本論文在一個室內超寬頻系統環境下模擬，分別測試了將8根發射天線以及8根接收天線做環型陣列的擺設，以及將8根發射天線以及1根接收天線做環型陣列的擺設，分別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，在發射端與均使用波束合成的技術，接收端為8根天線的亦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；接收端為單根天線的則只有發射端使用波束形成技術，以此做出差異性來做比較。發射端和接收端同時利用自我適應之動態差異型演化法(Self-Adative Dynamic Differential Evolution, SADDE)以及粒子群聚最佳化法(Particle Swarm Optimization,PSO)來調整天線的激發電流及每一根陣列元素上的饋入線長度，並以降低傳輸位元錯誤率、提高通道容量以及提高接收端做為目標函數，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，增加接收端的天線模擬結果顯示，在接收端使用波束合成的技術比起在接收端只放單一一根天線的狀況下，使發射與接收天線合成出更具指向性的輻射場型，傳輸能量因而提升，更能降低位元錯誤率。而使用SADDE演算法的情況下，不論收斂速度或是適應值都優於PSO粒子群演算法。

In this paper, ultra-wide band communication systems with eight transmit ring antenna arrays are implemented to test the bit error rate and capacity performance of the receivers with single antenna and eight antennas respectively. By using the ray tracing technique to computer any given indoor wireless environment, the impulse response of the system can be calculated. The synthesized beamforming problem can be reformulatedinto a multi-objective optimization problem. Self-adaptive dynamic differential evolution (SADDE) and particle swarm optimization (PSO) are used to find the feed line length of each antenna to form the appropriate beam pattern. This pattern can reduce bit-error rate,increase channel capacity and receiving energy.Numerical results show that receiver with eight antennas can reduce BER and increase the capacity substantiallycompared to single antenna receiver. It is also found the fitness value and convergence speed by SADDEis better than those by PSO. Moreover, SADDE can get better resultsfor both line-of-sight and non line-of-sight cases

目錄
第一章 概論..................................................................................................P.1
1.1 研究背景.........................................................................................P.1
1.2 研究動機.........................................................................................P.7
1.3 研究方法.........................................................................................P.9
1.4 研究內容簡介.................................................................................P.9
1.5本研究之貢獻.................................................................................P.10
第二章 智慧型超寬頻天線陣列系統........................................................P.11
2.1 智慧型天線的基本定義與工作原理...........................................P.11
2.2 智慧型天線的優點.......................................................................P.12
2.3 智慧型超寬頻天線陣列系統概述...............................................P.16
2.3.1環形陣列.............................................................................P.20
2.4超寬頻環形天線陣列.....................................................................P.22
2.5單組與多組超寬頻環型天線陣列的差別 ...................................P.26
第三章 UWB通道計算模型......................................................................P.29
3.1無線電波傳播通道分析..................................................................P.29
3.2通道計算模型分析..........................................................................P.30
3.2.1利用射線追蹤法計算出頻域響應.................................P.32
3.2.2利用何米特法與快速反傅立葉轉換計算出時域響應.P.35
3.3射線彈跳追蹤法程式流程分析.....................................................P.38
3.4系統模擬架構.................................................................................P.41
3.4.1發射訊號波形.................................................................P.41
3.4.2位元錯誤率之計算.........................................................P.42
3.4.3通道容量之計算.............................................................P.46
3.5自我適應演算法合成場型之應用..................................................P.47
3.6調整接收天線與發射天線對場型的幫助......................................P.50
第四章 隨機式全域最佳化演算法............................................................P.51
4.1自我適應之動態差異型演算法(Self-Adaptive Dynamic Differential Evolution).....................................................................................................P.51
4.2 粒子群聚最佳化法(Particle Swarm Optimization)................................................................................................P.59
第五章 單天線與天線陣列之比較............................................................P.66
5.1環境模擬與參數設定......................................................................P.66
5.2以SADDE演算法模擬結果分析與比較......................................P.68
5.2.1 直接波環境下之結果分析與比較......................................P.69
5.2.2非直接波環境下之結果分析與比較....................................P.84
5.3 以PSO演算法模擬結果分析與比較...........................................P.98
5.3.1 直接波環境下之結果分析與比較......................................P.98
5.3.2非直接波環境下之結果分析與比較..................................P.113
第六章 SADDE演算法與PSO演算法之比較.......................................P.127
6.1直接波環境下之結果分析與比較................................................P.127
6.2非直接波環境下之結果分析與比較............................................P.152
第七章 結論..............................................................................................P.176
參考文獻....................................................................................................P.178
附錄............................................................................................................P.182
圖目錄
圖2.1智慧型天線同時服務多個同頻道之用戶端示意圖 P.11
圖2.2八單元線性陣列示意圖 P.19
圖2.3 含N個天線元件組成的環型陣列示意圖 P.20
圖2.4超寬頻環型天線陣列示意圖 P.23
圖3.1求得通道脈衝響應的步驟圖 P.31
圖3.2何米特程序的信號處理步驟與快速反傅立葉轉換過程 P.36
圖3.3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.37
圖3.4 SBR/Image 程式流程圖 P.39
圖3.5傳送高斯二次微分脈波的波型示意圖 P.42
圖3.6 FCC對室內及室外超寬頻系統的頻段及輻射能量限制圖 P.43
圖3.7調整Fitness用BER曲線圖 P.48
圖3.8調整Fitness用Capacity曲線圖 P.48
圖3.9調整Fitness用Energy曲線圖 P.49
圖4.1 自我適應之動態差異型演算法流程圖 P.53
圖4.2自我適應之動態差異型進化法中突變方法一的示意圖 P.55
圖4.3自我適應之動態差異型進化法中突變方法二的示意圖 P.56

圖4.4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 P.58
圖4.5粒子群聚法流程圖 P.61
圖4.6粒子群聚法中於二維目標函數等位線圖 P.62
圖4.7三種邊界條件示意圖 P.65
圖5.1模擬環境平面圖 P.66
圖5.2錯誤率對SNR曲線圖 P.71
圖5.3通道容量對SNR曲線圖 P.71
圖5.4能量圖 P.72
圖5.5發射端適應值函數 P.72
圖5.6接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.74
圖5.7接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.74
圖5.8接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.75
圖5.9接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.75
圖5.10接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.76
圖5.11接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.76
圖5.12接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.77
圖5.13接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.77
圖5.14接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.78
圖5.15接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.78
圖5.16接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.79
圖5.17接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.79
圖5.18接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.80
圖5.19接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.80
圖5.20接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.81
圖5.21接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.81
圖5.22接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.82
圖5.23接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.82
圖5.24接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.83
圖5.25接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.83
圖5.26錯誤率對SNR曲線圖 P.85
圖5.27通道容量對SNR曲線圖 P.85
圖5.28能量圖 P.86
圖5.29發射端適應值函數 P.86
圖5.30接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.88
圖5.31接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.88
圖5.32接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.89
圖5.33接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.89
圖5.34接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.90
圖5.35接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.90
圖5.36接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.91
圖5.37接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.91
圖5.38接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.92
圖5.39接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.92
圖5.40接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.93
圖5.41接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.93
圖5.42接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.94
圖5.43接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.94
圖5.44接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.95
圖5.45接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.95
圖5.46接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.96
圖5.47接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.96
圖5.48接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.97
圖5.49接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.97
圖5.50錯誤率對SNR曲線圖 P.100
圖5.51通道容量對SNR曲線圖 P.100
圖5.52能量圖 P.101
圖5.53發射端適應值函數 P.101
圖5.54接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.103
圖5.55接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.103
圖5.56接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.104
圖5.57接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.104
圖5.58接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.105
圖5.59接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.105
圖5.60接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.106
圖5.61接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.106
圖5.62接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.107
圖5.63接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.107
圖5.64接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.108
圖5.65接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.108
圖5.66接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.109
圖5.67接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.109
圖5.68接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.110
圖5.69接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.110
圖5.70接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.111
圖5.71接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.111
圖5.72接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.112
圖5.73接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.112
圖5.74錯誤率對SNR曲線圖 P.114
圖5.75通道容量對SNR曲線圖 P.114
圖5.76能量圖 P.115
圖5.77發射端適應值函數 P.115
圖5.78接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.117
圖5.79接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.117
圖5.80接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.118
圖5.81接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.118
圖5.82接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.119
圖5.83接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.119
圖5.84接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.120
圖5.85接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.120
圖5.86接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.121
圖5.87接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.121
圖5.88接收端為八根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.122
圖5.89接收端為單根天線之發射端在3G頻段下之場型 P.122
圖5.90接收端為八根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.123
圖5.91接收端為單根天線之發射端在4G頻段下之場型 P.123
圖5.92接收端為八根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.124
圖5.93接收端為單根天線之發射端在5G頻段下之場型 P.124
圖5.94接收端為八根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.125
圖5.95接收端為單根天線之發射端在6G頻段下之場型 P.125
圖5.96接收端為八根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.126
圖5.97接收端為單根天線之發射端在7G頻段下之場型 P.126
圖6.1錯誤率對SNR曲線圖 P.129
圖6.2通道容量對SNR曲線圖 P.129
圖6.3能量圖 P.130
圖6.4適應值函數 P.130
圖6.5使用SADDE之發射端在3G頻段下之場型 P.132
圖6.6使用PSO之發射端在3G頻段下之場型 P.132
圖6.7使用SADDE之發射端在4G頻段下之場型 P.133
圖6.8使用PSO之發射端在4G頻段下之場型 P.133
圖6.9使用SADDE之發射端在5G頻段下之場型 P.134
圖6.10使用PSO之發射端在5G頻段下之場型 P.134
圖6.11使用SADDE之發射端在6G頻段下之場型 P.135
圖6.12使用PSO之發射端在6G頻段下之場型 P.135
圖6.13使用SADDE之發射端在7G頻段下之場型 P.136
圖6.14使用PSO之發射端在7G頻段下之場型 P.136
圖6.15使用SADDE之發射端在3G頻段下之場型 P.137
圖6.16使用PSO之發射端在3G頻段下之場型 P.137
圖6.17使用SADDE之發射端在4G頻段下之場型 P.138
圖6.18使用PSO之發射端在4G頻段下之場型 P.138
圖6.19使用SADDE之發射端在5G頻段下之場型 P.139
圖6.20使用PSO之發射端在5G頻段下之場型 P.139
圖6.21使用SADDE之發射端在6G頻段下之場型 P.140
圖6.22使用PSO之發射端在6G頻段下之場型 P.140
圖6.23使用SADDE之發射端在7G頻段下之場型 P.141
圖6.24使用PSO之發射端在7G頻段下之場型 P.141
圖6.25使用SADDE之接收端在3G頻段下之場型 P.142
圖6.26使用PSO之接收端在3G頻段下之場型 P.142
圖6.27使用SADDE之接收端在4G頻段下之場型 P.143
圖6.28使用PSO之接收端在4G頻段下之場型 P.143
圖6.29使用SADDE之接收端在5G頻段下之場型 P.144
圖6.30使用PSO之接收端在5G頻段下之場型 P.144
圖6.31使用SADDE之接收端在6G頻段下之場型 P.145
圖6.32使用PSO之接收端在6G頻段下之場型 P.145
圖6.33使用SADDE之接收端在7G頻段下之場型 P.146
圖6.34使用PSO之接收端在7G頻段下之場型 P.146
圖6.35使用SADDE之接收端在3G頻段下之場型 P.147
圖6.36使用PSO之接收端在3G頻段下之場型 P.147
圖6.37使用SADDE之接收端在4G頻段下之場型 P.148
圖6.38使用PSO之接收端在4G頻段下之場型 P.148
圖6.39使用SADDE之接收端在5G頻段下之場型 P.149
圖6.40使用PSO之接收端在5G頻段下之場型 P.149
圖6.41使用SADDE之接收端在6G頻段下之場型 P.150
圖6.42使用PSO之接收端在6G頻段下之場型 P.150
圖6.43使用SADDE之接收端在7G頻段下之場型 P.151
圖6.44使用PSO之接收端在7G頻段下之場型 P.151
圖6.45錯誤率對SNR曲線圖 P.153
圖6.46通道容量對SNR曲線圖 P.153
圖6.47能量圖 P.154
圖6.48適應值函數 P.154
圖6.49使用SADDE之發射端在3G頻段下之場型 P.156
圖6.50使用PSO之發射端在3G頻段下之場型 P.156
圖6.51使用SADDE之發射端在4G頻段下之場型 P.157
圖6.52使用PSO之發射端在4G頻段下之場型 P.157
圖6.53使用SADDE之發射端在5G頻段下之場型 P.158
圖6.54使用PSO之發射端在5G頻段下之場型 P.158
圖6.55使用SADDE之發射端在6G頻段下之場型 P.159
圖6.56使用PSO之發射端在6G頻段下之場型 P.159
圖6.57使用SADDE之發射端在7G頻段下之場型 P.160
圖6.58使用PSO之發射端在7G頻段下之場型 P.160
圖6.59使用SADDE之發射端在3G頻段下之場型 P.161
圖6.60使用PSO之發射端在3G頻段下之場型 P.161
圖6.61使用SADDE之發射端在4G頻段下之場型 P.162
圖6.62使用PSO之發射端在4G頻段下之場型 P.162
圖6.63使用SADDE之發射端在5G頻段下之場型 P.163
圖6.64使用PSO之發射端在5G頻段下之場型 P.163
圖6.65使用SADDE之發射端在6G頻段下之場型 P.164
圖6.66使用PSO之發射端在6G頻段下之場型 P.164
圖6.67使用SADDE之發射端在7G頻段下之場型 P.165
圖6.68使用PSO之發射端在7G頻段下之場型 P.165
圖6.69使用SADDE之接收端在3G頻段下之場型 P.166
圖6.70使用PSO之接收端在3G頻段下之場型 P.166
圖6.71使用SADDE之接收端在4G頻段下之場型 P.167
圖6.72使用PSO之接收端在4G頻段下之場型 P.167
圖6.73使用SADDE之接收端在5G頻段下之場型 P.168
圖6.74使用PSO之接收端在5G頻段下之場型 P.168
圖6.75使用SADDE之接收端在6G頻段下之場型 P.169
圖6.76使用PSO之接收端在6G頻段下之場型 P.169
圖6.77使用SADDE之接收端在7G頻段下之場型 P.170
圖6.78使用PSO之接收端在7G頻段下之場型 P.170
圖6.79使用SADDE之接收端在3G頻段下之場型 P.171
圖6.80使用PSO之接收端在3G頻段下之場型 P.171
圖6.81使用SADDE之接收端在4G頻段下之場型 P.172
圖6.82使用PSO之接收端在4G頻段下之場型 P.172
圖6.83使用SADDE之接收端在5G頻段下之場型 P.173
圖6.84使用PSO之接收端在5G頻段下之場型 P.173
圖6.85使用SADDE之接收端在6G頻段下之場型 P.174
圖6.86使用PSO之接收端在6G頻段下之場型 P.174
圖6.87使用SADDE之接收端在7G頻段下之場型 P.175
圖6.88使用PSO之接收端在7G頻段下之場型 P.175
表目錄
表5.1　接收端為八根天線之饋入線長度與輸入電流 P.73
表5.2 接收端為單根天線之饋入線長度與輸入電流 P.73
表5.3　接收端為八根天線之饋入線長度與輸入電流 P.87
表5.4 接收端為單根天線之饋入線長度與輸入電流 P.87
表5.5　接收端為八根天線之饋入線長度與輸入電流 P.102
表5.6 接收端為單根天線之饋入線長度與輸入電流 P.102
表5.7　接收端為八根天線之饋入線長度與輸入電流 P.116
表5.8 接收端為單根天線之饋入線長度與輸入電流 P.116
表6.1　使用SADDE演算法之直接波條件下饋入線長度與輸入電流 P.131
表6.2 使用PSO演算法之直接波條件下饋入線長度與輸入電流 P.131
表6.3　使用SADDE演算法之非直接波條件下饋入線長度與輸入電流 P.155
表6.4 使用PSO演算法之非直接波條件下饋入線長度與輸入電流 P.155
表A1　混凝土材質係數表 P.182
表A2 木材材質係數表 P183
表A3　鐵材質係數表 P.184

參考文獻
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