（通信与信息系统专业论文）基于正交正弦相关的iruwb无线通信系统研究.pdf

一i 罔利学技水人学】掣 t 。论文 摘蜢 摘要 至l ji r 。u w b ( i m p u l s er a d i ou l t r a - w i d eb a n d ) 通信系统具有很高的潜舟备吐能力， 而i j 能够在提供人传输带宽的同时，保持f 氐j j j 耗、低复杂度和低价格等优点，这些特点他 得l r u w b 通信系统一；起r 研究名的i 泛关f i ：。但是由f 信号能景往时l h l 域 = ；i f 常壤一i 一篇 特t 他硼i r u w b 通信系统需要极为精确的定州同步，并il ( t i 复杂多径条俐l 、i hr 能捌：傲 打散i 州电得按收困难。这曲个难题制约了i r - u w b 通信系统的进步推j 。i f t j 口低占。l k , 的i r u w b 信弓是很难提高符弓速率的，因此如何将高的吞吐潜力转为现实也是一个研究 热点。 本文i 一研宄内容集中在i r u w b 通信系统的定时问题分析，脉冲接收方法审内密集 多静蚪境卜r a k e | _ 垂收技术和i 青阶调制下的信号接收。住这四个州f 究领域，本沦正h 勺川。成 粜目i 耍贡献如i 、。 翦，本文绐山ri r u w b 通信系统对定件j 的璎求并指在低成本条件1 、这个璎水 比较难j l , n 。由于i r u w b 通信系统采用了撒市脉冲来进行信息的f 0 输，其定时要求1 j 载 波敬? 通信系统莆圳较大。在相干m 柏干解调两种情况下，定h j 刳动的要求比较接近，小 象载波数字通信系统有较人的量级差别。凶此存i r - u w b 通信系统中，刑定时精j 巫的坐 求柏二高。通过列定h j 误等的分析，确定丁在i r u w b 通信系统中，随机定h j 抖动：阿成为 其基小影削成份，外对随机定时利动的1 要来源基准时钟振荡器的桐位噪声进行j ， 析，砒定r 机l 何噪声到定叫误无竹训过稃巾的关键参数，列系统设训h , i 疋| 付误手n 。预算提 供j 芊】力自j 帮助。 筇二，本文提山了对i r ：u w b 通信系统所采川的极窄脉冲进行接收处卿的交正弦桐 关接收射i 。它具有优良的抗定时误差特 峰，给系统实现带米了很大方使n 艾中列其棚关j 嘶 率和柏，之窗宽度参数选取f 1 - 了充分的讨论，找到了性能损灾最小的参数绍含。分析指“川： 变 1 弦相关拨收机能啦布较大定时误差条什下进行脉冲1 ) 】l 卜确接收t 计通过伪真甜刊j 允 分螗b f 、正交j j 弦柑芙接收机只囱良好的可实现性，商目对高斯脉冲般h 囱良勺适， 件殳l 扣给m 了备种脉冲的性能损失最小的参数组合。1 f 变1 卜弦相关接收刈高坞i 烯；f i 媛处 理h j ，其一jr 损火最大a j i ko7 d b 。而且： i q n n s u j 式的脉冲信号在此结构下山能够铍自敬地 接收。 第二，本文提出了改进的e s b o d r a k e 接收技术。南于密集多径的窄内无线传辅环境 给i r u w b 通信系统的接收信 带术r 严重的能量扩散平【i 较人的衰落变化，信 ：；的准确接 收成为一个辨题，虽然引入了r a k e 接收技术f h 是最人比合井的r a k e 接收还是 。存t i 能 小随 ii “砼数增加j ml 殳善呐异常规象，n i l - i ：，水文改进了r a k e 接收技术，刈各个i ) l 1 4 ji 扰 分鞋进行相芙性分析并据此得到最优的台并方案。这个向法明显改善了i r u w b 通信系统 的性能，仿真结粜也支持了这个观点。义中还深入讨论了e s b o d - r a k e 接收技术n 设汁中 一些芰键参 5 的选取问题。 中闻科学技术大学i 尊i ”论史 摘要 第四，本文分析高阶p p a mi r u w b 系统在存在定时误著时的接收特性提出了采用 具有抗定时误差特性的o s c r 来完成对高阶p p a mi r u w b 系统中极窄脉冲的接收。这样 构成的系统能够很好地完成具有一定定日j 误差的高阶调制脉冲信号接收。通过分析和仿真 说明了此系统在存在定时误差甚至是比较大的定时误莘情况下，依然能够有效接收高阶调 制的p p a m 信号，稳健地实现较高的吞吐率。虽然在系统具有完美定时的情况下存在一定 的性能损失，但这样的定时要求在实际系统环境中几乎是无法实现的，而且考虑到本系统 的性能在很大范围的定时误差条件下均能保持稳定，这样的代价是叫阻接受的。 本文的分析指出低成本的i r - u w b 通信系统的根本实现难题是定时稳定性要求难以达 到。本文的研究成果使得低定时敏感度的高吞吐率i r u w b 通信系统成为可能，提升了系 统在室内复杂多径环境中的传输性能，因而可以降低辐射功率避免干扰或者提升系统的吞 吐能力。定时误差估计方法除了核算i r 。u w b 系统的定时预算外，对其他系统的设计也有 一定借鉴作用。 第1 1 页共1 4 6 页 中国科学技术大学f 9 _ i 一论立a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a - w i d eb a n d ( u w s ) t e c h n i q u e sh a v er e c e n t l ya t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s ti nm a n ys c i e n t i f i c ， c o m m e r c i a la n dm i l i t a r yf i e l d st h ew o r k si n d i c a t et h a ti m p u l s er a d i o ( i r ) s y s t e m sh a v em a n y m e r i t ss u c ha sl o wc o m p l e x 时，l o wp o w e rc o n s u m p 6 0 n ，h i wc o s t , h i g hd a t ar a t ea n dt h ea b i l i t yo f c o e x i s t e n c ew i t ho t h e r r a d i os y s t e m s i r - u w bi sac o m p e t i t i v ec a n d i d a t ef o ru w bs y s t e m s ak e yf e a t u r eo fi r u w bi st h e s u b n a n o s e c o n dp u l s e su s e dt oc o n v e yi n f o r m a t i o n a n a l y s i so fs u c hs c h e m e sh a sb e e nr e p o s e d u n d e rav a r i e t yo fa s s u m p t i o n si nt h el i t e r a t u r e t h ep e r f o r m a n c eo fi r u w bs y s t e m si sv e r y s e n s i t i v et ot i m i n ge r r o r ，a tl e a s ti np a r td u et ot h ec o n c e n t r a t i o no f t h es i g n a le n e r g y i nt h i sp a p e r , t h et i m i n g j i t t e rh a sb e e ne s t i m a t e da n dt h e nc o m p a r e dt ot h er e q u i r e m e n t so f c o h e r e n t n o n c o h e r e n t i r u w br e c e i v e r s a n di t i sc l e a rt h a tt i m i n gi s s u ei st h em a i no b s t a c l eo f l r - u w b i nt h i sp a p e r , t h e r ea r es o m ea d v i c et om a i n t a i nt h ej i t t e ra tal o w e rl e v e l an e ws t r u c t u r eo fo r t h o g o n a ls i n u s o i d a lc o r r e l a t i o nr e c e i v e r ( o s c r ) i ni r - u w bs y s t e m s i sp r o p o s e dt or e c e i v et h es u b o a n o s e c o n dp u l s e s ，i t st o l e r a n c et ot i m i n ge r r o ri so u t l i n e d a n dt h e r e c e i v e ri sp r o v e dt ob ee f f i c i e n t , p r a c t i c a la n dr o b u s ta l t h o u g ht h e r ei ss o m es n rd e g r a d a t i o n w h e nt i m i n gj i t t e ri sz e r o ，t h eo s c ro u t p e r f o r m st h em a t c h e df i l t e rr e c e i v e rw h e nt i m i n gj i t t e ri s r e l a t i v e l yi a r g et h ef e a t u r e so f d e a l i n gw i t ho a u s s i a np u l s eg r o u pa n dm a n ym o d u l a t i o ns t y l e sa r e a l s oi n v e r s t i g a t e d i r - u w bp u l s ee n e r g yc o n c e n t r a t e si nn o tw i d e rt h a n1i l s w h e nw o r k i n gi nd e n s em u l t i p a t h e n v i r o n m e n t , i r - u w bp u l s ee n e r g yi ss p r e a d e dt oe v e n2 5 n st o g e t h e rw i t hf a d i n g ，e n e r g y s p r e a d i n ge f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f r e c e i v e rg r e a t l y t oo v e r c o m et h i si n f e c t i o n ，r a k er e c e i v i n g h a sb e e nu s e d ，b u tb e c a u s eo ft h eg r e a ti s ic o m i n gf r o ms y m b o l sn e a r b y ，b e rm i g h tb ee v e n w o r s ew h e nt h ep a t hh u m h e ro fc o m b i n a t i o ni n c r e a s e s e s b o d r a k er e c e i v e ri sp r o p o s e dt o c o l l e c tt h es i g n a le n e r g y m o r ee f f i c i e n t t h ec o m p u t a i o nc o m p l e x i t yi sr e d u c e db yf u r t h e rr e s e a r c h ， t oa c h i e v eh i g h t h r o u g h p u t ，h i g ho r d e rm o d u l a t i o n s ，s u c ha sp u l s e p o s i t i o na m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( p p a m ) a n dq u a d r a t u r ep u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q p a v 1 ) ，a r ei n v e r s t i g a t e d p p a mc h a n g e st h ep a r a m e t e r so fb o t ht i m ea n da m p l i t u d ed o m a i nt oe n h a n c et h et h r o u g h p u t a n d q p a ms c h e m ec a nd o u b l ed a t ar a t eb yu s i n gt w oo r t h o g o n a lp u l s e sw i 协p a mo ne a c hp u l s eb u t t h e ya r eb o t hv e r ys e n s i t i v et ot i m i n gj i t t e r o s c ri se m p l o y e dt op r o c e s sp p a ms i g n a l s a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fo s c ri sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fm a t c h e d 矗1 t e r w h e nt i m i n g j i t t e ri sr e l a t i v e l yl a r g e t h i sp a p e rs u g g e s t st i m i n gj i t t e rr u b u s ti r - u w bs y s t e m sb a s e do no s c r n o to n l yi nd e n s e m u l t i p a t hs c e n a r i ob u ta l s oi nn e e do f h i g ht h r o u g h p u t 第1 1 1 页共1 4 6 页 中国科学技术大学博士论文 插图目录 插图目录 图1 - 1f c c 的u w b 室内商用频谱规定 图1 2 等间隔高斯二次微分脉冲序列一 图2 1i r u w b 通信系统发射机基本构成框图 图2 - 2 载波通信系统发射机构成框图 图2 3i r u w b 通信系统相干接收机基本构成框图 图2 - 4 载波通信系统相干接收机基本构成框图 图2 5i r u w b 通信系统的典型脉冲波形 图2 - 6i r - u w b 通信系统非相干接收机基本构成框图 图2 7 载波通信系统非相干接收机基本构成框图- 图3 1 典型的晶体振荡器输出单边带相位功率谱一 图3 - 2 典型的振荡器输出单边带相位功率谱及其幂率谱近似 图3 - 3 不同频率上限情况下的定时抖动和测量时间间隔的关系 图3 - 4 典型i r u w b 发射机定时链路框图- 、 图3 - 5i r - u w b 发射机的定时传递模型 图3 - 6 逻辑门的相位判决等效电路? 一 图3 7 典型i r u w b 接收机定时链路框图 图3 8i r u w b 接收机的定时传递模型t 图3 - 9 最佳跟踪环路带宽的选择 图3 一l o 滚降系数为o 5 的升余弦脉冲波形 图3 一1 1i r u w b 系统接收单脉冲波形及其自相关函数，= o ，2 9 n s 图3 1 2i r u w b 匹配滤波器接收的收集能量损失和定时误差的关系 图3 1 3 收集到的脉冲能量和时间窗的宽度的关系 图3 1 4 归一化匹配滤波器收集能量损失和定时误差的关系 图3 1 5i r u w b 通信系统定时抖动估算 图4 - 1 传统的匹配滤波器接收机 图4 2 理想单脉冲接收波形及其匹配滤波器输出 第1 x 页共1 4 6 页 屯 q n h m ” m m 砣 筋 卯 勰 孙 四 如 如 靳 卯 勰 四 钙 甜 中国科学技术大学博士硷文插图目录 图4 3 匹配滤波器接收处理的损失与定时误差的关系4 5 图4 4b p s k 调制脉冲波形t 4 6 图4 5 存在对齐误差时正弦模板接收性能4 7 图4 - 6 正交正弦相关接收机一4 8 图4 7z 。= 0 7 船时信噪比损失和相关频率的关系5 1 图4 8 相关窗的宽度和所收集到的脉冲能量5 2 图4 - 9 不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系5 3 图4 一l o 采用o s c r 时正弦模板和发射脉冲间r m s 相对定时抖动5 3 图4 1 1 归一化定时误差修正函数和定时误差t 的关系t5 5 图4 1 2 存在定时误差时正交正弦相关接收和匹配滤波器接收性能- 5 6 图4 1 3 一次微分高斯脉冲到五次微分高斯脉冲的波形5 7 图4 1 4 一次微分高斯脉冲到五次微分高斯脉冲的频谱5 8 图4 1 5 高斯脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系，5 9 图4 1 6 高斯脉冲在不同相关频率条件下的信噪比损失和窗宽的关系一5 9 图4 一1 7 高斯脉冲的归一化定时误差修正函数6 0 图4 一1 8 高斯一次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 0 、 图4 1 9 高斯一次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 1 图4 2 0 高斯一次微分脉冲的归一化定时误差修正函数6 1 图4 2 1 商斯二次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 2 图4 2 2 高斯二次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 2 图4 2 3 高斯三次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 3 图4 2 4 高斯三次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 3 图4 2 5 高斯三次微分脉冲的归一化定时误差修正函数一6 4 图4 2 6 高斯四次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 4 图4 2 7 高斯四次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 5 图4 2 8 高斯四次微分脉冲的归一化定时误差修正函数- 6 5 图4 。2 9 高斯五次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 6 图4 3 0 高斯五次微分脉冲在不同窗宽条件下的信噪比损失和相关频率的关系6 6 图4 3 l 高斯五次微分脉冲的归一化定时误差修正函数6 7 第x 页共1 4 6 页 中国科学技术大学博1 j ：论文插图目录 图4 3 2o o k 调制脉冲波形 图4 3 3p p m 调制脉冲波形- 图4 3 4 ，随6 的变化规律 图5 1c m l 中一个典型的信道实现 图5 2c m l 环境下，多径干扰和0 的关系 图5 3c m 2 环境下，多径干扰和乃的关系 图5 4c m 3 环境下，多径干扰和一的关系 图5 5c m 4 环境下，多径干扰和r 的关系 图5 - 6 抽头延时线的信道模型一 图5 7 多径环境中的o s c r 接收机 图5 8u w b 通信中传统r a k e 接收机性能一 图5 - 9u w b 通信中r a k e 接收机m r c 合并后的信噪比 图5 一l o 不同相关系数条件下的合并增益 图5 1 1e s b o d _ r a k e 合并的运算量比例” 图5 1 2c m l 中e s b o d r a k e 接收机m r c 合并后的信噪比 图5 1 3c m l 中m r cr a k e 接收机与e s b o d r a k e 接收机韵误码率比较 图5 1 4c m 2 中m r cr a k e 接收机与e s b o d r a k e 接收机的误码率比较 图5 1 5c m 4 中m r cr a k e 接收机与e s b o d r a k e 接收机的误码率比较 图5 1 6 不同径增益的选取对系统性能的影响 图5 1 7c m i 中不同径增益的选取下合并信噪比的变化 图5 一1 8 累积1 0 个短帧和单个长帧头的输出信噪比 图5 - 1 9 累积不同数目的短帧时的输出信噪比 图6 1 典型2 ，2 p p a m 调制波形 图6 2 理想单脉冲接收波形及其匹配的脉冲相关器输出- 图6 3 典型q p a m 调制波形 图6 - 4 正交p p a m 信号在存在定时误差情况下的误码性能 图6 5 交叠p p a m 信号在存在定时误差情况下的误码性能- 图6 - 6q p a m 在存在定时误差情况下的性能 第x i 页共1 4 6 页 加 记 粥 跎 昭 昭 弘 窨昌 鹊 妮 吣 舛 舛 钙 鳄 卯 粥 鲫 鲫 舛 盯 中国科学技术大学博士论文插图目录 图6 7q p a m 的波形自相关和互相关1 0 9 图6 8 基于脉冲发生器的p p a m 调制结构u 0 图6 9 高阶调制的正交正弦相关接收l l o 图6 1 0o s c r 实现脉冲位置偏移到输出矢量相位的变换1 1 3 图6 1 lo s c r 在有无定时误差的情况下接收正交p p a m 的b e r 性能1 1 4 图6 1 2 存在定时误差时o s c r 和匹配滤波接收正交p p a m 信号的性能比较1 1 4 图6 1 30 s c r 在有无定时误差的情况下接收交叠p p a m 的b e r 性能1 1 5 图6 1 4 存在定时误差时o s c r 和匹配滤波接收交叠p p a m 信号的性能比较1 1 5 第x i i 页拱1 4 6 页 中国科学技术大学1 尊士论文 表格目录 表格目录 表l 一1f c c 对各种应用的u w b 信号频谱分配及功率限制 表1 21 1 4 m b p s 速率单载波d s c d m a 方案参数- 表1 3 部分w l a n w p a n 标准的参数 表3 1 幂率谱各项的物理意义 表3 2 相位噪声和定时抖动换算过程- 表3 3 不同相位功率谱范围引起的r m s 定时抖动( 单位：p s ) 表3 - 4f 的估计误差导致的信噪比损失 表3 5 不同相关窗的宽度下，允许一定收集能量损失时的定时误差大小 表4 1o s c r 处理高斯函数族脉冲时的关键参数 表5 1 实际信道与标准信道模型的参数对比 表5 2 单径接收的能量收集情况 表5 3 两径接收的能量收集情况 表5 4i r u w b 系统在c m l ：m 4 中的i s i ； 表5 5c m t 至c m 4 信道的i s i 干扰能量分析结果 第x l l i 页共1 4 6 页 心 q 巧 丝 拍 刀 弱 驺 矾 为 为 观 辨 中国科学技术大学博士论文第【章绪硷 第1 章绪论 1 1u w b 系统的历史和现状 超宽带( u l t r a - w i d eb a n d u w b ) 通信系统是一种采用新型体制的通讯系统。它通过 占用极大的带宽( 可以高达数吉赫兹) 来传输信息，因而被认为是各种短距高速无线传输 方案中最有力的竞争者。 但u w b 这种“新”体制在无线电发展的历史上并不是第一次出现。最早的超宽带无 线电技术，可以追溯到i 8 9 4 年马可尼发明的无线电报机。当时莫尔斯电码是通过火花隙发 报机承载在巨大的带宽上发射出去的。所以世界上第一台无线电设备就是u w b 设备。其 后窄带载波无线电技术逐渐占据了主要地位，在无线通信技术中得到广泛应用。u w b 技术 再次浮出了水面是2 0 世纪6 0 年代末的时候。由于对散射体极其敏感和低功耗等特性， u w b 技术开始被美国军方雷达系统所采用。在后来的二十年内这些现代意义上的u w b 技术主要应用局限于美国的军事通信、雷达搜索探测、定位及测距等方面，其研究机构仪 限j i 与军事相关联的企业以及研究机关、团体。 直至上个世纪末，u w b 技术逐渐转向民用。在这方面，由l 一超宽带技术的种种优点使 其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对u w b 信号应用的研究比较活跃，主 要用于通信、雷达以及精确定位。索尼、时域( t i m ed o m a i n ) 、摩托罗拉、英特尔、戴姆 勒一克莱斯勒等公司都已涉足u w b 技术的开发，其典型应用是希望采用u w b 无线通信系 统将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离光线通信小犁 化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。 ： 自1 9 9 3 年r a s c h o l t z 的论文( 1 】提出了跳时多址的脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 的 概念以来，i r u w b 技术引起了学术界的广泛关注，对于u w b 无线通信以及其他方面的 研究逐渐深入的开展起来。2 0 0 2 年5 月2 0 2 3 日，i e e e 举办了一期会议，专门讨论u w b 技术及其应用。2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n c o m m i t t e e ，f c c ) 正式通过了将u w b 技术应用十民用的议案，定义了三种u w b 系统：通 信与测量系统、成像系统、车载雷达系统，并对二种系统的等效全向辐射功率( e q u i v a l e n t l s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，e i r p ) 的谱密度分别做了规定。但是，u w b 技术的协议与标准还 在制定过程中。目前，只有美国允许民用u w b 设备的使用；而欧洲正在讨论u w b 的进一 步使用的可能，并在观望美国的u w b 标准化进展。 1 9 8 9 年，美国国防部第一次对u w b 的概念作出了明确定义：所占频带宽度至吵为 1 ，5 g h z ，或者2 0 d b 相对带宽为2 5 或更高。美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 也采用类似的方式定义了民用领域的u w b 2 。不过这 次具体的定义改为：所幽频带宽度至少为5 0 0 m h z ，或者t o d b 相对带宽为2 0 或更高。 f c c 开放了3 1 1 0 6 g h z 的免赀频段给民用u w b 系统。具体的频谱规定见表1 1 2 】。图 第l 页共1 4 6 页 t - 1 1 学披小j 、学一博i 论文毓r 帚锚l e 1 】显1 if c c 列u w b 室山无线通信的频港规定，为了清晰反映这个频段现有频渚规划：队 念，还给出r3i 1 06 g h z 频率弛田内和附近年笺现存系统所分配的频率资源。 表1 1f c c 对各种应用的u w b 信号频谱分配及功军限制 9 6 0 ，1 6 1 0 1 6 1 0 一】9 0 0 1 9 0 0 - 1 9 9 0 1 9 9 0 3 1 0 0 31 0 0 一i o 6 0 0 1 0 ，6 0 0 2 2 ，0 0 0 2 2 ，0 0 0 - 2 9 、0 0 0 2 9 、0 0 0 3i ，0 0 0 3 j 0 0 0 4 0 4 5 5 0 一一0 = 6 0 - 6 5 7 0 7 5 8 0 等效全向辐射i j j 率谱密膻fd b m m h z ) 奉内通佑f 持通信低频段成像高频糟成像中频段成像汽牟盅边 7 5 3 - 7 53 6 536 53一5 337 53 5 336 335 33- 5 33- 5 i3 6 13 5 i3 4 l3 5 l3 4 i - 3 5 l3 。6 l3 5 i34 i3 6 l3 4 l3 5 l35 l3 2468 频率( g h z ) a n d 1 a 1 b 4 l3 5 13 6 13 图1 1f c c 的u w b 室内商用频谱规定 i e e ej f 在进行i e e e 8 0 2i53 无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 怀 准| ! l 勺j 刖j 之。i i i 卜u w b 技术的利- 种优点，使其作为w p a n 的土婴技术之 山i e e e 8 0 2i5t g 3 a 技术上”组来实施具体的标准制定。i e e e8 0 2 i5t g 3 a 技术 件组已经收到多 份提案，但迎没有山壶终确定其方案1n ji e e e8 0 215s g 3 a 硼究作- t l l n 负责刑具体u w b 技术。文施方面的标准化工件。 国内甲期关了u w b 技术的深入硎究仪嫩t 雷达方碰，对tu w b 通信系统r 例冗还没 有彤成规模。2 0 0 1 年9 月初发粕的“十五”8 6 3 计划通信技术十题研究项翻中，首；允把超 宽带兀线通信- 跫键投求成其共存与兼棒技术作为无线通信共盹技术与创新技术的删究i 山 寄，鼓励喇内学者_ i j i | 慢这方诵的研发工作。2 0 0 3 年围家8 6 3 计划通信l - 越进步在个人通 信领域设正丁“超宽带无线传输技术的习f 究与开发”的子课题。近米几所大学对u w b 通信 筇2 贞共1 4 6 负 一n委c】qp)越鄙磐瓣蚤 中国科学技术大学博士论史 第l 章绪i 仑 技术的研究在跟踪国外技术的基础上业已取得了一定研究成果，试验系统的开发也在进行 中。 本论文讨论的是关于u w b 技术在无线通信方面的研究。 1 2u w b 信号的主要类型 u w b 、通信系统的主要实现方式可以分为脉冲无线电方式和载波调制方式。前者是传统 的u w b 通信方式，后者是f c c 规定了u w b 通信的频谱使用范围和功率限制后，在超宽 带无线通信标准化的过程中逐渐提出的。而且，载波调制的u w b 通信又可分为单带和多 带两种形式f 3 】。 1 2 1 脉冲无线电 脉冲无线电( i r u w b ) 是u w b 通信晟经典的实现方式，通信时利用宽度在亚纳秒级 的，具有极低占空比的基带窄脉冲序列携带信息【4 。发射信号是由单脉冲( m o n o c y c l e ) 信号组成的时域脉冲序列，其频谱已经在射频段，无需经过频谱搬移就可以直接辐射。系 统通常采用的调制方式有脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 、二进制相移 键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，b p s k ) 、脉冲幅度调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ， p a m ) 等。窄脉冲可以采用不同波形，如高斯函数族波形升余弦波形甚至多种脉冲的形 式等。 图1 2 等间隔高斯二次微分脉冲序列 图1 - 2 是等间隔二阶高斯脉冲序列的时域波形。其中0 是脉冲重复间隔，t 是脉冲持 续宽度。脉冲无线电通信的信号占空比很小脉冲很窄，所以具有很高的时问分辨率，有 较强的多径分辨能力和多径分集的潜力。因为不需要调制载波使得收发机的结构简单， 功耗较低。脉冲信号具有较多的低频成分，对障碍物也有较强的穿透能力。 由于脉冲无线电超宽带通信是我们主要的研究内容，因而在本论文中其他部分讨论的 都是这种1 r u w b 通信系统，其主要研究方向在4 节中有详细介绍。 第3 页共1 4 6 页 中翻科学技术大学博l 论文第l 章绪硷 1 2 2 单带载波方式 采用单载波方式的u w b 通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通 信。其典型例子就是x t r e m e s p e c t r u m 公司向i e e e8 0 2 15 t g 3 a1 作组提交的单载波d s c d m a u w b 方案 5 。这也是目前仍处于i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准竞争中的一种方案， 单载波d s c d m au w b 方案将f c c 规定的3 1 1 0 6 g h z 的可用频段分为高低两个频 段，分别为3 1 5 1 5 g h z ( 低频段) 和5 8 2 51 0 6 0 1 - t z ( 高频段) 。两个频段之间没有利 用是为了避免和使用u - n i l 频段的其他系统干扰。单独使用低频段，可以实现4 0 0 m b p s 的 传输速率，单独使用高频段日以实现8 0 0 1 v l b p s 的传输速率，或者两个频段同时使用可以实 现高达1 2 0 b p s 的传输速率。 单载波d s c d m a 方案是用其有低互相关性的三进制码作为扩频码，码长是2 4 。系统 中采用多进制的双正交键控( m - b o k ) 的联合编码扩频调靠4 方案。发送符号波形为根升余 弦( r r c ) 波形。表1 - 2 给出了这个系统物理层在提供1 1 4 m b p g 速率时的主要参数 5 】。 表1 21 1 4 m b p s 速率单载波d s c d m a 方案参数 单载波d s - c d m a 方案列以支持最多8 个微徽网( p i c o n e t ) 同时| 作，其中4 个工作 在低频段，另4 个工作在高频段。同一频段4 个p i c o n e t 使用不同的扩频码子集台以相互区 分。与8 0 2 15 3 的m a c 层协议兼容，在每个p i c o n e t 内部，不同用户以时分多址 ( t d m a ) 的方式拭享信道，。 、 1 2 3 多带载波方式 多载波方式将u w b 的町用频谱划分为多个子频带，每个子频带的宽度一般等f 或者 稍大于5 0 0 m h z 。信号被调制到一个或者多个子频带内传输。通过多带的方式可以更加灵 活的 4 用频谱资源，提高频谱的利用效率。调靠4 在一个子频带内的信号可咀是频谱宽度与 子频带带宽相当的单脉冲信号，也可阻是其他形式。典型的实现如i e e e8 0 2 1 5 t g 3 a 任务 组收到的t i 公司多带时频交织正交频分复用( m b - t h - o f d m ) 方案【6 】和i n t e l 公司多带 u w b 方案【7 】。 研究表明，室内u w b 信道是一个密集多径的信道。径与径之问的间隔在纳秒最级甚 至小于纳秒詹级，而相邻径之间的传输状态差别可能很太，有效的多径时延可达1 0 0 纳秒 左右 8 。采用o f d m 技术，能够简单有效地收集多径能量，提高系统性能。另外o f d m 信号具有接近矩形的频谱，频谱利用率很高，此外还可以通过调节o f d m 子载波的发射功 信号具有接近矩形的频谱，频谱利用率很高，此外还可以通过调节o f d m 子载波的发射功 第4 页共1 4 6 更 中铡科学技术大学博l 论文第l 章绪论 1 2 2 单带载波方式 采用单载波方式的u w b 通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通 信。其典型例子就是x t r e m e s p e c t r u m 公司向i e e e8 0 2 1 5 ，t g 3 a 工作组提交的单载波d s c d m a u w b 方案 5 】。这也是目前仍处于i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准竞争中的一种方案。 单载波d s c d m au w b 方案将f c c 规定的3 】1 0 6 g h z 的可用频段分为高低两个频 段，分别为3 1 5 、15 g h z ( 低频段) 和5 8 2 5 1 0 6 0 h z ( 高频段) 。两个频段之间没有利 用是为了避免和使用u - n i l 频段的其他系统干扰。单独使用低频段，可以实现4 0 0 m b p s 的 传输速率，单独使用高频段司以实现8 0 0 m b p s 的传输速率，或者两个频段 - j 时使用可以实 现高达l2 g b p s 的传输速率。 单载波d s - c d m a 方案是用其有低互相关性的三进制妈作为扩频码，码长是2 4 。系统 中采用多进制的双正交键控( m b o k ) 的联合编码扩频调制方案。发送符号波形为根升余 弦( r r c ) 波形。表1 - 2 给出了这个系统物理层在提供1 1 4 m b p s 速率时的主要参数【5 】。 表1 211 4 m b p s 速率单载波d s - c d m a 方案参数 单载波d s c d m u k 方案可以支持最多8 个微微网( p i c o n e t ) 同时。作，其中4 个工作 在低频段，另4 个工作在高频段。同一频段4 个p i c o n e t 使用不同的扩频码子集合以相互区 分。与8 0 2 1 5 3 的m a c 层协议兼容，在每个p i e o n e t 内部，不同用户以时分多址 ( t d m a ) 的方式共事信道，。 1 2 3 多带载波方式 多载波方式将u w b 的可用频谱划分为多个子频带，每个子频带的宽度一般等f 或者 稍大于5 0 0 m h z 。信号被调制到一个或者多个子频带内传输，通过多带的方式可以更加灵 活的利用频谱资源提高频谱的利用效率。调制在一个子频带内的信号可以是频谱宽度与 子频带带宽相当的单脉冲信号，也可以是其他形式。典型的实现如i e e e8 0 2 1 5 t g 3 a 任务 组收到的t i 公司多带时频交织正交频分复用( m b - t f i * o f d m ) 方案【6 】和i n t e l 公司多带 u w b 方案 7 】。 研究表明，室内u w b 信道是一个密集多径的信道。径与径之间的间隔在纳秒嚣级甚 至小于纳秒量级，丽相邻径之间的传输状态差别可能很大，有效的多径时延可选1 0 0 纳秒 左右 8 。采用o f d m 技术，能够简单有效地收集多径能量，提高系统性能。另外o f d m 信号具有接近矩形的频谱，频谱利用率很高。此外还可以通过调节o f d m 予载波的发射功 第4 页共1 4 6 页 中国科学技术大学博，1 除立第1 章绪论 率，在一个子带内更加精确地控制信号的频谱形状，从而更加高效地避免对其他系统产生 干扰。 1 3u w b 通信系统的特点 由于u w b 技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络w p a nf w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 的主要技术之一。w p a n 的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆， 以低价格和低功耗在l o m 范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。 其最普遍的应用是连