（通信与信息系统专业论文）冲激无线电超宽带系统若干关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：“新一代宽带无线移动通信”是国务院在2 0 0 6 年2 月制定的国家中长期 科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中提出的1 6 个重大专项之一。超宽带 是新一代短距离无线通信的热点技术，它有很多独特的优点，使其非常适合于在 家庭娱乐、办公室和战场军事指挥等场合使用。作为一种新兴的通信技术，近年 来在国际国内受到了显著的重视，同时在应用中也面临许多需要解决的问题。论 文主要对冲激无线电超宽带的若干关键技术进行了研究。 本文首先对发射的基本脉冲波形设计进行了探讨，重点分析了高斯脉冲的不同 形成因子和不同阶导数对脉冲波形的影响，选定了基本脉冲波形。然后分别对跳 时脉冲位置调制和直扩脉冲幅度调制系统提出了影响发射信号波形的几个影响因 子。同时对发射信号进行了频域分析，并确定了发射机功率上限。 然后研究i e e e 8 0 2 0 5 3 a 推荐的多径信道模型。对四种信道类型都进行了仿真， 得出了每种情形下的信道冲激响应、功率延迟剖面、多径幅度增益直方图和均方 根时延扩展，并且都进行了相应的分析。 接下来对无多径加性高斯白噪声信道下接收机性能进行研究，接收机采用最大 似然判决准则。此外，还对发射端影响因子对误码率的影响进行了分析，并且首 先提出了脉冲时间间隔临界点t 唧的概念，并且在本文条件下通过仿真分析得出了 k 具体数值。 接着研究了多径信道下r a k e 接收机结构和性能。r a k e 接收机采用最大比率合 并准则合并多径信号。重点研究了有直达径信道下全r a k e 、选择性r a k e 和部分 r a k e 接收机的性能，同时也对每比特映射脉冲数和接收机叉指数对误码性能的影 响进行了研究。接着把前面分析得出的各个结果进行了比较。 论文最后对冲激无线电超宽带系统的多用户干扰进行了分析。主要研究在无多 径信道下基于标准高斯近似假设的多用户干扰，得出了两个系统的理论误码性能， 并对两个系统进行了比较分析。另外，把标准高斯近似假设与前面得到的误码性 能进行了比较验证。 关键词：超宽带；跳时脉位调制：直扩脉幅调制；r a k e 接收机；多用户干扰 分类号：t n 9 2 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：n e wg e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni so n eo f s i x t e e nm a j o rp r o j e c t sp r o p o s e di nt h eo u t l i n eo ft h en a t i o n a lp r o g r a mf o rl o n g a n d m e d i u m - t e r ms c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 ) w h i c hw a s f o r m u l a t e db yt h es t a t ec o u n c i li nf e b r u a r y , 2 0 0 6 u l t r aw i d eb a n di sah o t s p o t t e c h n o l o g yi nn e wg e n e r m i o ns h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t hm a n yu n i q u e a d v a n t i g e sw h i c hm a k ei tp e r f e c t l ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n si nt h e s eo c c a s i o n ss u c ha s h o m ee n t e r t a n m e n t ，o f f i c ea n db a t t l e f i e l dm i l i t a r yc o m m a n d a san e wc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , i ts h o w ss i g n i f i c a n tb o t ha th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r sa n di th a v e m a n yp r o b l e m st h a tn e e dt ob er e s o l v e di na p p l i c a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so ns o m ek e y t e c h n i q u e si ni m p l u s er a d i ou l t r aw i d eb a n d t h i st h e s i s ，f i r s to fa l l ，a n a l y z e st h ed e s i g no ft h eb a s i cp l u s ew a v e f o r mt r a n s m i t t e d ， e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c e so ff o r m a t i o nf a c t o ra n dd i f f e r e n to r d e r so fd e r i v a t i v eo f g a u s s i a np l u s e ，a n dt h eb a s i cp l u s ew a v e f o r mi ss e l e c t e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot i m e h o p p i n gp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o na n dd i r e c ts p r e a dp u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n s y s t e m s ，s e v e r a li m p a c tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et r a n s m i t t e ds i g n a lw a v e f o r ma r ep r o p o s e d a tt h es a m et i m e ，f r e q u e n c yd o m a i na n a li z a t i o no ft r a n s m i t t e ds i g n a li sd o n ea n du p p e r l i m i to ft r a n s m i t t e rp o w e ri sd e t e r m i n e d m u l t i - p a t hc h a n n e lm o d e lr e c o m m e n d e db yi e e e8 0 2 15 3 ai sr e s e a r c h e dt h e n t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h ef o u rc h a n n e lt y p e s ，c h a n n e li m p l u s er e s p o n s e ，p o w e rd e l a y p r o f i l e ，m u l t i - p a t ha m p l i t u d eg a i nh i s t o g r a ma n dr o o tm e a ns q u a r ed e l a ys p r e a da r e o b t a i n e da n dc o r r e s p o n d i n ga n a l i z a t i o ni sa l s od o n e n e x t ，r e c e i v e rp e r f o r m a n c ei na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e lh a sb e e n r e s e a r c h e d m a x i m u ml i k e l i h o o dd e c e s i o nc r i t e r i o ni s e m p l o y e d i nr e c e i v e r f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c eo fi m p a c tf a c t o r so ft r a n s m i t t e rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，i n a d d i t i o n ，ac o n c e p to fp l u s ei n t e r v a l c r i t i c a lp o i n tk i s p r o p o s e df i r s ta n dt h e n u m e r i c a lv a l u ei sg o t t e nb ys i m u l a t i n gu n d e rc o n d i t i o n so ft h i st h e s i s a f t e r w a r d s ，s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fr a k er e c e i v e rh a sb e e ni n v e s g a t e d r e c e i v e rc o m b i n e sm u t i - p a t hs i g n a l sa c c o r d i n gt om a x i m a lr a t i oc o m b i n i n gc r i t e r i o n t h ep e r f o r m a n c eo fa l lr a k e ，s e l e c t i v el h k ea n dp a r tr a k er e c e i v e r si nl i n eo fs i g h t c h a n n e li sm a i n l ys t u d i e d t h ei n f l u e n c eo f p u l s en u m b e r sp e rb i ta n df i n g e rn u m b e r so f r e c e i v e ri ss t u d i e ds i m u l t a n e o u s l y t h e s er e s u l t so b t a i n e dp r e v i o u s l yh a v e b e e n i n t e r c o m p a r e d a b s t r a c t m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c eo fi m p u l s er a d i ou l t r aw i d eb a n ds y s t e mi sa n a l y z e da t l a s ti nt h i st h e s i s m u l t i u s e ri n t e f e r e n c eb a s e do ns t a n d a r dg a u s s i a na p r o x i m a t i o ni n a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e li sm a i n l ys t u d i e d t h e o r e t i c a lb i te r r o r p e r f o r m a n c e so ft h et w os y s t e m sa r ed e r i v e da n di n t e r c o m p a r e d s t a n d a r dg a u s s i a n a p r o x i m a t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h o s eb i te r r o rp e r f o r m a n c e so b t a i n e dp r e v i o u s l yf o r v e r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：u l t r aw i d eb a n d ；t i m eh o p p i n gp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ；d i r e c t s p r e a d i n gp u l s ea p m l i t u d em o d u l a t i o n ； r a k er e c e i v e r ；m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e c i a s s n o ：t n 9 2 图表目录 图表目录 图1 1u w b 系统整体架构2 图1 2u w b 与传统无线通信的频谱比较。j 3 图1 3f c c 规定的室内u w b 辐射掩蔽限制4 图1 - 4 基于i r 的u w b 系统框图7 图2 1n 对高斯脉冲时域波形和功率谱密度的影响1 1 图2 2 高斯脉冲及其前五阶导数波形1 2 图2 3 高斯脉冲前五阶导数的功率谱密度。1 2 图2 4 高斯脉冲前五阶导数峰值频率与a 和d r 的关系。1 3 图2 5 高斯脉冲前五阶导数带宽与a 和d r 的关系1 4 图2 6 间隔脉冲序列波形及功率谱密度1 5 图2 7 脉冲位置按信息调制后的脉冲序列波形及功率谱密度1 6 图2 - 8t h p p m 信号波形及其功率谱密度1 6 图2 9t h p p mu w b 系统发射端框图。1 7 图2 1 0t h p p m 系统发射信号波形1 8 图2 11t h p p m 系统发射信号波形放大图1 8 图2 1 2t h p p m 信号的单边功率谱密度2 0 图2 1 3t h p p m 信号的单边功率谱密度放大图2 0 图2 1 4m a t l a b 画出的f c c 的u w b 室内辐射掩蔽限制2 1 图2 1 5t h p p m 信号功率谱密度与f c c 室内辐射限制比较之一2 1 图2 16t h p p m 信号功率谱密度与f c c 室内辐射限制比较之二2 2 图2 17d s c d m a 通信系统框图2 3 图2 i8d s p a l mu w b 发射端框图。2 4 图2 1 9d s p a m 系统发射信号波形2 6 图2 2 0d s p a m 系统发射信号波形放大图2 6 图2 2 1d s p a m 信号的单边功率谱密度2 8 图2 2 2d s p a m 信号功率谱密度与f c c 辐射掩蔽限制的比较之一2 8 图2 2 3d s p a m 信号功率谱密度与f c c 辐射掩蔽限制的比较之二。2 9 图3 1 多径信道脉冲响应示意图3 3 图3 2i e e e 信道情形a 的冲激响应及放大图3 6 图3 3i e e e 信道情形a 的离散时间冲激响应及放大图3 7 图3 4i e e e 信道情形a 冲激响应的p d p 及放大图。3 7 北京交通大学硕士学位论文 图3 5i e e e 信道情形a 多径幅度增益直方图3 8 图3 - 6i e e e 信道情形b 冲激响应和离散时间冲激响应3 8 图3 7i e e e 信道情形b 冲激响应的p d p ) f l z 放大图3 9 阻3 8i e e e 信道情形b 多径幅度增益直方图3 9 图3 - 9i e e e 信道情形c 的信道冲激响应和离散时间冲激响应4 0 图3 1 0i e e e 信道情形c 冲激响应的p d p 及放大图4 0 图3 1 li e e e 信道情形c 的多径幅度增益直方图4 l 图3 1 2i e e e 信道情形d 的信道冲激响应和离散时间冲激响应4 1 图3 1 3i e e e 信道情形d 冲激响应的p d p 及放大图4 2 图3 1 4i e e e 信道情形d 的多径幅度增益直方图4 2 图3 15 由多径时延产生的i s i 示意图4 3 图4 1d s p a m 无多径a w g n 接收机框图4 5 图4 - 2d s p a m 在a w g n 信道下理论与仿真性能比较4 7 图4 3d s p a m 在a w g n 信道下不同n s 数性能比较4 8 图4 - 4d s p a m 在a w g n 信道下不同信息速率时性能之一4 9 图4 5d s p a m 在a w g n 信道下不同信息速率时性能之二5 0 图4 6d s p a m 在a w g n 信道下不同t 。时性能5 0 图4 7t h p p m 无多径a w g n 接收机框图j 51 图4 8t h p p m 在a w g n 信道下理论与仿真性能比较5 2 图4 - 9t h p p m 在a w g n 信道下不同n s 数性能比较5 3 图4 1 0t h p p m 在a w g n 信道下不同信息速率性能之一。5 4 图4 1 lt h p p m 在a w g n 信道下不同信息速率性能之二5 5 图4 1 2t h p p m 在a w g n 信道下不同t s 时性能5 6 图4 1 3d s p a m 与t h p p m 在a w g n 信道下性能综合比较一5 7 图5 1r a k e 接收机多径合并原理图5 9 图5 2r a k e 接收机原理框图6 0 图5 3t h p p m 系统在多径信道下仿真性能6 5 图5 - 4t h p p m 系统s r a k e 不同叉指数仿真性能之一。6 6 图5 5t h p p m 系统s r a k e 不同叉指数仿真性能之二6 6 图5 - 6t h p p m 系统p r a k e 不同叉指数仿真性能之一。6 7 图5 7t h p p m 系统s r a k e 不同叉指数仿真性能之二。6 7 图5 8t h p p m 系统s r a k e 不同n 。数仿真性能之一6 8 图5 - 9t h p p m 系统s r a k e 不同n s 数仿真性能之二6 9 图5 1 0t h p p m 系统p r a k e 不同n 擞仿真性能之一6 9 图表目录 图5 1lt h p p m 系统p r a k e 不同n 。数仿真性能之二7 0 图5 1 2d s p a m 系统在多径信道下仿真性能7 0 图5 1 3 多径信道下t h p p m 与d s p a m 系统性能比较7 l ，图5 1 4t h p p m 系统在多径信道和a w g n 信道下性能比较7 2 图5 1 5d s p a m 系统在多径信道和a w g n 信道下性能比较7 2 图6 1 基于s g a 假设的t h p p m 系统多用户性能之一7 7 图6 2 基于s g a 假设的t h p p m 系统多用户性能之二。7 7 图6 3 基于s g a 假设的d s u w b 系统多用户性能之一7 9 图6 4 基于s g a 假设的d s u w b 系统多用户性能之二7 9 图6 5 基于s g a 假设的t h p p m 与d s p a l m 多用户性能比较8 0 图6 - 6s g a 与a w g n 性能比较81 表3 1u w b 信道类型与特征参数3 4 ) 【i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：周者、复 签字日期：姗弓年石月2 日 导师签名：卞柳 签字日期：z 彻6 年万月f 2 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：周泉色 签字日期：娜孑年石月尼日 9 1 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的，陶老师严肃的 科研态度、严谨的治学精神、渊博的学识和精益求精的工作作风，深深地感染和 激励着我。两年以来，陶老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上、 生活上我以无微不至的关怀，在思想道德情操和为人处事上给我树立了的榜样。 在此谨向陶老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 宽带无线移动通信研究室的姚冬萍老师、陈霞老师和贾怀义老师对我的选题 工作也给予了莫大的支持，在此表示衷心的谢意。 我还要感谢刘留博士以及花再军、罗亚男、王学运和蒋揉同学，正是由于他 们的帮助和支持，我才能克服很多的困难，直至本文的顺利完成。同时感谢黄奇、 马环宇和常鹏等同学在我研究工作和生活上给予的热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 感谢含辛茹苦培养我长大的父母，你们的理解和默默的支持使我能够在学校 专心完成学业，你们的健康幸福是我最大的快乐。 最后祝所有给予我帮助的亲人、老师、同学和朋友一切顺利、幸福安康。 引言 1 引言 1 1研究背景及意义 “新一代宽带无线移动通信”是国务院在2 0 0 6 年2 月发布的国家中长期科学 和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中提出的1 6 个重大专项之一【1 1 ，按照国务 院的配套政策，规划纲要确定的重大专项的实施，遵循“成熟一个、启动一个” 的原则，并且国务院在2 0 0 7 年1 2 月就审议并原则通过了“新一代宽带无线移动通 信”的重大专项，指出“新一代宽带无线移动通信代表了信息技术的主要发展方向， 实施这一专项将大大提升我国无线移动通信的综合竞争实力和创新能力，推动我 国移动通信技术和产业向世界先进水平跨越。” 超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 是无线领域的新兴技术，具有高速率、低成本、 低功耗的特点，使得u w b 成为下一代短距离高速率无线通信的最佳候选技术【2 】【3 1 。 另一方面，现在频谱资源非常紧张，而u w b 无线通信技术基于共用频段的思想， 与其它现存的传统无线技术共享频带，将打破短距离无线通信频率资源供不应求 及不兼容的现状，带来全新的频谱管理模式，为解决日趋紧张的频谱资源难题提 供了新的解决方案。因此，从这个意义上说，超宽带不仅仅只是一项革命性的技 术，它更是一段免许可证的频谱资源。 近年来，超宽带技术的发展很快，它在无线通信领域的创新性及巨大潜力使 得全球学术界、通信界、计算机界和消费电子界投入大量的人力物力从事相关的 理论研究和产品开发。国外特别是美国对超宽带技术的研究比较早，此外，欧盟、 俄罗斯、日本和新加坡和中国也陆续启动了超宽带研究计划。 总之，超宽带无线通信技术作为当前一种全新的无线通信技术，其发展和运 用必将给人类带来一个更加精彩而自由的无线网络世界。因此，研究超宽带无线 通信系统及其关键技术具有非常重要的意义。 1 2超宽带无线通信概述 1 ，超宽带无线通信的概念 超宽带技术的核心是冲激无线电( 或脉冲无线电，i m p l u s er a d i o 。i r ) 技术， 即利用持续时间非常短( 纳秒、亚纳秒级) 的脉冲波形来代替传统传输系统的连续波 形。目前，u w b 已经不限于最初的冲激无线电技术了，而是包括了任何可以使用 北京交通大学硕士学位论文 超宽带频谱的通信形式。2 0 0 2 年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 s c o m m i s s i o n ，f c c ) 颁布了u w b 的频谱规划【4 1 ，并规定只要一个信号在1 0 d b 处的 绝对带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽大于2 5 ，则这个信号就是u w b 信号。 从以上的定义中可知，超宽带信号使用绝对带宽( a b s o l u t eb a n d w i d t h ) 和相对 带宽( 或分数带，f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 两个指标来进行判定。为了更好地理解u w b 的定义，下面对这两个指标进行说明。 绝对带宽b 。：绝对带宽也称能量带宽。若某波形的绝大部分能量都落入由 f h 和f l 这两个频率作为上下限的频段范围内，则称f h f l 为能量带宽。f c c 规定将 f h 和f l 定义在信号功率谱密度衰减为1 0 d b 的辐射点上。 相对带宽b f ：相对带宽也称分数带宽，是指绝对带宽与中心频率之比。超宽 带系统中心频率c 是上、下限频率的均值( f h f l ) 2 。相对带宽用数学公式可表示为 驴等= 杀表 ， 有必要指出的是，一般意义上的u w b 不仅仅指的是u w b 无线通信系统的底 层技术，而应该是一个完整的系统体系。只有充分理解了这一点才算是理解了真 正的u w b ，其整体架构如图1 1 所示【5 1 。其中，u w bw i m e d i a ( 无线多媒体w 聚 平台，相当于一个协议转换器，支持上层多种应用协议，以实现分享底层u w b 射 频资源。应用层包括各种应用，如无线u s b ( w i r e l e s su n i v e r s a ls e r i db u s ，w u s b ) 、 无线13 9 4 及各种基于i p 的应用等。本文专注于物理层关键技术的研究。 各种应用 u w bw i m e d i a 汇 聚平台 u w b 媒体接入 控制( m a c ) u w b 物理层 ( p h y ) 图1 1u w b 系统整体架构 f i g 1 - 1 u w b s y s t e ms t r u c t u r e 2 ，超宽带无线通信的特点 超宽带系统的主要性能特点及技术优势表现在以下几个方面： ( 1 ) 超宽带带来了全新的通信方式及频谱管理模式。多年来，传统的无线通信 技术大都是基于正弦载波的，而超宽带可以采用极窄脉冲而占用数吉赫兹( g h z ) 量 级的大带宽。所以，超宽带不仅仅只是一项革命性的技术，它更是一段免许可证 的频谱资源。u w b 系统与传统无线通信系统频谱比较如图1 - 2 。 引言 f 擎? l 弋) w 叩船吼叩严甲 h z 图1 - 2u w b 与传统无线通信的频谱比较 f i g 1 - 2c o m p a r i s o no fu w ba n dc o n v e n t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ( 2 ) 多径分辨率高，抗多径衰落。基于冲激无线电的u w b 信号具有高分辨率， 能分辨出时延达纳秒级的多径信号。这样，u w b 系统在接收端可以实现多径信号 的分集接收【6 】。 ( 3 ) 很强的定位能力。u w b 信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可 高达厘米级，这是其它窄带系统所无法比拟的。 ( 4 ) 低功率谱密度。低功率谱密度使信号不易被截获，具有一定保密性，同时 对其它窄带系统的干扰可以很小。 ( 5 ) u w b 具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点，超宽带的低功耗特 点对于用便携式电池供电的系统长时间工作是非常重要的。 ( 6 ) 系统结构简单，成本低，易数字化。u w b 系统发射和接收的是超短窄脉冲， 它只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。因此，这可以大大降低系统复杂度， 减小收发信机的体积和功耗，易于数字化和采用软件无线电技术，利于单片集成。 3 ，超宽带无线通信的发展现状 超宽带技术真正成为热点是近年来的新兴事情。2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦 通信委员会f c c 发布了超宽带无线通信的初步规范，如图1 3 所示，规定了超宽 带无线通信目前实际可使用的频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并规定了在这一范围内平 均发射功率不超过4 1 3 d b m h z ，从而正式有条件地解除了超宽带技术在民用领域 的使用限制。这是超宽带技术真正走向商业化的一个重要里程碑，也极大地激发 了相关的学术研究和产业化进程。 北京交通大学硕士学位论文 图1 3f c c 规定的室内u w b 辐射掩蔽限制 f i g 1 - 3e m i s s i o nl i m i t sf o ri n d o o rc o m m u n i c a t i o no ff c c 在学术领域，国际上许多著名的大学和研究机构如斯坦福大学，南加州大学， 英特尔无线研究室等等都广泛开展了这方面的研究，有的还成立了专门的实验室， 并且己经获得了很多重要的进展。如美国南加州大学的s c h o l t z 教授等学者在南加 州大学成立的u l t r a l a b 实验室，他们与美国时域( t i m ed o m a i n ) 公司率先联合研究 基于无载波窄脉冲的u w b 多用户通信技术极大地推动了超宽带技术的理论研究。 在产业化应用方面，英特尔( i n t e i ) 公司、美国电报电话( a t & t ) 公司、德州仪器 ( t i ) 公司、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司、国际商用机器( i b m ) 公司、索尼( s o n y ) 公司 等等都涉足这些方面的研究。美国i n t e l 公司和x t r e m e s p e c t r u m 公司更是早在2 0 0 2 年就推出了采用大规模集成电路、速率达1 0 0 m b p s 以上的u w b 传输链路演示系 统。2 0 0 3 年新加坡资讯通信研究院的u w b 实验系统更是达到了5 0 0 m b p s 的速率， 传输距离为4 米。m o t o r o l a 收购x t r e m e s p e c t r u m 后成立飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司， 继续从事相关研究。截止到2 0 0 8 年，已经有多家公司能够提供各种u w b 芯片解 决方案。 在u w b 标准化进展方面，美国电工电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s i e e e ) 制订基于u w b 技术的高速无线个域网( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a 物理层标准i e e e 8 0 2 1 5 3 a ，先后成立了研究组 3 a ( s g 3 a ：s t u d yg r o u p3 a ) 和任务组3 a ( t g 3 a t a s k g r o 即3 a ) 。2 0 0 3 年7 月的会议 以后，t g 3 a 形成并保留了两种基本方案：德州仪器公司( t i ) 的多带正交频分复 用( m u l t i b a n do 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 ，m b o f d m ) 技术； f r e e s c a l e 公司的直扩码分多址接入( d i r e c ts p r e a dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s d s c d m a ) 技术。但最终没有达成一致，于2 0 0 6 年1 月解散了t g 3 a 。另 外，i e e e 于2 0 0 3 年和2 0 0 4 年先后成立了s g 4 a 和t g 4 a ，制订基于u w b 技术的 4 引言 低速w p a n 物理层标准i e e e 8 0 2 1 5 4 a ，确定了双模方案：2 4 g h z 的碉啾扩频系 统( c h i r ps p r e a ds p e c t r u m ，c s s ) 和低速直接序列扩频超宽带( d s u w b ) ，并于2 0 0 6 年l o 月获得了一致的通过，成为低速率无线个人网标准。另外，欧洲电信标准协 会( t h ee u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) t g 3 1 a 任务组和国际 电信联盟无线通信分部( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n r a d i o c o m m u n i c a t i c a t i o n ss e c t o r ，i t u r ) 也开展了u w b 技术的全球性标准化工作。 我国也非常重视这项革命性的技术，包括国务院、科技部、国家自然科学基 金委员会、工业与信息化部( 原信息产业部) 等相关政府部门都给予了高度的重 视。在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，科技部就 把u w b 无线通信关键技术及其共存与兼容技术列为无线通信共性技术与创新技 术的研究内容。在此基础上，2 0 0 3 年国家8 6 3 计划又发布了超宽带无线传输技术 研究与开发的预研课题。2 0 0 4 年国家自然科学基金也将超宽带高速无线通信列为 重点项目。而且，2 0 0 6 年国务院把“新一代宽带无线移动通信”列为中长期规划纲 要的重大专项之一，并与2 0 0 7 年启动了这个专项。除了政府的支持以外，像华为 技术和中兴通讯等企业也进行了u w b 研究。 可以看出，目前超宽带无线通信技术在我国得到了广泛的重视，但总体来讲 各方面的投入都还有限，在实用系统研发和相关技术的国家标准制定等方面差距 很大。因此，我国在u w b 技术的研究上，要更具方向性和针对性地力争在该领域 达到并超过世界先进水平，对于我国建立信息化社会和创造新的经济增长点，具 有重大意义。 4 ，超宽带无线通信的典型应用 u w b 技术的应用前景非常诱人，有很多典型的应用领域。 ( 1 ) 未来智能无线数字家庭网络：未来家庭的媒体服务器、机项盒、纯平显示器、 数字摄像机及家庭网关等设备都需要高数据率、高服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e q o s ) 的高速无线连接，以实现数字娱乐应用。u w b 既支持近距离高速率传输又支 持中远距离低速率传输，可以支持家庭网络所涉及的各种业务，且能克服多径衰 落的影响：u w b 信号的频谱密度非常低，易于实现和其它设备与系统的电磁兼容。 ( 2 ) 无线传感器网络：例如在未来的智能化交通系统及各种环境监测系统中，大 量的无线传感器终端将广泛分布于需要监控的整个区域，如各交通要道、江河湖 泊等处。u w b 技术所具有的一些特性使得它非常适合作为构建无线传感器网络的 底层技术。 另外，u w b 技术可以应用于雷达定位、对地探测、隔墙成像和军事、公安、 救援、医疗多个领域。 北京交通火学硕士学位论文 1 3 超宽带系统的关键技术及研究热点 目前，超宽带无线通信系统的主要研究内容与关键技术如下。 ( 1 ) 脉冲信号的波形设计：脉冲信号的波形将贯穿整个u w b 系统，会直接影响 到发射、接收性能等【8 】。研究的重点是实现灵活脉冲波形及频谱设计，改善频谱共 享技术。 ( 2 ) u w b 信号编码与调制方式的考虑：u w b 对编码和调制方式的选择既要有 较高的功率利用率，还要考虑提高频谱利用率。根据s h a n n o n 定理，信道一般具 有特定的理论容量，可以采用一定的编码技术来逼近信道容量的理论极限。 ( 3 ) u w b 信号的检测：由于密集多径的影响，信号能量分散于各多径分量中， 如何实现结构尽可能简单的高性能r a k e 接收对系统设计者也是一个挑战；还需要 考虑采用相应的均衡技术来消除脉冲畸变影响。 ( 4 ) u w b 无线系统中的同步捕获技术：由于载体是占空比低的窄脉冲，因此搜 索空间的增加导致捕获过长，另外，在室内环境下，由于多径效应，对主路径的 捕获易于出错，这些对设计同步捕获方案造成了极大的难度。 ( 5 ) u w b 天线理论与实现技术：高性能、小型化、暂态性能好的超宽带天线， 尤其是脉冲天线理论与实现技术成为超宽带无线系统研究的一个重点。 ( 6 ) u w b 系统与现有窄带系统的电磁兼容和频谱共存：u w b 的载体是频谱极 宽的窄脉冲。这样的系统工作时与已有窄带系统频谱共享，系统共存是u w b 技术 应用急需解决的课题【9 1 。 ( 7 ) u w b 信号的传播特性和信道模型：必须充分了解超宽带信号的传播信道特 性，建立适合特定系统设计的信道模型。因此研究u w b 信道的测试技术，建立 u w b 信号传播特有的模型成为必然。 除了上述研究热点外，还包括信道估计、测距与定位、u w b 空时处理与多天 线技术、u w b 无线通信网络协议及u w b 与认知无线电的结合研究等领域。 1 4u w b 通信系统结构 目前u w b 通信技术最看好的场合是i e e e8 0 2 1 53 a 和i e e e 8 0 2 1 5 4 a 的无线 个域网，这两个工作组在u w b 通信系统应用的标准化方面起了很大的作用。但是 在标准化的过程中，出于商业利益的考虑，很多公司结成了两个联盟，提出了很 多提案：一类是基于冲激无线电( i r ) 的方案，另一类是基于正交频分复用( o f d m ) 的多带方案。在基于i r 的方案中，又可以分为跳时和直扩两类方案。前者以跳时 脉冲位置调制( t i m eh o p p i n gp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，t h p p m ) 为代表；后者以 6 引言 直扩脉冲幅度调制( d i r e c ts e q u e n c ep u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，d s - p a m ) 为代表， d s 方案按照f r e e s c a l e 公司的提案，可以选用二相相移键控( b i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g ，b p s k ) 和m 进制双正交键控( m u l t i p l eb i o r t h o g o n a lk e y i n g ，m - b o k ) 的 调制方式。而b p s k 的方式与双极性p a m 是相同的，两者只是不同的称谓而已， 本文中一律采用p a m 的提法。在基于o f d m 的方式中，以多带o f d m ( m u l t ib a n d o f d m ，m b o f d m ) u