§ 瀏覽學位論文書目資料
  
系統識別號 U0002-0307201714525900
DOI 10.6846/TKU.2017.00058
論文名稱(中文) 室內無線通訊之波束合成技術於多用戶端之模擬研究
論文名稱(英文) Beamforming Techniques for Multi-User Indoor Wireless Communication
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Electrical and Computer Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生(中文) 賴冠達
研究生(英文) Guan-Da Lai
學號 602470030
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2017-06-30
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授 - 丘建青
委員 - 易志孝(chyih@ee.tku.edu.tw)
委員 - 方文賢(whf@mail.ntust.edu.tw)
關鍵字(中) 超寬頻環型陣列天線
波束合成
自我適應之動態差異型演化法
多用戶多輸入多輸出
群體廣播
關鍵字(英) UWB Circle Array Antenna
Beamforming
Self-Adative Dynamic Differential Evolution
Muti-User MIMO
Multicasting
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
本論文在一個室內超寬頻系統環境下做兩種模擬,其一是發射端同時傳送相同訊號於群體廣播系統中,其二是發射端同時傳送不同訊號於多用戶多輸入多輸出的系統中;過程中,先將發射與接收天線做環型陣列的擺設,利用射線彈跳追蹤法計算出任意給定室內無線環境之脈衝響應,在發射端與接受端均使用波束合成的技術,使能量聚焦,減少通道之間的多路徑效應干擾。發射端和接收端同時利用自我適應之動態差異型演化法來調整天線的激發電流及饋入線長度,並以降低傳輸位元錯誤率作為目標函數,所搜尋到的天線輻射場型能滿足良好的通訊品質。 
根據室內超寬頻的環境裡,在兩組系統的模擬結果顯示,對於群體廣播系統中,在接收端使用波束合成的技術、提高演算法的搜尋粒子族群大小,與增加環型陣列裡的天線元件數目從8根提升為16根,能使發射與接收天線合成出更具指向性的輻射場型,降低位元錯誤率。對於多用戶多輸入多輸出的系統,利用自我適應之動態差異型演化法調整天線輻射場型,降低不同訊號間的干擾,將對應的訊號傳送給其對應的用戶。
英文摘要
In this thesis, the Ultra Wideband Circle Antenna Array (UCAA) with beamforming techniques combining Self-Adaptive Dynamic Differential Evolution (SADDE) to minimize the multi-path effect of the channel and Bit Error Rate (BER) for Multicasting and Multi-user MIMO in indoor ultra-wideband (UWB) communication system is proposed. The 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 BER performance of 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 formular, the array pattern synthesis problem can be reformulated into an optimization problem and solved by SADDE. The approach is not only choosing BER as the fitness function, but also practicely considering the excitation amplitude and feed length of each array element. Numerical results show that using beamforming techniques, changing the number of transmitter and receiver antennas from 8 to 16 and increasing SADDE particle size can be apparently synthesize the radiation pattern of the directional UCAA to reduce the BER for Multicasting and Multi-user MIMO.
第三語言摘要
論文目次
目錄 
第一章 概論 1 
1.1 研究背景 1 
1.2 研究動機 5 
1.3 各章內容簡述 6 
1.4 研究貢獻 7 
第二章 智慧型天線系統 8 
2.1 基本定義與工作原理 8 
2.2 智慧型天線優點 10 
第三章 超寬頻天線陣列系統 14 
3.1 系統概述 14 
3.2 環形陣列 16 
3.3 超寬頻環型天線陣列 20
第四章 傳輸通道系統描述 24 
4.1 無線電波傳播通道分析 24 
4.2 通道模型計算分析 25 
4.2.1 射線彈跳追蹤法流程分析 25
4.2.2 利用射線追蹤法計算出頻域響應 28
4.2.3 利用何米特法與快速反傅立葉轉換計算出時域響應 31
4.3 訊號傳輸之系統架構 33
4.3.1 發射訊號波型 34
4.3.2 群體廣播之位元錯誤率計算 36
4.3.3 多用戶多輸入多輸出之位元錯誤率計算 42
第五章 演算法 49
5.1 自我適應之動態差異型演化法(Self-Adaptive Dynamic Differential Evolution) 49
5.2 自我適應之動態差異型演化法於合成輻射場型應用 56
第六章 數值模擬結果 58
6.1 模擬環境與參數設定 58
6.2 模擬結果分析與比較 60
6.2.1 接收端使用波束合成技術 61
6.2.2 群體廣播Case1 66
6.2.3 群體廣播Case2 72
6.2.4 多用戶多輸入多輸出 77
第七章 結論 81
參考文獻	 84

圖目錄
圖2.1 智慧型天線同時服務三個同頻道之用戶端示意圖 8
圖2.2 空間分隔多工系統方塊圖 9
圖3.1 智慧型超寬頻天線陣列系統架構圖 14
圖3.2 超寬頻偶極天線圖 15
圖3.3 超寬頻偶極天線的反射損耗圖 15
圖3.4 含N個天線元件組成的環型陣列示意圖 17
圖3.5 超寬頻環型天線陣列示意圖 21
圖4.1 SBR/Image 程式流程圖 27
圖4.2 信號經過何米特程序與快速反傅立葉轉換處理後之結果 31
圖4.3 何米特程序的信號處理步驟與快速反傅立葉轉換過程 32
圖4.4 群體廣播的示意圖 33
圖4.5 多用戶多輸入多輸出的示意圖 34
圖4.6 二位元脈衝振幅調變位元錯誤率系統架構圖 35
圖4.7 當發射訊號為1時接受訊號的機率分布圖 39
圖4.8 當發射訊號為-1時接受訊號的機率分布圖 40
圖4.9 當發射訊號為1時接受訊號的機率分布圖 45
圖4.10 當發射訊號為-1時接受訊號的機率分布圖 46
圖5.1 自我適應之動態差異型演化法流程圖 50
圖5.2 自我適應之動態差異型進化法中突變方法一的示意圖 52
圖5.3 自我適應之動態差異型進化法中突變方法二的示意圖 53
圖5.4 自我適應之動態差異型進化法中的交配向量於一個二維目標函數 等位線圖描述的示意圖 55
圖6.1 模擬環境平面圖 58
圖6.2 SADDE搜尋適應值的過程趨勢圖 61
圖6.3在3GHz之下X-Y平面輻射場型圖 63
圖6.4在3GHz之下X-Y平面輻射場型圖 63
圖6.5在3GHz之下X-Y平面輻射場型圖 64
圖6.6 Tx-Rx1位元錯誤率(Rx1 with BF v.s. Rx1 without BF) 65
圖6.7 SADDE的Popsize=80,120,160搜尋適應值的過程趨勢圖 66
圖6.8 Popsize=80 Tx,Rx1,Rx2在3GHz的X-Y平面輻射場型圖 68
圖6.9 Popsize=120 Tx,Rx1,Rx2在3GHz的X-Y平面輻射場型圖 69
圖6.10 Popsize=160 Tx,Rx1,Rx2在3GHz的X-Y平面輻射場型圖 70
圖6.11 Popsize=80,120,160時Tx-Rx1的位元錯誤率 71
圖6.12 Popsize=80,120,160時Tx-Rx2的位元錯誤率 72
圖6.13 天線為8根與16根時適應值的過程趨勢圖 73
圖6.14 Popsize=160 Tx,Rx1,Rx2在3GHz的X-Y平面輻射場型圖 74
圖6.15 天線為8根與16根時Tx-Rx1的位元錯誤率 76
圖6.16 天線為8根與16根時Tx-Rx2的位元錯誤率 76
圖6.17 SADDE的Popsize=120搜尋適應值的過程趨勢圖 77
圖6.18 Tx,Rx1,Rx2在3GHz的X-Y平面輻射場型圖 79
圖6.19 Tx-Rx1與Tx-Rx2的位元錯誤率 80

表目錄
表6.1 Rx1 with BF最佳適應值的天線饋入線長度與激發電流值 62
表6.2 Rx1 without BF最佳適應值的天線饋入線長度與激發電流值 62
表6.3 Popsize=80最佳適應值的天線饋入線長度 68
表6.4 Popsize=120最佳適應值的天線饋入線長度 69
表6.5 Popsize=160最佳適應值的天線饋入線長度 70
表6.6 天線為16根時最佳適應值的天線饋入線長度 73
表6.7 最佳適應值的天線饋入線長度 78
表A.1  混泥土的材質係數 82
表A.2  合成纖維板的材質係數 82
表A.3  木材的材質係數 83
表A.4  鐵的材質係數 83
參考文獻
[1] Federal Communications commission,“Revision of Part 15 of the Commission`s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission System, First Peport And Order,” ET Docket 98-153, FCC 02-48, 2002, February 14,pp. 1-118
[2] T. S. Rappaport, Wireless Communications, Prentice Hall PTR, 2002.
[3] I. Oppermann, M. Hamalainen and J. Iinatti, UWB Theory and Applications, John Wiley & Sons, 2004.
[4] H. Jeffrey and Reed, An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems, Prentice Hall PTR, 2005. 
[5] 吳匡時,“MB-UWB技術規範,”新通訊元件雜誌, 76期, 6月, 2007年.
[6] G.D. Durgin, Space-Time Wireless Channels. New Jersy : Prentice Hall PTR,2003.
[7] D. Tse and P. Viswanath,“Fundamentals of Wireless Communication, United Kingdom,” Cambridge University Press,2005.
[8] B.S. Paul and R. Bhattacharjee,“MIMO Channel Modeling : A Review,”IETE Technical, vol. 25, issue 6,Nov-Dec. 2008.
[9] C.Oestages and B. Clerckx, “MIMO wireless Cimmunications, ”Elsevier Ltd., Mar.2007.
[10] W. M. Lovelace and J. K. Townsend,“The Effects of Timing Jitter and Tracking on the Performance of Impulse Radio,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, no. 9, pp. 1646-1651, December 2002.
[11] E. Saberini and A. H. Tewfik,“Receiver Structures for Multi-Carrier UWB Systems,”Proc. 7th International Symposiun on Signal Processing and 1ts Applicatons, vol. 1, pp. 313-316, July 2003.
[12] R. A. Scholtz and M. Z. Win,“Impulse Radio,”Invited Paper, IEEE PIMRC 1997, Helsinki, Finland.
[13] M. Z. Win and R., A. Scholtz,“Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radior for Wireless Multiple Access Communications,”IEEE Transactions on Communications, vol. 48, no. 4, pp. 679-691, April 2000.
[14] 黃存健,“智慧型天線系統自無線通訊系統之應用,”中原大學電子系碩士論文, 1999.
[15] 吳志修,“智慧型天線系統於遠近迴想傳播通道模型之效能評估,”國立東華大學電機系碩士論文, 2002.
[16] C. A. Balanis, Antenna Theory analysis and design, John Wiley & Sons, 2005. 
[17] 賴智揚,“智慧型天線於寬頻分碼多重進接存取系統之應用,”中原大學電子系碩士論文, 2002.
[18] Kumari Manisha, B. Ravinder, “Design Of Microstrip Patch Antenna For Ultra Wide Band Applications,” International Journal of Recent Advances in Science & Engineering, Volume 1, Issue 1, March, 2015.
[19] F. T. Talom, B. Uguen, L. Rudant, J. Keignart, J. F. Pintos and P. Chambelin, “Evaluation and Characterization of an UWB Antenna in Time and Frequency Domains,”  Ultra-Wideband, The 2006 IEEE International Conference, pp.669-673,  Sept. 2006.
[20] I. Oppermann, M. Hamalainen and J. Iinatti, UWB Theory and Applications, John 		  Wiley & Sons, 2004.
[21] E. W. Kamen and B. S. Heck, Fundamentals of Signals and Systems Using the Web and Matlab, Prentice-Hall, 2000.
[22] E. Saberinia and A. H. Tewfik, “Single and multi-carrier UWB communications,” IEEE Seventh International Symposium on Signal Processing and Its Applications, 2003. Proceedings. Vol. 2, pp. 343 - 346 , July 2003.
[23] Z. Tian and G. B. Giannakis, “BER sensitivity to mistiming in ultra-wideband impulse Radios-part I: nonrandom channels,” IEEE Transactions on Signal Processing, pp. 1550 - 1560, Apr 2005.
[24] K. Siwiak, P. Withington and S. Phelan, “Ultra-wide band radio: the emergence of an important new technology,” IEEE VTS 53rd .Vehicular Technology Conference, 2001. VTC 2001 Spring. Vol. 2, pp. 1169 – 1172, May 2001.
[25] K. Siwiak, “Ultra-wide band radio: introducing a new technology,” IEEE VTS 53rd .Vehicular Technology Conference, 2001. VTC 2001 Spring. Vol. 2, pp. 1088 - 1093, May 2001.
[26] Z. Tian and G. B. Giannakis, “BER sensitivity to mistiming in ultra-wideband impulse Radios-part II: fading channels,” IEEE Transactions on Speech, and Signal Processing.,Vol. 53, pp. 1897 - 1907, May 2005.
[27] C. C. Chiu and C. P. Wang, “Bit error rate performance of high-speed tunnel communication,” IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 1997., Vol. 1, pp. 186 - 191, Aug. 1997.
[28] C. H. Chen, C. L. Liu, C. C. Chiu and T. M. Hu, “Ultra-Wide Band Channel Calculation by SBR/Image Techniques for Indoor Communication,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 20, No. 1, 2006, pp. 2169-2179.
[29] S. H. Chen and S. K. Jeng, “An SBR/Image approach for indoor radio propagation in a corridor,” IEICE Trans. Electron., Vol. E78-C, Aug. 1995, pp. 1058-1062.
[30] S. H. Chen and S. K. Jeng, “SBR/Image approach for radio wave propagation in tunnels with and without traffic,” IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 45, Aug. 1996, pp. 570-578.
[31] R. F. Harrmgton, Field Computation by Moment Method, New York: Macmillan, 1968.
[32] C. H. Sun and C. C. Chiu “Inverse Scattering of Dielectric Cylindrical Target Using Dynamic Differential Evolution and Self-Adaptive Dynamic Differential Evolution,” International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 23, Issue 5, pp. 579–585,  Sept. 2013.
[33] C. C. Chiu, C. H. Sun, C. L. Li and C. H. Huang, “Comparative Study of Some Population-based Optimization Algorithms on Inverse Scattering of a Two- Dimensional Perfectly Conducting Cylinder in Slab Medium,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 51, pp. 2302–2315, Apr. 2013.
[34] A. S. Jazi, S. M. Riad, A. Muqaibel and A. Bayram, “Through-the-Wall Propagation and Material Characterization,” DARPA NETEX Program Report, Nov. 2002.
[35] S. Imada and T. Ohtsuki, “Pre-RAKE diversity combining for UWB systems in IEEE 802.15 UWB multipath channel,” IEEE Joint with Conference on Ultrawideband Systems and Technologies. Joint UWBST & IWUWBS. 2004 International Workshop on Ultra Wideband Systems, pp. 236 - 240 , May 2004.
[36] D. J. Gargin, “A fast and reliable acquisition scheme for detecting ultra wide-band impulse radio signals in the presence of multi-path and multiple access interference,” 2004 International Workshop on Ultra Wideband Systems, pp. 106 - 110, May 2004.
論文全文使用權限
校內
校內紙本論文立即公開
同意電子論文全文授權校園內公開
校內電子論文立即公開
校外
同意授權
校外電子論文立即公開

如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信