（通信与信息系统专业论文）iruwb无线通信系统信道估计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，脉冲超宽带( m - u w b ) 由于具有传输速率高、系统容量大、抗 多径能力强等优点，受到了各研究机构和标准化组织的广泛关注。但是由密 集多径信道产生的信号能量扩展造成的多径干扰，使信号产生严重的失真和 波形展宽并导致信息波形重叠，将会引起躁声增强和误码率上升，制约了超 宽带无线通信系统的性能。 本文通过分析u w b 信道估计技术的现在和亟待解决的问题。根据给出 的脉冲u w b 系统基本原理与信道模型，分析了超宽带宽信道的密集多径性 和时延性等特性。 首先，对同步与信道估计联合设计进行研究，并介绍了l s 算法和基于 子空间估计的两种联合估计算法，并对两种估计方法进行了仿真和比较。 然后，研究基于一阶统计特性的盲信道估计算法，并在密集多径环境下 提出的一种同阶复杂度的一阶改进盲信道估计算法。为了更加准确的估计信 道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c l r ) ，将采用一种非传统的快速傅立 叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 来进行去卷积。去噪f f t 采用离散小波变 换( d w d 来计算离散傅立叶变换( d f t ) ，同时可以削弱噪声。而且这种算法可 以用来识别更多的实际信道模型，尤其是信号在传输路径中遭受频率选择性 衰落的信道模型。 最后，提出了一种基于零相关扩频码的u w b 系统信道估计方法。给出 了零相关扩频码的构造方法及相关特性，建立了基于零相关扩频码的 d s - p a m l r w b 系统模型，介绍了非结构化d a 估计的信道估计算法，最后采 用z c d 码和w a l s h 码的d a ( 数据辅助) 信道估计得到自相关函数仿真进行 比较。 关键词：超宽带；信道估计；盲信道估计算法：d a 信道估计算法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l i im a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i m p u l s er a d i ou l t r a - w i d e b a n d ( i r u w b ) t e c h n o l o g yh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n ds t a n d a r d i z a t i o n c o m m u n i t i e s ，d u et oi t sh i 曲d a t ar a t e ，l a r g ec a p a c i t y , s t r o n ga n t i m u l t i p a t h a b i l i t ya n ds oo n h o w e v e r , t h es e r i o u sd i s t o r t i o no ft h es i g n a la n dt h ew a v e f o r r n b r o a d e n i n gc a u s e db ym u l t i p a t h i n t e r f e r e n c ew i l ll e a dt ot h eo v e r l a p p e d i n f o r m a t i o np r o f i l e ，w h i c hw i l lb r i n ga b o u tn o i s ee n h a n c e m e n ta n dt h eb i te r r o r r a t er i s i n g ，a n da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fu w b s y s t e ms e v e r e l y t h i sa r t i c l et h r o u g ht h ea n a l y z e so f t h eu w bc h a n n e le s t i m a t i o n ，t h ep r e s e n t a n du r g e n t l yw a i t st os o l v e a c c o r d i n gt op u l s eu w bs y s t e mb a s i cp r i n c i p l ea n d c h a n n e l m o d e l ，a n a l y z e d t h eu l t r a - w i d eb a n d 谢d ec h a n n e l sc r o w d e d m u l t i d i a m e t e r sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y , r e s e a r c ho nt h eu n i o nd e s i g no ft h es y n c h r o n i z a t i o na n dt h ec h a n n e l e s t i m a t i o n , a n di n t r o d u c et w ok i n do fu n i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h mi n c l u d et h el s a l g o r i t h ma n db a s e do nt h es u b s p a c ee s t i m a t i o na l g o r i t h m ，a n dh a sc a r r i e do n t h e s i m u l a t i o nt ot w oe s t i m a t em e t h o d sa n dc o m p a r i s o n t h e n , s t u d i e sb a s e do nt h ef i r s t - o r d e r s t a t i s t i c a l p r o p e r t yb l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m ，a n dp r o p o s e do n ek i n do ff i r s t - o r d e ri m p r o v e m e n tb l i n d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu n d e rt h ec r o w d e dm u l t i - d i m e t e re n v i r o n m e n tw i t h s t e po r d e ro fc o m p l e x i t y f o rt h em o r ea c c u r a t ec h a n n e le s t i m a t i o no fi m p u l s e r e s p o n s e ( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) ，w i l lu s eo n ea l t e r n a t i v e t h ef a s t f o u m i e r n a n s f o r m a t i o n ( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ,f f t ) t oc a l t y o n c o n v o l u t e s d e n o i s i n g f f tu s e ss e p a r a t e dw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ( d w t ) t o c a l c u l a t ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o 咖( d f r ) ，s i m u l t a n e o u s l ym a yw e a k e nt h en o i s e m o r e o v e rt h i sa l g o r i t h mm a yu s ef o rt od i s t i n g u i s hm o r ea c t u a lc h a n n e lm o d e l s ； p a r t i c u l a r l yt h ec h a n n e lm o d e ls u f f e r e db yt h es i g n a lw h i c hi nt h ef r e q u e n c y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s e l e c t i v i t yd e c l i n e st h et r a n s m i s s i o nr o u t e f i n a l l y , p r o p o s e do i l ek i n do f c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h ez e r o c o r r e l a t i o nw i d ef r e q u e n c yc o d eu w r bs y s t e m h a sg i v e nt h ez e r oc o r r e l a t i o n w i d ef r e q u e n c yc o d es t r u c t u r ea n dt h er e l a t e dc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a se s t a b l i s h e d 洲- d s im s y s t e mm o d e l b a s e do nt h ez e r oc o r r e l a t i o n 、杭d ef r e q u e n c yc o d e ， a n di n t r o d u c e dt h en o n - s t r u c t u r e sd ac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，a tl a s t ，u s e t h ez c dc o d ea n dw m s hc o d ed a f m a l l y ( d a t aa u x i l i a r y ) t h ec h a n n e le s t i m a t i o n s o b t a i nt h ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o ns i m u l a t i o nt oc a r r yo nt h ec o m p a r i s o n k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ；m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c e s ；b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m ；d ac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：锄韦 日期：朋年6 月矽日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：壶拓导师( 签字) ：珍缓 日期：卅年月髟日3 阳罗年歹月劫日 |。| 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 不断向前发展的无线通信技术，让各种各样的无线通信系统涌现出来， 使本来就很有限的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍 在不断提高，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这 样的背景下，超宽带( u l t r a w i d eb a n du w b ) 技术引起了人们的重视，已逐渐 成为无线通信领域研究、开发的一个新热点。 由于u w b 技术在很多应用领域都具有非常诱人的应用前景【l 】。其在民 用普及方面，随着现代人对于数字娱乐的要求日益提升，对于未来家庭的媒 体服务设备都要求很高的数据率、高服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q q s ) 的高 速无线连接。而u w b 系统本身不但可以支持近距离高速率传输，还能支持 远距离低速率传输的这一特点，让其可以支持家庭媒体网络所涉及的各种业 务，在实现和其它设备与系统的电磁兼容的方面，因u w b 信号的频谱密度 非常低，可以有效的克服多径衰落。 除了以上介绍的在未来智能无线数字家庭网络中的应用，无线传感器网 络也将成为另一个民用领域的应用亮点，在将来的智能化交通系统以及各种 环境监测系统中，为了监控整个区域需要大量的无线传感器终端，如各交通 要道、江河湖泊等处。u w b 技术所具有构建无线传感器网络的底层关键技 术的一些特性使其得以在该领域中发挥作用。 此外，u w b 通信技术还可以应用于救护、医疗、公安、以及雷达定位、 对地探测、隔墙成像等多个军事领域。 近年来，超宽带技术发展地非常快，国外以美国为首的欧美国家对超宽 带技术的研究比较早，另外，俄罗斯、日本和新加坡以及中国也陆续开展了 超宽带研究计划。 我国在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 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中提出的超宽带技术的研究是1 6 个重大专项之一圆，按照 国务院的配套政策，及确定的重大专项的实施，即遵循“成熟一个、启动一 个 的原则，并且于2 0 0 7 年1 2 月国务院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，其中指出“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。 超宽带技术本身具有抗多径衰落能力强、隐蔽性好等优点，并且超宽带 信号功率谱密度极低，可与传统无线系统共享频率资源而互不造成破坏性干 扰，这些更使超宽带技术在通信领域的应用研究日益受到重视，尤其是在多 径密集环境中的无线通信( 比如室内无线通信) 和对保密性要求高的无线通 信( 比如战术无线通信) 领域备受关注，使其研究具有重要的意义。 1 2 超宽带无线通信概述 1 2 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 u l 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。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的超宽带频谱的通信形式。1 9 9 0 年美国国防部高级计划 局( d a r p a ) 开始对u w b 技术进行验证。在2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员 会( f c c ) 批准了u w b 技术用于民用，按照f c c 的定义，u w b 设备是相对 带宽大于o 2 5 或在传输的任何时刻带宽大于5 0 0 m h z 的设备。这里相对带宽 定义如式( 1 1 ) 所示： z ：燃：丘萼 o 2 5 ( 1 - 1 ) 门( 厶+ 无) 2z 其中，厶和五分别为系统的高端和低端频点( 按一1 0 d b 计算) 。 需要指出，一般所指的u w b 不仅仅是指u w b 无线通信系统的底层技 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术，而应该是表示一个完整的系统体系【3 】。只有充分理解这一点才算是了解 真正的u w b ，其整体架构如图1 1 所示。其中， u w bw i m e d i a ( 无线多媒 体) 汇聚平台，相当于一个协议转换器，支持上层多种应用协议，从而达到 分享底层u w b 射频资源的目的。应用层包括各种各样的应用i 如无线 u s b ( w i r e l e s su n i v e r s a ls i r e db u s ，w u s b ) 、无线1 3 9 4 及各种基于p 的应用 等。本文主要对物理层关键技术进行研究。 图1 1u w b 系统整体构架 1 2 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体现在以下几个方面： 1 超宽带所带来的全新通信模式及其频谱分配方式。以前，传统的无线 通信传输大都是基于正弦载波的，而超宽带可采用极窄脉冲而占用大带，宽 数量级在吉赫兹( g h z ) 。因此，超宽带不只是一项革命性的技术，它的频谱资 源更是其一大亮点。 2 多径分辨率高，抗多径衰落。基于冲激无线电的u w b 信号具有很高的 分辨率，可分辨出时延为纳秒级的多径信号。从而，u w b 系统在接收端可 以实现多径信号的分集接收【4 】。 3 功率谱密度低。u w b 信号的低功率谱密度特性使其不易被截获，具有 一定的保密性，同时对其它窄带通信系统的干扰可以很小。 4 定位能力很强。u w b 信号的脉冲宽度在纳秒级，对应的距离分辨能力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可达厘米级：这是其它窄带通信系统所无法相匹敌的。 5 u w b 具有非常多的优点如超大容量、超高速、抗截获性好等，超宽带 因其低功耗的特点也有利于用便携式电池供电系统的长时间工作。 6 系统结构简单，成本低，易于数字化。由于u w b 系统发射和接收的 是超短窄脉冲，只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。因此，可以减小收 发信机的体积和功耗，大大地降低系统复杂度，而且易于数字化和可以采用 软件无线电技术，有利于单片集成。 1 2 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。在2 0 0 2 年2 月1 4 日， 图1 2 所示是美国联邦通信委员会f c c 发布的超宽带无线通信的初步规范， 其中，规定了超宽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 ，在这 一范围内平均发射功率不得超过4 i 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。 f e c 规定的室内删馆设备辐射掩菠f f c c ，搁刃 图1 2f c c 制定的室内u w b 设备辐射掩蔽 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 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 e d 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u w b 标准化进程方面，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 l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e l s ，m 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 sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 物理层标准i e e e 8 0 2 15 3 a ，先后成 立了研究组3 a ( s g 3 a ：s t u d y ( 拍u p 3 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 e d i v i s i o nm u l t i p l ea 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 的切普扩频系统( 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1 0 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 n t 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 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 lt 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 oc o m m u n i c a t i o n s s 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u w b 技术，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。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，并在2 0 0 7 年启动了这个专项。除了有政府的支持以外，像华为技术 和中兴通讯等企业也进行了u w b 研究。 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 超宽带系统的关键技术 1 3 1 超宽带系统的关键技术 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1 5 】。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 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。 6 u w b 信道估计技术：接收机的工作效果的好坏完全依赖于信道估计技 术，而且还能为相关接收提供更加理想的本地模板信号。信道估计的好坏直 接影响接收机的性能，它也是超宽带技术中的一项关键技术。信道估计应尽 量避免高的采样率和计算复杂度，改善估计性能，提高估计速度。 除了上述研究热点外，还包括测距与定位、啪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。 6 ，哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 超宽带系统信道估计技术 国内外文献中提及较多的算法主要有：文献 7 】给出了一种u w b 系统的 联合同步信道估计算法。信道脉冲响应通常可以通过两种方法估计：第一种 是忽略信道结构的最d - 乘方法。该算法先确定视距传输( l o s ) 路径的时延， 后以闭式的形式直接估计出信道参数，一般称该方法为非基于结构的信道估 计。而非基于结构的信道估计算法缺点是，由于u w b 信道的簇结构，导致 了许多无谓的零值抽头估计。另外种信道估计方法是采用基于结构的信道 估计，即首先找到簇的位置，确定信道的稀疏处，利用这种结构来进行最后 的信道估计。此外，在文献【7 】中提出了一种基于一阶统计特性的盲信道估计 算法，该算法利用接收信号的一阶统计特性，仅需要作一些基本的信号处理 运算，如重叠相加，傅里叶变换以及滤波等，通过f f t 运算可实现u w b 的 信道估计以及定时捕获，其优点是系统实现的复杂度较小。 目前，信道估计的发展趋势是尽量避免高的采样率和计算复杂度，改善 估计性能，提高估计速度。 针对u w b 多径分辩能力强的特点，通常采用r a k e 接收机来收集多径能量 来抵抗衰落。目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析基本上是基 于r a k e 接收机【8 o l 。在具体实现上，r a k e 接收机有几种路径选取方法可用， 比如信号最强的l 条路径或最先到达的l 条路径。r f l k e 接收机需要确知信道各 径的延时和衰减幅度信息，必须进行精度较高的信道估计。另外，u w b 信号 多径分辨率高的特点以及u w b 信道密集多径的特性，使得r a k e 必须有足够多 的分支才能收集到足够的多径能量以实现良好的接收性能。因此，r a k e 接收 机的复杂度是u w b 系统实现必须考虑的问题。 1 4 论文主要内容和结构安排 本论文主要针对i r - u w b 超宽带信号在室内传播环境接收端的信道估计 算法做了深入全面的仿真研究，论文结构安排如下： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第一章绪论阐述了本课题研究的目的和意义，并介绍了超宽带无线通信 系统的基本概念及其特点，主要应用领域和国内外研究的现状，在接着给出 了u w b 的热点关键技术中，重点分析了u w b 信道估计技术的现在和亟待 解决的问题。 第二章简单介绍了脉冲u w b 系统基本原理与信道模型。其中描述了几 种典型脉冲调制、发射过程及其功率谱密度分析，通过理论分析和m a t l a b 仿真，探讨了超宽带室内信道的特性，通过f c c 2 0 0 3 年提交的标准化信道的 仿真，分析了超宽带宽信道的密集多径性和时延性等特性。 第三章是对同步与信道估计联合设计进行研究，并介绍了l s 算法和基 于子空间估计的两种联合估计算法，并对两种估计方法进行了仿真和比较。 第四章是研究基于一阶统计特性的盲信道估计算法，并在密集多径环境 下提出的一种同阶复杂度的一阶改进盲信道估计算法。为了更加准确的估计 信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) ，将采用一种非传统的快速傅 立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o i m ，f f ，r ) 来进行去卷积。去噪f f t 采用离散小波 变换( d w t ) 来计算离散傅立叶变换( d f t ) ，同时可以削弱噪声。而且这种算法 可以用来识别更多的实际信道模型，尤其是信号在传输路径中遭受频率选择 性衰落的信道模型。 第五章提出了一种基于零相关扩频码的u w b 系统信道估计方法。给出 了零相关扩频码的构造方法及相关特性，建立了基于零相关扩频码的 p a m - d s u w b 系统模型，介绍了非结构化d a 估计的信道估计算法，最后 采用z c d 码和w a l s h 码的d a ( 数据辅助) 信道估计得到自相关函数仿真进 行比较。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章i r u w b 系统基本原理与信道模型 2 1 引言 根据2 0 0 2 年f c c 公布的u w b 定义，只要信号能够达到分数带宽大于 2 5 或者绝对带宽超过5 0 0 m h z 的信号都可以作为u w b 信号。超宽带通信 传输技术可以分为两类：一类是脉冲传输技术，另一类就是连续波传输。其 中，脉冲传输的主要特点是把发射信息是调制在离散脉冲信号上的，而连续 波传输则是把发射信息调制在连续波上，而超宽带无线通信系统大都是采用 经典的脉冲传输技术。脉冲超宽带无线通信系统所采用脉冲( 超短脉冲) 的 持续时间为纳秒或亚纳秒级的冲激携带信息，既可以用单个脉冲传递不同的 信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。本节在选取了脉冲信号波形的 基础上，然后简单介绍了几种典型的脉冲调制技术、多址技术及其相应的 i r - u w b 系统结构，最后介绍了u w b 信道模型。 2 2i r - u w b 通信系统基本原理及实现方案 2 2 1u w b 信号波形的选取 一般，典型的u w b 系统使用一种被称为“单周期( m o n o c y c l e ) ”的脉冲。 由于高斯脉冲具有频谱宽度宽，在实际中有容易产生，分析简便等特点【1 1 1 ， 因此，高斯脉冲是目前超宽带通信中最常用的信号波形： p 0 ( t ) ：去p 一扫( 2 - 1 ) 根据麦克斯韦方程可知，收发天线对超宽带信号的微分作用比对窄带信 号明显的多【1 2 1 。这样，发射端的高斯脉冲波形由于发射天线微分作用的影响， 因此可认为经天线发射后的脉冲可表示为高斯脉冲的阶微分形式； 删= 丽- t 矽。寺( 2 - 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在接收端，同样利用接收天线的微分作用，可将最终接收到的应为高斯 脉冲的二阶微分形式表示如下： 仍p ) ：铥p 叫拶 ( 2 3 ) 吖z g o 高斯脉冲的二阶导数理论上具有无限长的持续时间，但实际中衰减很快， 所以仿真时需要特别加入一个脉冲持续时间的参数，即假定脉冲只在时间窗 t m 内都是非零值。脉冲形成因子t a u 的值决定t m 的选择，图2 1 示给出了 采用不同脉冲形成因子得到脉冲波形，结果显示高斯二阶导脉冲的宽度随形 成因子t a u 值的增加而增加，幅度随形成因子t a u 值的增加而减小。 il 二窭黧i f1 l i 一t a t r = 4 r , sr ： 龟 j f ， 时 - ， f - 1 1 ￥ 逻童? 7 。j “ 0i | j 、 x 遵“ 一n 。v 图2 1 不同脉冲形成因子的高斯二阶导脉冲波形 2 2 2 典型脉冲调制 根据系统对功率有效性的要求较高，脉冲u w b 一般所采用的调制方式 有：脉冲位置调带j j ( p p m ，p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 、脉冲幅度调制( p a m ， p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、二进制相移键控调制( b p s k ，b i p h a s es h i f t k e y i n g ) 栅关键控( o o k ，o n - o fk e y i n g ) 等。图2 2 给出了这四种脉冲调制 技术的示意卤。下面将介绍一下这些脉冲调制技术的基本原理及特点。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 n d 瞰0 五 2 p p m0 - 2 2 b p s ko 2 2 0 0 ko 2 图2 2 四种脉冲调制技术的示意图 p a m 是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。p a m 既可以改变脉冲幅度的极性，也可以只改变脉冲幅度的绝对值大小。o o k 和 b p s k 是p a m 的两种简化形式。b p s k 通过只改变脉冲的正负极性来调制二 进制信息，而脉冲幅度的绝对值相同。o o k 仅是通过脉冲的有、无来传输信 息的。在p a m ，b p s k 和o o k 调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。 b p s k 通过只改变脉冲的正负极性来进行二进制信息的调制，但脉冲幅度的 绝对值不改变。而p p m 的基本原理则是通过改变发射脉冲的时间间隔或发射 脉冲相对于基准时间的位置来传送信息，从而使脉冲的极性和幅度都不改变。 图2 3 给出i r - u w b 系统的实现框图： 图2 3i r - u w b 系统模型框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了降低单个脉冲的幅度或抗干扰，以满足系统支持多用户技术的需要， 在脉冲超宽带无线通信系统中，通常会采用多个脉冲传递相同的信息，这也 就是多脉冲调制与多址调制的基本思想。几种多脉冲调制技术组合： t h p p m ，d s p p m ，t h p a m ，d s p a m ，t h b p s k ，d s b p s k 等。 2 3i 眦8 0 2 1 5 3 a 推荐的u w b 信道模型 信道是指以传输媒质为基础的信号通道，按照传输媒质的不同可分为有 线信道和无线信道两大类【1 3 】，它是整个无线通信系统中客观存在的不可或缺 的一部分，其实频特性直接影响着相应的无线通信系统的构成与性能。超宽 带( u w b ) 技术主要应用于室内短距离( 1 0 米范围以内) 的无线通信，决定了 u w b 的信道环境不同于一般的衰落信道。 为了评估各种超宽带物理层提案的性能，需要一个标准的信道模型。在 早些时候己经有一些研究机构开始了超宽带室内信道测量和建模的研究，例 如，美国南加州大学r a s c h o l t z 教授领导的u l t r a l a b 实验室率先开始研究 超宽带脉冲在典型室内环境中的传播特征0 4 - 1 9 1 。尽管如此，在当时还不存 在一个覆盖如此宽频带的公认的超宽带室内信道模型。为此i e e e8 0 2 1 5 3 a 专门在2 0 0 2 年初成立了一个信道模型工作组，在征集超宽带物理层方案之 前，首先着手对超宽带室内无线通信的路径损耗模型和多径信道模型提案进 行征集、评估和筛选。信道模型工作组以制定一个简单、精确、公认的超宽 带室内信道模型为目标。这一模型首先应该包含i e e e 8 0 2 1 5 3 a 设备典型工 作环境的路径损耗特性和多径传输特性，其次，该模型要充分反映实际信道 测量的结果，再次模型要相对简单并容易使用，以便于研究人员快速评估他 们的物理层提案。显然在一个信道模型中不可能反映所有信道环境和传输特 性，因此工作组主要以平均超量时延、均方根时延扩展、功率延迟分布和多 径数( 指与最强多径相比能量相差不超过1 0 d b 的多径数量) 四个参数的吻 合情况作为衡量信道模型优劣标准。 通过对大量实际测量数据和信道模型提案进行分析、比较，在广泛征求 1 2 啥尔滨工程大学硕士学位论文 各方面意见和反复讨论、综合后，i e e e 8 0 2 。1 5 3 a 信道模型工作组在2 0 0 3 年 7 月发布了u w b 室内多径信道模型的最终报告【i e e e8 0 2 1 5 3 a ，2 0 0 3 1 2 0 。 该报告决定采用i n t e l 公司j e f ff o e r s t e r 等人根据2 8 g h z 频段测量数据提出 的修正s v 模型，该模型时间分辨率为0 1 6 7 n s ，保留了s v 模型中多径成 簇出现以及能量服从双指数分布的特点，根据实际测量数据对多径的幅度分 布作了修正，认为对数正态分布能比瑞利分布更好地拟合试验数据。 本节将介绍i e e e8 0 2 1 5 3 a 中超宽带系统性能评估所使用的室内信道模 型( 为方便论述，以下简称为标准信道模型) ；然后分析了标准信道模型的几 个重要参数，包括平均附加时延( m e a ne x c e s sa e l a y ) 、均方根附加时延( r m s d e l a ys p r e a d ) , 多径数量等等；最后分析了由密集多径信道导致的信号能量扩 散程度以及由此引起的码间干扰的强度。 2 3 1 路径损耗模型 研究路径损耗模型的主要目的是可以体现出传输距离对系统性能的影 响，以便对比各物理层方案是否能够在指定的距离处提供充分的性能。u w b 通信的路径损耗模型1 2 1 】可以简单地采用自由空间损耗模型陶来描述。该模型 是基于f r i i s 传播公式得出的，假设发射机输入给天线的平均功率为p t ，那 么接收天线上获得的功率为： ，、2 耻骋g i 赢j ) 式中，q 为发射天线增益，g r 为接收天线增益，d 为接收天线与发射 天线之间的直线距离，c 为光的传播速率，五= ：缸丘为发射信g - 的几何 中心频率。其中，丘为功率谱密度降为其最大值一1 0 扭处的边界频率。 于是，对于自由空间的传播损耗就可以定义为： 如= 每= 矗( 铡 ， 采用上面描述的自由空间损耗模型可以为各种物理层方案提供一个标准，以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 叠i ；i i i _ = i _ z mz i a m - i ；i 昌宣；i i 暑；i 便于提供相应的链路冗余，用于补偿附加信道损耗、实现损耗、波形失真和 不完全的多径能量捕获等。 2 3 2i e e e 室内多径信道模型 在i e e e 信道模型中来自同一个脉冲的多径分量以簇的形式到达接收机， 在每簇内包含大量的多径分量。簇到达时间，即簇的第一条多径到达时间服 从强度为人的泊松分布，而簇内其它多径的到达时间服从强度为旯的泊松分 布，各簇之间以及簇内各多径之间互相独立。由泊松分布的性质，两个相邻 簇间的时间间隔服从参数为人的指数分布，而簇内相邻多径间的时间间隔服 从参数为彳的指数分布，即有： p ( 乃i 乃一1 ) = 人e x p 一人( 石一乃一1 ) 】， ， 0 ( 2 6 ) p ( r k ，l i 七- l v ) = l e x p 一名( 吒，一r c k - , ) ：) 】， k o ( 2 - 7 ) 其中乃与巧一，分别为第l 和第l - 1 簇中的第1 条路径的到达时间；气，与州分 别为第埔廷内的第k 和第七一1 条路径的到达时间，且所有簇里的第一条路径的 到达时间设为0 ，即有钿，= 乃；a 与五分别为簇到达率和多径到达率。 因此，i e e e 模型的信道离散时间冲激响应可以表示为： t r h ( t ) = x z 万。一l 一，) ( 2 8 ) l o 七之o 其中x 是对数正态随机变量，代表信道的幅度增益；l 是观测到的簇数目， k 是第埔廷内接收到的多径数目，吼，是第，簇中第k 条路径的增益系数，是 实数，乃表示第z 簇到达时间，是第f 簇中第k 条路径的时延。 路径增益系数吼，定义为 呶l = p k 专l p k i 2 - 9 _ 其中a 等概率取1 ，用来表示反射带来的脉冲随机翻转；毒屐，服从对数正 态分布，岛和履j 分别代表了第，簇的衰落和第，簇内第七条多径的衰落： 2 0 1 9 ( 4 a ，) 芘n 魄f ，砰+ 蠢) ( 2 - 1 0 ) 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或旧履，i - - 1 0 段+ 恍胭，其中碍o cn ( 0 ，彳) ，n 2 o cn ( 0 ，z ) 且互相独立。根据 定义，多径能量分布为： e i 考；孱，1 2 = q 。p t l ，r e 致，7 ( 2 1 1 ) 其中r 和y 分别是簇和簇内多径的衰落因子，q 。是第一簇内第一条多径的平 均能量。综合式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) n - - f 得均值心。的表达式： i l l k | = l n ( 1 0 ) 2 0 ( 2 1 2 ) 从式( 2 1 1 ) 可以看出当簇到达时间l 1 0 f 或簇内多径到达时间 r k j 1 0 y 时，多径的能量已经衰减得相当小，完全可以将其忽略。因此标准 信道模型中只保留了到达时间t 1 0 f 的簇和吒 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 1 c r g ( d b ) 3333 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2