178 參考文獻 ........................................... P.180 附錄 A ............................................ P.187 附錄 B ............................................ P.188 圖目錄 圖 1.1：超寬頻技術的發展時間表 ..................... P.01 圖 1.2：超寬頻通訊與窄頻通訊發射功率比較 ........... P.02 圖 1.3：FCC對超寬頻訊號的功率限制圖 ................ P.03 圖 2.1：智慧型天線同時服務兩個同頻道之用戶端示意圖.. P.16 圖 2.2：空間分隔多工系統方塊圖 ..................... P.17 圖 2.3：切換波束式系統示意圖 ....................... P.22 圖 2.4：切換波束式系統抗同頻干擾示意圖 ............. P.23 圖 2.5：切換波束式系統架構圖 ....................... P.24 圖 2.6：自適性天線陣列系統示意圖 ................... P.25 圖 2.7：自適性天線陣列系統架構圖 ................... P.26 圖 3.1：智慧型超寬頻天線陣列系統架構圖 ............. P.28 圖 3.2：含N個天線元件組成的線性陣列示意圖 ......... P.32 圖 3.3：CASE A的線性陣列輻射場型圖(X-Y平面) ....... P.33 圖 3.4：CASE B的線性陣列輻射場型圖(X-Y平面) ....... P.34 圖 3.5：含N個天線元件組成的環型陣列示意圖 ......... P.35 圖 3.6：環型陣列的輻射場型圖(X-Y平面) .............. P.37 圖 3.7：超寬頻偶極天線正面與背面俯視圖 ............. P.38 圖 3.8：超寬頻偶極天線透視圖 ....................... P.39 圖 3.9：超寬頻偶極天線模擬座標示意圖 ............... P.40 圖 3.10：超寬頻偶極天線在頻率2GHz到12GHz範圍內的S11圖 P.41 圖 3.11：超寬頻偶極天線3GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ... P.42 圖 3.12：超寬頻偶極天線4GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ... P.42 圖 3.13：超寬頻偶極天線5GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ... P.43 圖 3.14：超寬頻偶極天線6GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ... P.43 圖 3.15：超寬頻偶極天線7GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ... P.43 圖 3.16：超寬頻偶極天線3GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ... P.44 圖 3.17：超寬頻偶極天線4GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ... P.44 圖 3.18：超寬頻偶極天線5GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ... P.44 圖 3.19：超寬頻偶極天線6GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ... P.45 圖 3.20：超寬頻偶極天線7GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ... P.45 圖 3.21：超寬頻偶極天線3GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ... P.45 圖 3.22：超寬頻偶極天線4GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ... P.46 圖 3.23：超寬頻偶極天線5GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ... P.46 圖 3.24：超寬頻偶極天線6GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ... P.46 圖 3.25：超寬頻偶極天線7GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ... P.47 圖 3.26：超寬頻環型天線陣列示意圖 .................. P.48 圖 3.27：NOGA-UCAA 3GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ...... P.52 圖 3.28：NOGA-UCAA 4GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ...... P.52 圖 3.29：NOGA-UCAA 5GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ...... P.52 圖 3.30：NOGA-UCAA 6GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ...... P.53 圖 3.31：NOGA-UCAA 7GHz的輻射場型圖(X-Y平面) ...... P.53 圖 3.32：NOGA-UCAA 3GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ...... P.53 圖 3.33：NOGA-UCAA 4GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ...... P.54 圖 3.34：NOGA-UCAA 5GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ...... P.54 圖 3.35：NOGA-UCAA 6GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ...... P.54 圖 3.36：NOGA-UCAA 7GHz的輻射場型圖(Y-Z平面) ...... P.55 圖 3.37：NOGA-UCAA 3GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ...... P.55 圖 3.38：NOGA-UCAA 4GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ...... P.55 圖 3.39：NOGA-UCAA 5GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ...... P.56 圖 3.40：NOGA-UCAA 6GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ...... P.56 圖 3.41：NOGA-UCAA 7GHz的輻射場型圖(X-Z平面) ...... P.56 圖 4.1：求得通道脈衝響應的步驟圖 .................. P.60 圖 4.2：何米特程序的信號處理步驟與快速反傅立葉轉換過程 ... P.65 圖 4.3：信號經過何米特程序與快速反傅立葉轉換處理後之結果 ... P.66 圖 4.4：SBR/Image 程式流程圖 ....................... P.68 圖 4.5：傳送高斯二次微分脈波的波型示意圖 ..................... P.71 圖 4.6：FCC對室內及室外超寬頻系統的頻段及輻射能量限制圖 P.72 圖 5.1：基因演算法之流程圖 .......................................... P.78 圖 6.1：模擬環境平面圖 ................................................ P.86 圖 6.2：GA-UCAA 3GHz的3D輻射場型圖(CASE 1) ......... P.92 圖 6.3：GA-UCAA 4GHz的3D輻射場型圖(CASE 1) ......... P.92 圖 6.4：GA-UCAA 5GHz的3D輻射場型圖(CASE 1) ......... P.93 圖 6.5：GA-UCAA 6GHz的3D輻射場型圖(CASE 1) ......... P.93 圖 6.6：GA-UCAA 7GHz的3D輻射場型圖(CASE 1) ......... P.94 圖 6.7：GA-UCAA 3GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 1) ... P.94 圖 6.8：GA-UCAA 4GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 1) ... P.95 圖 6.9：GA-UCAA 5GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 1) ... P.95 圖 6.10：GA-UCAA 6GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 1) ... P.96 圖 6.11：GA-UCAA 7GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 1) ... P.96 圖 6.12：GA-UCAA 3GHz的 輻射場型圖(CASE 1) ..... P.97 圖 6.13：GA-UCAA 4GHz的 輻射場型圖(CASE 1) ..... P.97 圖 6.14：GA-UCAA 5GHz的 輻射場型圖(CASE 1) ..... P.98 圖 6.15：GA-UCAA 6GHz的 輻射場型圖(CASE 1) ..... P.98 圖 6.16：GA-UCAA 7GHz的 輻射場型圖(CASE 1) ..... P.99 圖 6.17：TX(OUA) – RX 1 之通道脈衝響應圖(CASE 1) ......... P.102 圖 6.18：TX(NOGA-UCAA) – RX 1之通道脈衝響應圖(CASE 1) P.103 圖 6.19：TX(GA-UCAA) – RX 1之通道脈衝響應圖(CASE 1) ... P.103 圖 6.20：三種天線在CASE 1中位元錯誤率比較圖 ............... P.107 圖 6.21：GA-UCAA的適應值在(CASE 1)中搜尋過程變化趨勢圖 P.108 圖 6.22：GA-UCAA 3GHz的3D輻射場型圖(CASE 2) ......... P.109 圖 6.23：GA-UCAA 4GHz的3D輻射場型圖(CASE 2) ......... P.110 圖 6.24：GA-UCAA 5GHz的3D輻射場型圖(CASE 2) ......... P.110 圖 6.25：GA-UCAA 6GHz的3D輻射場型圖(CASE 2) ......... P.111 圖 6.26：GA-UCAA 7GHz的3D輻射場型圖(CASE 2) ......... P.111 圖 6.27：GA-UCAA 3GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 2) ... P.112 圖 6.28：GA-UCAA 4GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 2) ... P.112 圖 6.29：GA-UCAA 5GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 2) ... P.113 圖 6.30：GA-UCAA 6GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 2) ... P.113 圖 6.31：GA-UCAA 7GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 2) ... P.114 圖 6.32：GA-UCAA 3GHz的 輻射場型圖(CASE 2) .... P.114 圖 6.33：GA-UCAA 4GHz的 輻射場型圖(CASE 2) .... P.115 圖 6.34：GA-UCAA 5GHz的 輻射場型圖(CASE 2) .... P.115 圖 6.35：GA-UCAA 6GHz的 輻射場型圖(CASE 2) .... P.116 圖 6.36：GA-UCAA 7GHz的 輻射場型圖(CASE 2) .... P.116 圖 6.37：TX(OUA) – RX 2 之通道脈衝響應圖(CASE 2) ......... P.119 圖 6.38：TX(NOGA-UCAA) – RX 2 之通道脈衝響應圖(CASE 2) P.120 圖 6.39：TX(GA-UCAA) – RX 2 之通道脈衝響應圖(CASE 2) ... P.120 圖 6.40：三種天線在CASE 2中位元錯誤率比較圖 ............... P.124 圖 6.41：GA-UCAA的適應值在(CASE 2)中搜尋過程變化趨勢圖 P.126 圖 6.42：GA-UCAA 3GHz的3D輻射場型圖(CASE 3) ......... P.127 圖 6.43：GA-UCAA 4GHz的3D輻射場型圖(CASE 3) ......... P.128 圖 6.44：GA-UCAA 5GHz的3D輻射場型圖(CASE 3) ......... P.128 圖 6.45：GA-UCAA 6GHz的3D輻射場型圖(CASE 3) ......... P.129 圖 6.46 ：GA-UCAA 7GHz的3D輻射場型圖(CASE 3) ......... P.129 圖 6.47：GA-UCAA 3GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 3) ... P.130 圖 6.48：GA-UCAA 4GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 3) ... P.130 圖 6.49：GA-UCAA 5GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 3) ... P.131 圖 6.50：GA-UCAA 6GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 3) ... P.131 圖 6.51：GA-UCAA 7GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 3) ... P.132 圖 6.52：GA-UCAA 3GHz的 輻射場型圖(CASE 3) ..... P.132 圖 6.53：GA-UCAA 4GHz的 輻射場型圖(CASE 3) ..... P.133 圖 6.54：GA-UCAA 5GHz的 輻射場型圖(CASE 3) ..... P.133 圖 6.55：GA-UCAA 6GHz的 輻射場型圖(CASE 3) ..... P.134 圖 6.56：GA-UCAA 7GHz的 輻射場型圖(CASE 3) ..... P.134 圖 6.57：TX(OUA) – RX 3 之通道脈衝響應圖(CASE 3) ......... P.137 圖 6.58：TX(NOGA-UCAA) – RX 3 之通道脈衝響應圖(CASE 3) P.137 圖 6.59：TX(GA-UCAA) – RX 3 之通道脈衝響應圖(CASE 3) ... P.138 圖 6.60：三種天線在CASE 3中位元錯誤率比較圖 ............... P.141 圖 6.61：GA-UCAA的適應值在(CASE 3)中搜尋過程變化趨勢圖 P.142 圖 6.62：GA-UCAA 3GHz的3D輻射場型圖(CASE 4) ......... P.146 圖 6.63：GA-UCAA 4GHz的3D輻射場型圖(CASE 4) ......... P.146 圖 6.64：GA-UCAA 5GHz的3D輻射場型圖(CASE 4) ......... P.147 圖 6.65：GA-UCAA 6GHz的3D輻射場型圖(CASE 4) ......... P.147 圖 6.66：GA-UCAA 7GHz的3D輻射場型圖(CASE 4) ......... P.148 圖 6.67：GA-UCAA 3GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 4) ... P.148 圖 6.68：GA-UCAA 4GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 4) ... P.149 圖 6.69：GA-UCAA 5GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 4) ... P.149 圖 6.70：GA-UCAA 6GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 4) ... P.150 圖 6.71：GA-UCAA 7GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 4) ... P.150 圖 6.72：GA-UCAA 3GHz的 輻射場型圖(CASE 4) ..... P.151 圖 6.73：GA-UCAA 4GHz的 輻射場型圖(CASE 4) ..... P.151 圖 6.74：GA-UCAA 5GHz的 輻射場型圖(CASE 4) ..... P.152 圖 6.75：GA-UCAA 6GHz的 輻射場型圖(CASE 4) ..... P.152 圖 6.76：GA-UCAA 7GHz的 輻射場型圖(CASE 4) ..... P.153 圖 6.77：TX(GA-UCAA) – RX 1 之通道脈衝響應圖(CASE 4) ... P.155 圖 6.78：TX(GA-UCAA) – RX 3 之通道脈衝響應圖(CASE 4) ... P.156 圖 6.79：TWO RECEIVERS GA-UCAA在CASE 4中與CASE 1三種天線之位 元錯誤率比較圖 .............................. P.158 圖 6.80：TWO RECEIVERS GA-UCAA在CASE 4中與CASE 3三種天線之位 元錯誤率比較圖 .............................. P.158 圖6.81：GA-UCAA的適應值在(CASE 4)中搜尋過程變化趨勢圖 P.160 圖6.82：GA-UCAA 3GHz的3D輻射場型圖(CASE 5) ......... P.162 圖6.83：GA-UCAA 4GHz的3D輻射場型圖(CASE 5) ......... P.162 圖6.84：GA-UCAA 5GHz的3D輻射場型圖(CASE 5) ......... P.163 圖6.85：GA-UCAA 6GHz的3D輻射場型圖(CASE 5) ......... P.163 圖6.86：GA-UCAA 7GHz的3D輻射場型圖(CASE 5) ......... P.164 圖6.87：GA-UCAA 3GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 5) ... P.164 圖6.88：GA-UCAA 4GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 5) ... P.165 圖6.89：GA-UCAA 5GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 5) ... P.165 圖6.90：GA-UCAA 6GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 5) ... P.166 圖6.91：GA-UCAA 7GHz的X-Y平面輻射場型圖(CASE 5) ... P.166 圖6.92：GA-UCAA 3GHz的 輻射場型圖(CASE 5) ..... P.167 圖6.93：GA-UCAA 4GHz的 輻射場型圖(CASE 5) ..... P.167 圖6.94：GA-UCAA 5GHz的 輻射場型圖(CASE 5) ..... P.168 圖6.95：GA-UCAA 6GHz的 輻射場型圖(CASE 5) ..... P.168 圖6.96：GA-UCAA 7GHz的 輻射場型圖(CASE 5) ..... P.169 圖6.97：TX(GA-UCAA) – RX 2 之通道脈衝響應圖(CASE 5) ... P.171 圖6.98：TX(GA-UCAA) – RX 3 之通道脈衝響應圖(CASE 5) ... P.172 圖6.99：TWO RECEIVERS GA-UCAA在CASE 5中與CASE 2三種天線之位元 錯誤率比較圖 .............................. P.175 圖6.100：TWO RECEIVERS GA-UCAA在CASE 5中與CASE 3三種天線之位 元錯誤率比較圖 .............................. P.175 圖6.101：GA-UCAA的適應值在(CASE 5)中搜尋過程變化趨勢圖 P.177 表目錄 表1.1：超寬頻系統標準之比較 .......................................... P.07 表1.2：無線通訊標準之傳輸速率比較 ................................. P.09 表1.3：個人區域網路技術比較 .......................................... P.10 表5.1：基因演算法相關之名詞解釋與中英文對照表 ............... P.75 表6.1：三種天線型態於CASE 1中的通道特性參數表(ns) ...... P.104 表6.2：CASE 1最佳適應值的激發電壓值與信號聵入線的長度 .... P.108 表6.3：三種天線型態於CASE 2中的通道特性參數表(ns) ...... P.121 表6.4：CASE 2最佳適應值的激發電壓值與信號聵入線的長度 .... P.126 表6.5：三種天線型態於CASE 3中的通道特性參數表(ns) ...... P.138 表6.6：CASE 3最佳適應值的激發電壓值與信號聵入線的長度 .... P.143 表6.7：GA-UCAA於CASE 4中針對RX 1與RX 3傳輸通道特性參數表 .... P.156 表6.8：CASE 4最佳適應值的激發電壓值與信號聵入線的長度 .... P.160 表6.9：GA-UCAA於CASE 5中針對RX 2與RX 3傳輸通道特性參數表 .... P.172 表6.10：CASE 5最佳適應值的激發電壓值與信號聵入線的長度 .... P.177 表B.1：混凝土的材質係數 ................................................ P.188 表B.2：木材的材質係數 ................................................... P.189 表B.3：鐵的材質係數 ...................................................... P.190[[note]]學號: 695440056, 學年度: 9