（通信与信息系统专业论文）mbofdm+uwb系统中的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 超宽带( u w b ) 是一种发展很快的新兴技术，在无线通信领域具有广阔的应 用前景。u w b 无线通信技术能够实现数据的高速传输，同时具有低功耗、低成本、 高精度定位等突出优点，是构建未来无线个域网的理想技术。与已有的无线通信 系统相比，u w b 系统的带宽及传输速率超高，发射功率又受到严格限制，尚存在 不少技术难点亟待解决。在u w b 无线高速通信领域，目前主要有d s c d m a 和 m b o f d m 两种方案，本文以已公布的m b o f d m 方案物理层标准为基础，研究 了其中的若干关键技术，主要内容及创新点如下： 1 m b o f d m 系统的信道均衡与分集合并技术研究 研究了适用于m b o f d m 系统的信道均衡与分集合并技术。针对m b o f d m 系统的子载波频率分集，以及u w b 信道变化缓慢的特点，提出一种自适应联合均 衡方案。该方案能够将分集信号的频域自适应均衡与最大比合并( m r c ) 功能同 步实现，无需传统方案所需的最大比加权环节。首先从理论上证明了无符号间干 扰时，最小均方误差( m m s e ) 合并与m r c 等价，可通过符合m m s e 准则的自 适应算法实现；接着分析出传统最小均方( l m s ) 算法的迭代过程不符合齐次性 和叠加原理，输入信号为高度相关的分集信号时很难收敛；然后推导出了符合子 载波分集信号特征的约束条件，约束条件下的l m s 算法符合齐次性和叠加原理， 具有良好的收敛特性，收敛后的权系数同时具有频域均衡与最大比加权功能：最 后推导了受约束l m s 算法的收敛条件和时间常数，从理论上说明其收敛特性只与 归一化步长有关，而与输入信号的相关性无关。仿真结果验证了理论分析结论。 2 o f d m 系统的比特与功率分配算法研究 研究了能够实现o f d m 系统传输速率最大化的比特与功率分配算法。针对整 数比特限制以及m b o f d m 系统的运算简单要求，根据注水原理提出一种低运算 复杂度的最优算法比特水线算法。在定义了比特水线并证明了比特水线性质 的基础上，给出了算法原理和实现公式，并从理论上证明了分配结果的完备性和 最优性。分析显示，该算法的运算复杂度和次优的迭代注水算法或其改进算法相 当，实际运算量小于改进的迭代注水算法。该算法还可以调整为功率最小化算法。 仿真结果表明该算法的比特与功率分配结果和贪婪算法完全相同。 3 m b o f d m 系统的窄带干扰问题研究 对窄带干扰( n b i ) 抑制方法进行了研究。先总结了目前的研究现状，然后讨 论了抑制n b i 的几种基本方法，分析了它们各自的特点。由于m b o f d m 方案建 西安电子科技大学博十学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 议使用子载波剔除法抑制n b i ，所以需要简单而准确的检测方法。提出一种基予 序列构造的n b i 检测方法：先对导频子载波和数据子载波分别构造不同的检测序 列，然后按照推导出的公式进行简单计算，就可以获得比较准确的信干噪比估计 值。该方法计算简单、不受信道参数影响，仿真结果显示信干噪比估计值和实际 值相差在0 8 d b 以内。 关键词：超宽带多带正交频分复用自适应均衡比特与功率分配窄带干扰 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) ，w h i c hh a sb e e ns p e e du pt od e v e l o pi nr e c e n ty e a r s ，i sa n o v e lt e c h n o l o g ya n dc o u l db ea p p l i e dt of u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u ei so u t s t a n d i n go fh i g hd a t ar a t e s ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o we q u i p m e n tc o s t ，a n dh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y , s oi ti sv e r ys u i t a b l e f o rt h ec o n s t r u c t i o no fw 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 ) i n t h ef u t u r e c o m p a r e d w i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ne x i s t e n c e ，t h eu w b s y s t e m sh a v eh i g h e r d a t ar a t e sa n db a n d w i d t h ，i na d d i t i o n ，t h e i rt r a n s m i tp o w e ra r er e s t r i c t e ds t r i c t l y , a l lo f t h e s el e a dt os o m et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e st ob es o l v e d i nu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i e l d ，t h e r ea r em a i n l yt w os c h e m e sa tp r e s e n t ：d s c d m ab a s e du w ba n dm b o f d m b a s e du w b i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ek e yt e c h n i q u e so fm b o f d ms y s t e m sa r e d i s c u s s e d ： 1 s t u d yo nc h a n n e le s t i m a t i o na n dd i v e r s i t yc o m b i n i n gf o rm b o f d ms y s t e m s s o m ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa n dd i v e r s i t yc o m b i n i n gt e c h n i q u e st h a tc o u l d b eu s e di nm b o f d ms y s t e m sa r e i n v e s t i g a t e d b yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u b c a r r i e r sd i v e r s i t yp r o v i d e di nm b o f d ms y s t e m ，a na d a p t i v ej o i n te q u a l i z a t i o n s c h e m ei sp r o p o s e d t h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni m p l e m e n tf r e q u e n c y d o m a i na d a p t i v e e q u a l i z a t i o na n dm a x i m u m r a d i oc o m b i n i n g ( m r c ) j o i n t l yw i t h o u tw e i g h t i n gt h e d i v e r s i t yb r a n c h e st h a ti se s s e n t i a li nt r a n d i t i o n a ls c h e m e s f i r s t l y , i t sp r o v e dt h a tt h e m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ( m m s e ) c o m b i n i n gi se q u i v a l e n tt om r c w h e nt h e r ei s n oi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，s oi tc a nb ec o m p l e t e dw i t ht h ea d a p t i v ea l g o r i t h mi n a c c o r d a n c ew i t hm m s e c r i t e r i o n t h e n ，i t sf o u n dt h a tt h et r a n d i t o n a ll m s a l g o r i t h mi s n o tc o m p l i e dw i t ht h eh o m o g e n e i t ya n dt h eo v e r l a p a n d a d dp r i n c i p l e ，a sar e s u l t ，i t c o n v e r g e ss l o w l yw h e nt h ei n p u ts i g n a l sa r eh i g h l yc o r r e l a t e d s o m ec o n s t r a i n t sa r ea l s o d e r i v e d ，u n d e rw h i c ht h el m sa l g o r i t h mc o n v e r g e st ot h e o p t i m u mw e i g h tv a l u e s d i r e c t l y , a n dt h ec o n v e r g e dw e i g h tv a l u e sh a v eb o t ht h ef u n c t i o no fe q u a l i z a t i o na n d m r c t h ed e r i v e da n a l y t i c a le x p r e s s i o n si n d i c a t et h a tt h e c o n v e r g e n c eb e h a v i o ro ft h e p r o p o s e da l g o r i t h mi so n l yg o v e m e db yt h en o r m a l i z e ds t e ps i z e ，r e g a r d l e s so ft h ei n p u t s i g n a lc o r r e l a t i o nm a t r i x t h et h e o r e t i cc o n c l u s i o n sa r ev e r i f i e d b yt h es i m u l a t i o n r e s u l t s 2 s t u d yo nt h eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o ro f d m s y s t e m s 西安电子科技大学博十学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 t h eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sa i m i n ga tm a x i m i z a t i o nt h ed a t ar a t e i n o f d ms y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d u n d e rt h ec o n s t r a i n to fi n t e g e rb i ta n dt h er e q u i r m e n t o fl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi nm b o f d ms y s t e m s ，a no p t i m u ma l g o r i t h mn a m e d a sb i t w a t e r - l e v e la l g o r i t h mi sp r o p o s e d f i r s t l y , t h eb i t - w a t e r - l e v e li sd e f i n e da n di t s p r o p e r t yi sp r o v e d ，t h e np r i n c i p l ea n df o r m u l a t i o n so ft h ea l g o r i t h ma r eo b t a i n e d i t s t h e o r e t i c a l l yp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mi so p t i m u ma n dc a n a c h i e v ea n yp o s s i b l er e s u l t s a l s o i t ，sf o u n dt h a tt h ea l g o r i t h mh a sas i m i l a rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yw i t ht h e s u b o p t i m u ma l g o r i t h m so f i t e r a t i o n w a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h m o ri m p r o v e di t e r a t i o n w a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h m s ，a n dn e e d l e s sn u m b e ro fc o m p u t a t i o n si np r a c t i c e t h e a l g o r i t h mc a na l s o b ea d a p t e dt om i n i m i z et h et r a n s m i tp o w e r i t sc o n f i r m e di n s i m u l a t i o n st h a tt h ea l g o r i t h my i e l d st h es a m eb i t sa n dp o w e ra l l o c a t i o nr e s u l t sw i t ht h e g r e e d ya l g o r i t h m 3 s t u d yo nt h ep r o b l e mo f n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ei nm b o f d ms y s t e m s m e t h o d so fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ( n b i ) s u p p r e s s i o na r er e s e a r c h e d f i r s t l y , s e v e r a ls u p p r e s s i o ns c h e m e sa c c o m p l i s h e dr e c e n t l y a led i s c u s s e d ，a n dt h e ns o m e f o u n d a t i o n a lm e t h o d sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa l ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b e c a u s et h e g u b c a r r i e r se l i m i n a t i o nm e t h o di ss u g g e s t e dt ou s e f o rn b is u p p r e s s i o nb yt h e m b o f d ms c h e m e ，t h es i m p l ea n da c c u r a t en b id e t e c t i o nm e t h o di s n e e d e d a d e t e c t i o nm e t h o db a s e do ns e q u e n c e sc o n s t r u c t i o ni sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，d i f f e r e n t s e q u e n c e sa r ec o n s t r u c t e da n dd i f f e r e n ts i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o ( s r n r ) d e t e c t i o nf o r m u l a sa led e r i v e df o rp i l o ts u b c a r r i e r sa n dd a t as u b c a r r i e r sr e s p e c t i v e l y t h em e t h o dh a sal o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n di t se s t i m a t i o nr e s u l t sa r en o t i n f l u e n c e db yt h ec h a n n e lp a r a m e t e r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es i n rc a nb e e s t i m a t e dw i t ha ne r r o rn o te x c e e d e d 0 8 d b k e y w o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ； m u l t i b a n d o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( m b o f d m ) ；a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ；b i ta n dp o w e r a l l o c a t i o n ；n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ef n m ) 缩略词 3 g a d c a w g n b e r b p s k c d m a c p c s i d a c d f e d s c d m a e t s i f c c f f t g i g p s l f f t i e e e i c i i s i l m m s e l o s l s m b m b o a m l m o m m s e 缩略词 t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e n e r a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e n e r d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r d i r e c t s e q u e n c es p r e a d i n gc o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s e u r o p e t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n i n s t i t u d e f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r l t l g u a r di n t e r v a l g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e t r o n i c se n g i n e e r s i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n e a rm i n i m u mm e a n - s q u a r e de r r o r l i n eo fs i g h t l e a s t - s q u a r e s m u l t i b a n d m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r 第3 代移动通信 模数转换器 加性高斯白噪声 误比特率 二相移相键控 码分多址 循环前缀 信道状态信息 数模转换器 判决反馈均衡器 直接序列扩频码分多 址 欧洲电信标准化所 美国联邦通信委员会 快速傅立叶变换 保护间隔 全球定位系统 快速傅立叶逆变换 电气与电子工程协会 子载波问干扰 符号间干扰 线性最小均方误差 视距 最小平方 多带 多带o f d m 联盟 多输入多输出 最小均方误差 西安电子科技大学博十学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 n b i n l o s o f d m p d f p s d t f c q o s q a m q p s k s n r w l a n w w a n u s b u w b z p n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e n o n - l i n eo fs i g h t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o w e rd e l a yp r o f i l e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y t i m e f r e q u e n c yc o d e q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s i g n a lt on o i s er a t i o w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k u n i v e r s a ls e r i a lb u s u l t r a - w i d eb a n d z e r o p a d d e dp r e f i x 窄带干扰 非视距 正交频分复用 功率延迟剖面 功率谱密度 时频码 服务质量 正交幅度调制 正交相移键控 信噪比 无线局域网 无线广域网 通用串行总线 超宽带 附零前缀 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：乏牡醐半7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人弛牡 导师签名： 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 近年来，随着通信理论、数字信号处理、集成电路等基础理论、技术和工艺 的发展，无线通信技术呈现出加速发展的趋势。目前，蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线 局域网( w l a n ) 等无线网络和接入技术已经得到普遍应用，第三代移动通信( 3 g ) 网络也已经开始在包括我国在内的全球多个国家部署，其增强型技术已突破了 2 m b p s 的速率上限，目前的下行速率可高达8 m b p s ，这将为数字视频等移动多媒体 业务的发展带来新的契机，也将使人们的生活更加丰富多彩。 然而，人类对美好生活的追求是无止境的。随着数字电视、家庭影院、宽带 因特网等技术的快速发展，个人消费类电子产品或服务之间的无线融合成为人们 对无线通信的新需求。对于消费类产品或服务来说，高吞吐率、低功耗、低成本 是基本要求，也是未来无线个域网( w p a n ) l l j 需要完成的任务。未来，w p a n 、 w l a n 、无线广域网( w w a n ) 等技术将为人们提供无线网络的无缝连接【2 】，必 将进一步提升人们的生活品质。 0 - 1 0 m 0 1 0 0 m o 1 0 k m 图1 1无线网络的典型通信距离 按照i e e e 的定义，w p a n 是一种最接近用户的无线接入方式，主要用于个人 操作空i 日j 内各种电子产品之间的信息交换，覆盖范围通常在1 0 h i 左右，具有短距 离、低功耗、大容量、低成本的显著特征。超宽带( u w b ) 无线通信技术不但具 备以上特征，还在理论上支持厘米级的定位功能，将成为未来无线个域网的主流 技术i 孓引。 2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 批准u w b 在特定功率辐射限制下，免 授权使用3 1 1 0 6 g h z 频段【6 l 。随后，欧洲以及其它各国的频率规划组织也给出了 2两安电子科技大学博十学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 各自的u w b 应用条件，各大跨国企业、研究组织、专家、学者投入了极大的热情 到u w b 的各项研究和发展规划之中。总体来说，u w b 系统将以功率限制、频谱共 享的模式与其它已有的无线系统共存，即在很大的频率范围内允许使用，但功率 谱密度不能超过规定的上限，避免对已有系统带来干扰。目前，u w b 已成为无线 通信领域研究的热点之一，尚有不少技术难点亟待解决。 1 2u w b 技术背景 u w b 技术1 7 弗j 虽然是近些年才开始引起人们的关注，但它的应用实际上可以 追溯到十九世纪末期。1 8 9 4 1 8 9 6 年，马可尼利用火花隙发射器产生脉冲信号， 并成功地向两英里外发送了莫尔斯电码。这种脉冲信号虽然具有典型的宽带特征， 但同时也带来了宽带干扰，更不利的是这种通信方式不支持频率共享，所以并没 有得到发展。 现代意义上的u w b 技术开始于上世纪六十年代早期关于时域电磁学的研究 1 9 - 1 4 l 。在技术领域：1 9 6 2 年或者稍后，惠普公司发明了一种时域采样示波剥1 5 】， 使人们可以较为方便地对亚纳秒级脉冲进行观测；19 6 3 年，r o s s 将短脉冲用于微 波网络的瞬态响应研究【9 】；1 9 7 2 年，r o b b i n s 发明了高灵敏度的便携式短脉冲接 收机f l 引，这一成果大大加速了这一领域的研究；1 9 7 3 年，短脉冲u w b 通信系统 的第一个基础性专利诞生l l 。在学术领域：b e n n e t t 于1 9 7 8 年发表了关于时域电 磁学的基础性论文，对超宽带技术做了比较全面的论述【l 引；1 9 9 3 年，美国南加州 大学的s c h o l t z 教授发表了一篇具有重要意义的论文【1 9 1 ，说明了u w b 信号具有比 窄带信号更强的抗多径能力，并且u w b 系统可以通过跳时的方式实现多址，使 u w b 技术向民用方向发展成为可能。 直到上世纪8 0 年代末，u w b 主要以短脉冲的技术方式应用于雷达、对地探 测等军事目的，所以也被称为脉冲无线电( i r ) 技术。1 9 9 0 年，美国国防部高级 研究项目机构( d a i 冲a ) 首次在一项关于雷达的研究中提出了u l t r a - w i d e b a n d 这 一概念【2 0 。1 9 9 0 年代中后期，随着u w b 基础理论与技术的发展，以及人们对通 信速率需求的进一步提升，将u w b 技术向民用开放的呼声越来越高，但需要解 决的一个冲突就是u w b 信号频谱可能和已有窄带系统重叠，必须对u w b 信号 的发射功率进行限制。1 9 9 8 年上半年，f c c 发出了制定u w b 发射功率限制标准 的征询，并于2 0 0 0 年公开了建议规范。2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 正式发布了u w b 设备的功率限制规范【6 j ，在功率限制范围内，u w b 设备可以免授权使用 3 1 1 0 6 g h z 频段。同时，f c c 还对u w b 信号重新做了定义，给出了三个应用 领域：成像，车载雷达，通信与测量。 在其它国家或组织，u w b 的规范化活动也在积极进行中。欧洲电信标准化 第一章绪论3 所( e t s i ) 已发布了比f c c 标准更严格的u w b 发射功率限制标准；日本的国内 事务与通信部( m i c ) 将3 8 g h z 及7 2 5 - 1 0 2 5 g h z 两个频段分配给u w b 设 备室内应用，并制定了与f c c 相似的功率发射限制标准；韩国也拟定在 3 1 4 8 g h z 及7 2 1 0 2 g h z 两个频段允许u w b 应用，带内功率限制采用与f c c 相同的标准。 对于u w b 这项革命性技术，我国也非常重视。从2 0 0 1 年9 月的“十五”计 划开始，u w b 已经在我国众多的研究计划中被列为无线通信领域的重要研究内 容。但截止目前，我国尚未设立制定u w b 规范的专门机构。 1 3 1u w b 信号定义 1 3u w b 信号 按照f c c 规定，u w b 信号是指绝对带宽大于5 0 0 m h z 或者相对带宽大于2 0 的信号。如果定义厶和以分别为一1 0 d b 高端截止频率和一1 0 d b 低端截止频率，那 么u w b 信号的绝对带宽需满足： 或者相对带宽需满足： 最1 哪= 厶一五5 0 0 m h z ( 1 1 ) 廓= 赫拉似 ( 1 2 ) 为保证u w b 设备不对其它已有设备造成干扰，在3 1 1 0 6 g h z 频段内，f c c 严格限制了u w b 设备的室内和室外辐射功率谱密度，如图1 2 和1 3 所示，其中 室外的限制更加严格，主要是为了保护全球定位系统( g p s ) 等低功率系统。 4 0 5 0 n z 薹6 0 蠢 勺 7 0 1 0 0 频率( g h z ) 1 0 1 图1 2f c c 允许的u w b 设备室内辐射功率谱 4两安电子科技大学博十学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 1 3 2u w b 信号特点 4 0 5 0 6 0 7 0 1 0 0 频率( g h z ) 1 0 1 图1 3f c c 允许的u w b 设备室外辐射功率谱 u w b 信号的特点主要表现在以下几个方面： 1 ) 分簇密集多径传播 u w b 信号在室内传播时有密集多径现象【2 1 之3 1 ，分辨率可以达到纳秒( n s ) 级， 具备高精度测距、定位功能。但这种现象也会使u w b 信号产生比较严重的时间 弥散，给接收机捕获多径能量带来一定困难。另外，多径的分簇现象也给信道建 模工作带来了一定挑战。 2 ) 高带宽、高数据速率、频谱共享 u w b 信号的带宽在5 0 0 m h z 以上，和已有的无线系统共享3 1 l o 6 g h z 频段。 根据香农容量公式，高带宽可以支持高传输速率，目前的u w b 演示系统数据速 率已达数百m b p s ，未来达到g b p s 量级也不是遥不可及。在频谱资源日益紧张的 现状下，频谱共享提供了一种充分利用现有资源，提高频谱利用率的有效手段。 3 ) 微功率、短距离 u w b 信号的等效全向辐射功率( e i r p ) 谱密度不大于一4 1 2 5 d b m m h z ，不会 干扰其它系统的正常运行，也有利于延长便携式u w b 设备的工作时间。同时， 支持的通信距离较短，一般在1 0 m 以内。 1 4u w b 无线通信系统的实现方案 1 4 1 标准化工作现状 u w b 技术在无线通信领域的主要应用是w p a n ，而w p a n 标准的制定是 i e e e8 0 2 1 5 的主要工作。目前，i e e e8 0 2 1 5 共有4 个研究小组，其中8 0 2 1 5 1 制定了蓝牙标准；8 0 2 1 5 2 主要研究两个或以上系统的共存问题；8 0 2 1 5 3 主要负 n芝毫它 第一章绪论 5 责速率为1 0 5 5 m b p s 的高速w p a n 开发；8 0 2 1 5 4 主要关注低功率、低速率w p a n 系统。显然，u w b 技术将使w p a n 系统的传输速率能够超越5 5 m b p s 的限制， 为此i e e e 于2 0 0 2 年专门成立了8 0 2 1 5 3 a 工作组，负责制订基于u w b 技术的高 速w p a n 物理层标准。本文仅关心u w b 技术的高速应用。 为了广泛征集提案，i e e e8 0 2 1 5 3 a 成立了t g 3 a 工作组，该工作组对高速 w p a n 标准提出了5 个基本要求： ( 1 ) 市场广阔。主要包括应用环境、供应商、用户的多样性，及高性价比。 ( 2 ) 兼容性。与i e e e8 0 2 体系，管理和互联的需求必须兼容。 ( 3 ) 唯一性。唯一针对数据速率高于l1 0 m b p s 的多媒体市场的标准。 ( 4 ) 技术性能。能够经受严格的技术测试。 ( 5 ) 价格指标。能够产生良好的经济效益。 2 0 0 3 年，t g 3 a 将收到的2 3 个提案融合成两大方案，一种是基于脉冲无线电 方式的d s c d m a 方案阱j ，另一种是基于正交频分复用( o f d m ) 技术的多带 o f d m ( m b o f d m ) 方案1 2 5 - 2 7 】。其中m b o f d m 方案由以英特尔、德州仪器等 公司为首的多带o f d m 联盟( m b o a ) 提出，支持者较多；而以m o t o r o l a 为首 的一些公司则认为其所支持的d s c d m a 方案在技术上更先进。因为存在潜在的 巨大商机，两大阵营互不相让，两种方案都没有获得i e e e 标准所要求的7 5 得 票率，导致标准化工作陷入僵局，t g 3 a 也在2 0 0 6 年1 月宣布解散，宣告u w b 高速应用国际标准化进程的暂时失败。 从发展的角度考虑，u w b 高速应用国际标准化的失败也许并不是一件坏事， 因为这给两种体制的发展都留下足够的时间，哪一种体制成为事实上的标准最终 由市场决定，其结果也必将更加符合消费者利益。 最近几年，无线u s b 、无线1 3 9 4 等标准化组织也表现出对u w b 技术的浓厚 兴趣，并且已经宣布将采用m b o f d m 方案作为实施u w b 的基础。显然，拥有 众多强势成员的m b o a 占据了u w b 市场化进程中的优势，m b o f d m 方案将更 有可能成为未来的主流标准。 1 4 2d s c d m a 方案特点 d s c d m a 方案将许可频段分成低( 3 1 5 1 5 g h z ) 和高( 5 8 2 5 1 0 6 g h z ) 两个频带。在每个频带内，先对发送数据进行直接序列扩频，然后用短脉冲发送。 低频带主要用于2 8 5 - - 4 0 0 m b p s 数据速率的服务；高频带主要用于5 7 8 0 0 m b p s 数据速率的服务。如果给不同用户分配不同的扩频码，则可实现码分多址。这种 方案主要有以下优点1 2 s - 3 0 1 ： ( 1 ) 使用的直接序列扩频和码分多址技术比较成熟； 6 两安电子科技大学博士学位论文：m b o f d mu w b 系统中的关键技术研究 ( 2 ) 支持速率更高； ( 3 ) 结构简单，易于实现低成本、低功耗。 1 4 3m b o f d m 方案特点 m b o a 将3 1 1 0 6 g h z 频段划分成1 4 个子带，每个子带5 2 8 m h z 。在此基础 上定义了四个含有三个子带和一个含有两个子带的频带组。系统采用时频交织的 方式实现多址，具体方法是给每个用户分配一个独有的时频码( t f c ) ，用户按 照时频码工作于不同的频带组或者同一个频带组的不同时隙。工作于最低频带组 的三个子带时称为模式1 ，这也是目前方案所强制要求的，如图1 4 所示，每3 1 2 5 n s 在每个子带上交替发送一个o f d m 符号。系统共1 2 8 个子载波，其中1 0 0 个信息 子载波，1 2 个导频子载波，其余为保护子载波，采用q p s k 映射，目前支持的数 据速率为5 3 3 4 8 0 m b p s 。m b o f d m 方案主要有以下优剧3 1 3 2 j ： ( 1 ) o f d m 技术成熟，具有较高的频谱效率； ( 2 ) o f d m 符号前缀可以简单有效地捕获多径信号能量； ( 3 ) 通过子载波剔除方式能够轻易地抑制n b i ； ( 4 ) 多子带频带组结构可以使频谱资源分配策略更加灵活。 一k ob 三i：i 3 1 2 5 n s ：1 l l j l霎i 7 j ，j i l s 、 1 4 4 主要参数对比 图1 4m b o f d m 方案模式1 下的符号发送顺序 表1 1 给出了d s c d m a 和m b o f d m 两种方案的主要参数对比结果1 33 。可 以看出：第一，两种方案对频段的划分不同；第二，两种方案的调制方式不同， 并由此导致采样速率、解决多径方式等参数或者方法的不同。显然，仅从某个单 项指标上很难对两种方案做出评判。例如d s c d m a 方案支持的微网数量更多， 而m b o f d m 方案更容易解决多径问题。所以，从技术实现上来说，两种方案无 法分出高低，只有等待市场的选择。 第一章绪论 7 表1 1d s c d m a 方案和m b o f d m 方案的主要参数对比 参数或方式 d s c d m am b o f d m 频带数 21 4 调制 b p s k ，q p s k ，d s - s sq p s k ，o f d m 多址方式 c d m a 时频交织 支持微网数 84 纠错码卷积码，r s 码卷积码 切普宽度 高带3 6 5 5 p s ，低带7 3 1 p s 3 1 2 5 n s o f d m 符号 6 7 d b l10 m b p s 10 m ( 低带)6 0 d b l10 m b p s 10 m ( 模式1 ) 链路