近年來由於超寬頻通信系統的短距離、低功率之寬頻傳輸特性使其成為目前室內通訊新技術。已有許多超寬頻通訊在室內傳輸的相關文獻已經被發表，大多研究是以模擬或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及通道容量。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降至最低以及提升通道容量和最大化接收端能量，達到多目標最佳化場型。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多目標最佳化的問題
    由於APSO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APSO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加上通道容量以及接收端能量為多目標函數，再利用APSO作最佳化的  調整，尋找出多目標最佳化天線場型，此種場型最能滿足室內無線通訊的需求。
    模擬數據顯示，透過APSO分別地調整環型陣列天線中每一個天線元件的信號饋入線長度，且能在3GHz-7GHz 合成具有指向性的天線輻射場型。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，使得接收信號能量有效  提升。 (3) 可大幅降低位元錯誤率及提升通道容量，提高通訊品質。

In this thesis, a uniform circular antenna array (UCAA) combining genetic algorithm (GA) and asynchronous particle swarm optimization  (APSO) for finding out global maximum of multi-objective function in indoor ultra-wideband (UWB) communication system is proposed. The algorithm is used to synthesize the radiation pattern of the directional UCAA to reduce the bit error rate (BER), to increase channel capacity(CC), and received energy (RE) in indoor UWB communication system.Using the impulse response of multipath channel, the BER of the synthesized antenna pattern on binary antipodal-pulse amplitude modulation (B-PAM) system can be calculated. Based on topography of the antenna and the shooting and bouncing ray / image (SBR/image) techniques, the synthesized problem can be reformulated into a multi-objective optimization problem is employed and solved by the GA and APSO. Numerical results show that the fitness value and convergence speed by APSO is better than by GA.

第一章 概論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 8
1.3 研究方法 9
1.4 研究內容簡介 9
1.5 本研究之貢獻 10

第二章 智慧型天線系統 11
2.1 智慧型天線的基本定義與工作原理 11
2.2 智慧型天線的優點 12

第三章 智慧型超寬頻天線陣列系統 16
3.1 智慧型超寬頻天線陣列系統概述 16
3.2 天線陣列技術 17
3.2.1 線性陣列 18
3.2.2 環形陣列 20
3.3 超寬頻環型天線陣列 22

第四章	UWB通道計算模型 26      
4.1 無線電波傳播通道分析 26
4.2 通道計算模型分析27
4.2.1 利用射線追蹤法計算出頻域響應 29
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 32
4.3 射線彈跳追蹤法程式流程分析 35
4.4 系統模擬架構 38
4.4.1 發射訊號波形 38
4.4.2 位元錯誤率之計算 39
4.4.3 通道容量之計算 43

第五章	基因演算法 44
5.1 基因演算法概述44
5.1.1 基本概述45
5.2 基因演算法於合成輻射場型之應用 48  

第六章 粒子群演算法49
6.1 粒子群演算法概述 49    
6.2 非同步粒子群聚最佳化法
（Asynchronous Particle Swarm Optimization）55
6.3 非同步粒子群演算法於合成輻射場型之應用 57

第七章	數值模擬結果 58
7.1 模擬環境與參數設定 58
7.2 模擬結果分析與比較 62
7.2.1 錯誤率(B)加通道容量(C)-直接波 62
7.2.2 錯誤率(B)加接收端能量(E)-直接波 74
7.2.3 錯誤率(B)加通道容量(C)加接收端能量(E)-直接波 84
7.2.4 錯誤率(B)加通道容量(C) -非直接波 104
7.2.5 錯誤率(B)加接收端能量(E)-非直接波 115
7.2.6 錯誤率(B)加通道容量(C)加接收端能量(E)-非直接波 125
      
第八章 結論 146

參考文獻 148

附錄 154
          
圖目錄
圖1.1 超寬頻技術的發展時間表 1
圖1.2 超寬頻通訊與窄頻通訊發射功率比較 2
圖1.3 FCC對超寬頻訊號的功率限制圖 3
圖2.1 智慧型天線同時服務兩個同頻道之用戶端示意圖 11
圖3.1 含N個天線元件組成的線性陣列示意圖 19
圖3.2 含N個天線元件組成的環型陣列示意圖 20
圖3.3 超寬頻環型天線陣列示意圖 23
圖4.1 求得通道脈衝響應的步驟圖 28
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 33
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 34
圖4.4 SBR/Image 程式流程圖 36
圖4.5 傳送高斯二次微分脈波的波型示意圖 39
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 40
圖5.1 基因演算法之流程圖 47
圖6.1 粒子群聚法流程圖 50
圖6.2 粒子群聚法中於二維目標函數等位線圖 52
圖6.3 三種不同邊界條件示意圖 54
圖7.1 模擬直接波環境平面圖 59
圖7.2 模擬非直接波環境平面圖 59
圖7.3 GA-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C) 63
圖7.4 GA-3GHz的Los輻射場型圖(B+C) 63
圖7.5 APSO-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C) 64
圖7.6 APSO-3GHz的Los輻射場型圖(B+C) 65
圖7.7 TX(GA) – RX1 通道脈衝響應圖(B+C)66
圖7.8 TX(PSO) – RX1 通道脈衝響應圖(B+C)67
圖7.9 TX(GA) – RX1位元錯誤率(B+C)68
圖7.10 TX(PSO) – RX1位元錯誤率(B+C)69
圖7.11 TX(GA) – RX1通道容量圖(B+C)70
圖7.12 TX(PSO) – RX1通道容量圖(B+C)70
圖7.13 GA適應值在Los中搜尋B+C過程變化趨勢圖71
圖7.14 APSO適應值在Los中搜尋B+C過程變化趨勢圖73
圖7.15 GA-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+E)74
圖7.16 GA-3GHz的 輻射場型圖75
圖7.17 ASPO-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+E)76
圖7.18 APSO-3GHz的  Los輻射場型圖(B+E)76
圖7.19 TX(GA) – RX1 通道脈衝響應圖(B+E)78
圖7.20 TX(PSO) – RX1通道脈衝響應圖(B+E)78
圖7.21 TX(GA) – RX1位元錯誤率(B+E)80
圖7.22 TX(APSO) – RX1位元錯誤率(B+E)80
圖7.23 GA適應值在Los中搜尋B+E過程變化趨勢圖81
圖7.24 APSO適應值在Los中搜尋B+E過程變化趨勢圖83
圖7.25 GA-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E)84
圖7.26 GA-4GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E)85
圖7.27 GA-5GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E)85
圖7.28 GA-6GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E)86
圖7.29 GA-7GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E)86
圖7.30 GA-3GHz的Los輻射場型圖(B+C+E)87
圖7.31 GA-4GHz的Los輻射場型圖(B+C+E)87
圖7.32 GA-5GHz的Los輻射場型圖(B+C+E)88
圖7.33 GA-6GHz的Los輻射場型圖(B+C+E)88
圖7.34 GA-7GHz的Los輻射場型圖(B+C+E) 89
圖7.35 APSO-3GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E) 90
圖7.36 APSO-4GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E) 90
圖7.37 APSO-5GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E) 91
圖7.38 APSO-6GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E) 91
圖7.39 APSO-7GHz的X-Y平面Los輻射場型圖(B+C+E) 92
圖7.40 APSO-3GHz的 Los輻射場型圖(B+C+E) 92
圖7.41 APSO-4GHz的 Los輻射場型圖(B+C+E) 93
圖7.42 APSO-5GHz的 Los輻射場型圖(B+C+E) 93
圖7.43 APSO-6GHz的 Los輻射場型圖(B+C+E) 94
圖7.44 APSO-7GHz的 Los輻射場型圖(B+C+E) 94
圖7.45 TX(GA) – RX1 通道脈衝響應圖(B+C+E) 96
圖7.46 TX(APSO) – RX1 通道脈衝響應圖(B+C+E) 97
圖7.47 TX(GA) – RX1位元錯誤率(B+C+E) 98
圖7.48 TX(APSO) – RX1位元錯誤率(B+C+E) 99
圖7.49 TX(GA) – RX1通道容量圖(B+C+E) 100
圖7.50 TX(GA) – RX1通道容量圖(B+C+E) 100
圖7.51 GA適應值在Los中搜尋B+C+E過程變化趨圖 101
圖7.52 APSO適應值在Los中搜尋B+C+E過程變化趨勢圖 103
圖7.53 GA-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C) 104
圖7.54 GA-3GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C) 105
圖7.55 APSO-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C) 106
圖7.56 APSO-3GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C) 106
圖7.57 TX(GA) – RX2 通道脈衝響應圖(B+C) 108
圖7.58 TX(APSO) – RX2 通道脈衝響應圖(B+C) 108
圖7.59 TX(GA) – RX2位元錯誤率(B+C) 110
圖7.60 TX(GA) – RX2位元錯誤率(B+C) 110
圖7.61 TX(GA) – RX2通道容量圖(B+C) 111
圖7.62 TX(APSO) – RX2通道容量圖(B+C) 112
圖7.63 GA適應值在Nlos中搜尋B+C過程變化趨圖 113
圖7.64 APSO適應值在Nlos中搜尋B+C過程變化勢 114
圖7.65 GA-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+E) 116
圖7.66 GA-3GHz的 Nlos輻射場型圖(B+E) 116
圖7.67 APSO-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+E) 117
圖7.68 APSO-3GHz的 Nlos輻射場型圖(B+E) 118
圖7.69 TX(GA) – RX2 通道脈衝響應圖(B+E) 119
圖7.70 TX(APSO) – RX2 通道脈衝響應圖(B+E) 120
圖7.71 TX(GA) – RX2位元錯誤率(B+E) 121
圖7.72 TX(APSO) – RX2位元錯誤率(B+E) 121
圖7.73 GA適應值在Nlos中搜尋B+E過程變化趨圖 122
圖7.74 APSO適應值在Nlos中搜尋B+E過程變化趨勢圖 124
圖7.75 GA-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 125
圖7.76 GA-4GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 126
圖7.77 GA-5GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 126
圖7.78 GA-6GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 127
圖7.79 GA-7GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 127
圖7.80 GA-3GHz的  Nlos輻射場型圖(B+C+E) 128
圖7.81 GA-4GHz的  Nlos輻射場型圖(B+C+E) 128
圖7.82 GA-5GHz的  Nlos輻射場型圖(B+C+E) 129
圖7.83 GA-6GHz的  Nlos輻射場型圖(B+C+E) 129
圖7.84 GA-7GHz的  Nlos輻射場型圖(B+C+E) 130
圖7.85 APSO-3GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 131
圖7.86 APSO-4GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 131
圖7.87 APSO-5GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 132
圖7.88 APSO-6GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 132
圖7.89 APSO-7GHz的X-Y平面Nlos輻射場型圖(B+C+E) 133
圖7.90 APSO-3GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C+E) 133
圖7.91 APSO-4GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C+E) 134
圖7.92 APSO-5GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C+E) 134
圖7.93 APSO-6GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C+E) 135
圖7.94 APSO-7GHz的 Nlos輻射場型圖(B+C+E) 135
圖7.95 TX(GA) – RX2 通道脈衝響應圖(B+C+E) 137
圖7.96 TX(APSO) – RX2 通道脈衝響應圖(B+C+E) 138
圖7.97 TX(GA) – RX2位元錯誤率(B+C+E) 139
圖7.98 TX(APSO) – RX2位元錯誤率(B+C+E) 140
圖7.99 TX(GA) – RX2通道容量圖(B+C+E) 141
圖7.100 TX(APSO) – RX2通道容量圖(B+C+E) 141
圖7.101 GA適應值在NLOS中搜尋B+C+E過程變化趨勢圖 142
圖7.102 APSO適應值在NLOS中搜尋B+C+E過程變化趨勢圖 144
 
表目錄
表 5.1基因演算法相關之名詞解釋與中英文對照表 44
表 7.1 GA-Los-B+C最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 72
表 7.2 APSO-los-B+C最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 73
表 7.3 GA-Los-B+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 82
表 7.4 APSO-Los-B+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 83
表 7.5 GA-Los-B+C+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度102
表 7.6 APSO-Los-B+C+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度         103        
    
表7.7 GA-Nlos-B+C最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 113
表7.8 APSO-Nlos-B+C最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度115
表7.9 GA-Nlos-B+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 123
表7.10 APSO -Nlos-B+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 124
表7.11 GA -Nlos- B+C+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 143
表7.12 APSO-Nlos- B+C+E最佳適應值的激發電壓值與信號饋入線的長度 144

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