基于时间反演的无线通信系统关键技术研究

发布时间：2020-07-28 20:50

【摘要】：时间反演(Time Reversal,TR)的时间聚焦特性应用在无线通信系统中可以压缩信道时延扩展,从而减小码间干扰并增大系统的信道容量。随着移动通信的发展,将能量传输系统与信息传输系统结合的无线功率驱动式通信方案也得到了广泛研究。能量传输系统中采用TR技术可以在无需目标用户位置的情况下精准地对目标进行无线功率传输。本文以提高基于TR技术的信息传输系统的信道容量以及无线功率驱动式通信系统的能量传输效率为目的,对影响信道容量和能量传输效率的重要因素即收发两端的天线系统以及空间信道响应进行了深入研究。首先,建立了基于TR技术的宽带载波调制通信系统的理论模型,并验证了信道相关性在减小TR系统信道容量的同时也使其累积概率分布更加集中。实际的载波调制通信系统在有限空间内布置多个天线时,不可避免地出现互耦效应,致使空间信道产生相关性,进一步影响系统的信道容量。本文先建立了宽带TR系统的数值模型,论证了TR技术对系统信道容量的提升作用。随后,由天线互耦矩阵推导出信道相关矩阵并计算了信道容量的累积概率分布函数,通过理论与数值仿真推导验证了天线互耦效应可以减小TR系统信道容量随信道响应的随机波动性。基于此结论,在设计TR载波调制通信系统时可根据系统指标要求合理地实现天线系统的布局。其次,构建了基于TR技术的脉冲超宽带(Ultra-Wideband,UWB)通信系统中联合的天线与信道网络模型,测量发现UWB天线的时间色散效应减小了系统信道容量和抗干扰性能。由于UWB系统终端天线对UWB脉冲的失真效应,接收机采用发射脉冲为模板进行相干解调,因此评估UWB系统性能时必须将天线效应考虑在内。为此建立了联合的UWB天线与信道模型,并对其正确性进行了仿真验证,该模型可用于评估任意基于TR技术的UWB系统性能。此外,通过使用三对不同的UWB天线组成系统进行实验测试,论证了TR技术可提升脉冲UWB系统的信道容量,UWB天线的色散效应会减小TR系统信道容量并削弱TR系统的抗干扰性能。该研究为基于TR技术的脉冲UWB系统中天线的选取提供了解决方案。最后,分别设计了用于无线功率驱动式通信系统中的基于TR技术的大规模能量发射阵列以及能够根据信道响应优化功率分配并调整辐射模式的宽带能量发射阵列。TR的空间聚焦特性能够在未知目标位置的情况下对目标进行能量传输。本文先构建了基于TR技术的大规模能量传输阵列的模型,通过理论分析与数值仿真的对比,验证了TR技术在天线数目大且目标用户距离较近的场景下,具有直接功率传输方案无可比拟的优势。针对因用户距离远近导致的接收功率不一致问题,提出了一种低复杂度的功率平衡算法。考虑到单频最优的空间线性传输以及多频最优的整流效率,为了最大化能量传输效率,子载波能量必须根据信道响应和整流电路进行折衷分配。因此,建立了空间信道与非线性整流电路的联合优化模型,求解了子载波能量的最优分配方案。并进一步提出了将能够自适应调整辐射模式的时间调制阵列用于宽带无线能量传输,分别计算了不同模式的辐射效率及对应子载波的整流效率。该项研究对窄带或宽带的无线功率驱动式通信系统中的能量发射阵列提供了极具参考性的设计方案。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

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