（通信与信息系统专业论文）mbofdm超宽带系统自适应增强技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，各种移动通信设备和便携式数据存储、处理设备不断 涌现，设备之间可靠、即时、便捷的互联成为日益迫切的需求。多媒体技术的进 步和人们生活质量的提高对这种即时的数据通信提出了更高的要求，往往需要在 十米左右的范围内传输数百兆，乃至上吉比特的数据，比如h d t v 。出于对便捷性 的考虑，人们更关注采用无线的方式实现这种数据传输，而目前的无线传输技术 ( w i f i ，蓝牙等) 还远远达不到要求。超宽带( u l t r a - w i d e b a n d , i n 粕) 技术由于 可以以极大的带宽提供极高的数据速率，并且设备尺寸小，功耗低，成为高速无 线个域网( w p a n ) 的备选方案，受到人们的广泛关注。 传统的超宽带技术基于时域窄脉冲技术，然而f c c 发布超宽带频带规范时并没 有限定调制方式，因此产生了多种实现方案。其中w i m e d i a 联盟提出的基于o f d m 技术的m b o f d m 方案，频谱配置灵活，易于适应不同地区的频谱规范，得到了众 多厂商的支持。目前m b o f d m 方案已经完成了最初版本的标准制定，由于 m b o f d m 方案最初目标是取代有线的u s b 传输，设定的最高数据率为4 8 0 m b s ， 不足以支持h d t v 等高质量的多媒体应用，因此需要进一步提高系统性能。本文主 要考虑采用自适应传输以及与多天线技术相结合的方式增强系统性能的方案，主 要完成的工作可以概括为以下几点： 1 按照w i m e d i a 联盟制定的标准搭建了m b o f d m 系统的仿真平台，并在此基 础上通过增加自适应传输机制得到了自适应的m b o f d m 系统仿真平台。 2 考虑到超宽带系统的传输环境以及f c c 对超宽带系统发射功率的严格限 制，提出了一种基于误码率最小的自适应比特分配算法，仿真表明采用该算法的 自适应m b o f d m 系统与固定传输方式的m b o f d m 系统相比在1 0 。4 的误比特率时 有至少2 d b 的增益，并且性能改善随着速率的增大而增加。在这种算法的基础上， 通过对比特分配问题的进一步分析又得到了一种简化算法，两种算法的性能仿真 对比表明简化算法在降低了复杂度的同时没有带来太大的性能损失。 3 在m b o f d m 系统中加入了多天线传输结构，建立了采用a l a m o u t i 发送分集 系统以及空间复用的m b o f d m 系统，并分别在这两种系统下通过仿真比较了采用 山东大学硕士学位论文 本文提出的自适应比特分配算法的自适应多天线系统与固定调制的多天线系统的 性能。结果显示在误码率为1 0 4 时，速率为4 8 0 m b s 的a l 锄o u t i 发送分集系统采用自 适应传输能够获得大约2 d b l 拘信噪比增益。在m i m o 空间复用系统中，自适应传输 对性能的提升更加显著，在4 8 0 m b s 时能达至l j l o d b 以上。 关键词：m b - o f d mu w b ；比特分配：多天线： 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n de m e r g e n c eo fv a r i o u sm o b i l e t e r m i n a l sa n dc x ) n s u m e re l e c t r o n i c s ，t h ed e m a n df o rr e l i a b l e ，i n s t a n t a n e o u sa n d c o n v e n i e n tc o n n e c t i o n sa m o n gd e v i c e si sg r o w i n g t os u p p o r tm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ， e g h d t v ，t h ec o n n e c t i v i t ya m o n gd e v i c e sn e e d se x t r e m e l yh i g l ls h o r t r a n g e ( a r o u n d 10m e t e r s ) d a t ar a t e ，u s u a l l ya b o v es e v e r a lh u n d r e dm e g ab i t sp e rs e c o n d , e v e nb e y o n d g i g a b i t sp e rs e c o n d f o rt h eu s e l s c o n v e n i e n c e ，w i r e l e s sc o n n e c t i o ni sm u c hp r e f e r r e d h o w e v e r , w i r e l e s st e c h n o l o g i e sc u r r e n t l yi nu s e ( w i - f i ，b l u e t o o t h ) c a n n o ts a t i s f yt h e t h r o u g h p u tr e q u i r e m e n t t h ee m e r g i n gu l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yw h i c hc a n o f f e rv e r yh i g hd a t ar a t ew i t he n o r m o u sb a n d w i d t ha n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o ni s a c c e p t e da sap r o m i s i n gs o l u t i o na n da t t r a c t si n t e n s i v ea t t e n t i o n s 。 t r a d i t i o n a lu w b t e c h n o l o g ym a i n l yr e f e r st ot i m e - d o m a i ns h o r t - d u r a t i o ni m p u l s e r a d i oc o m m u n i c a t i o n ，w h e r e a ss e v e r a lu w bt r a n s m i s s i o ns c h e m e sh a v e b e e np r o p o s e d s i n c ef c cr e g u l a t e du w bs p e c t r u mw i t h o u ts p e c i f y i n gu w bt r a n s m i s s i o nm e t h o d w i t ht h es p e c t r u mf l e x i b i l i t yt oa d a p tt ov a r i o u ss p e c t r a lr e g u l a t i o n si nd i f f e r e n ta r e a s ， m b - o f d ms c e n a r i op r o p o s e db yw i m e d i aa l l i a n c eh a sg a i n e dal o to fs u p p o r t s t h e c u r r e n tm b o f d ms c h e m ew h o s eo b j e c t i v ei st or e p l a c eu s bc a na c h i e v eam a x i m u m d a t ar a t eo f4 8 0 m b s i ti sm u c hh i g h e rt h a no t h e rw i r e l e s st e c h n o l o g i e sb u ts t i l lf a r f r o mt h et a r g e tt os u p p o r th i g h - q u a l i t ym e d i aa p p l i c a t i o n ss u c ha sh d t v t h i st h e s i s m a i n l yf o c u s e so nu t i l i z i n ga d a p t i v et r a n s m i s s i o na n dm u l t i p l e a n t e n n as c h e m e st o i m p r o v et h em b o f d ms y s t e mp e r f o r m a n c e t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sc a nb e 1 a nm b o f d ms i m u l a t i o nm o d e lc o n f o r m i n gt ow i m e i d aa l l i a n c e ss t a n d a r d h a sb e e np r e s e n t e d a na d a p t i v em b - o f d ms i m u l a t i o np l a t f o r mh a sa l s ob e e n e s t a b l i s h e db ya d d i n ga d a p t i v et r a n s c e i v e rb l o c k st ot h eb a s i cm o d e l 2 t a k i n gt h eu w bc i r c u m s t a n c ea n ds t r i n g e n tl i m i to nt r a n s m i s s i o np o w e r s p e c i f i e db yf c c i n t oc o n s i d e r a t i o n ，ab i ta l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hm i n i m i z e sb e r h a sb e e np r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v es y s t e mw h i c ha d o p t st h e a l g o r i t h mo b t a i n sa tl e a s t2 d bs n rg a i nw h e nt a r g e tb e r i s10 4a n dt h ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti n c r e a s e sw h e nt h ed a t ar a t ei sh i g h e r b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h eb i t 3 山东大学硕士学位论文 a l l o c a t i o np r o b l e ma n dt h ep r e v i o u sa l g o r i t h m ，as i m p l i f i e da l g o r i t h mh a sa l s ob e e n p r o p o s e d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s u g g e s tt h a t t h e s i m p l i f i e da l g o r i t h m e x h i b i t s i n s i g n i f i c a n tl o s sc o m p a r e dt ot h ep r e v i o u sa l g o r i t h m 。 3 t w ok i n d so fm u l t i p l e - a n t e n n aa d a p t i v em b o f d ms y s t e m s ，n a m e da l a m o u t i t r a n s m i td i v e r s i t ym b - o f d ms y s t e ma n dm i m os p a t i a l m u l t i p l e x i n gm b o f d m s y s t e m , w h i c he m p l o yt h eb i t a l l o c a t i o na l g o r i t h mp r o p o s e di n t h i st h e s i sa r e i n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nb e ri s l0 4t h ea d a p t i v et r a n s m i t d i v e r s i t ys y s t e mw i t had a t ar a t eo f4 8 0 m b sc a n a t t a i n2 ( ms n r g a i n 1 1 1 ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti ns p a t i a l - m u l t i p l e x i n gs y s t e mi sm o r es i g n i f i c a n t , s n rg a i no v e r1o ( 1 b c a nb eo b s e r v e dw h e nd a t ar a t ei s4 8 0 m b s k e y w o r d s ：m b - o f d mu w b ；b i ta l l o c a t i o n ；m u l t i p l e - a n t e n n a 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 a w g na d d i t i v ew 1 l i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 c e p tc o n f e d e r a t i o no fe u r o p e a np o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s 欧洲邮电管理委员 会 c m c h a n n e lm o d e l 信道模型 c r c o g n i t i v er a d i o 认知无线电 e t s ie 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 欧洲电信标准化协会 f c cf 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 美国联邦通信委员会 i s ii n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 i r i m p u l s er a d i o 脉冲无线电 l o sl i n eo f s i g h t 视距 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t 多输入多输出 n l o sn o n - l i n eo fs i g h t 非视距 o f d m 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 正交频分复用 o s i co r d e r e ds u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 排序的连续干扰抵消 p u l s e r sp e r v a s i v eu l t r a - w i d e b a n dl o ws p e c t r a le n e r g yr a d i os y s t e m s 普适超宽 带低频谱能量系统 u w bu l t r a - w i d e b a n d 超宽带 w p a nw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 无线个域网 a 2 噪声功率 以簇平均到达速率 名径的平均到达速率 厂簇的功率衰减因子 ，径的功率衰减因子 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 礞拯 e l 期：型! 经：竺：塑： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：莹盎 导师签名：乏e 垒盥 日 期：迎翌：幺坦 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 历史上，基于窄脉冲而不是正弦载波的通信技术常被称为基带，无载波或脉冲 无线电等。直到1 9 8 9 年前后，这种通过发射和接收窄脉冲的通信方式才被美国国 防部命名为超宽带【。而2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 对超宽带的定义【2 】 只针对信号频谱的相对带宽( 或绝对带宽) ，没有限定信号的时域波形特征，从而 使超宽带的概念不再局限于脉冲无线电，也扩展到了传统的基于连续载波的方案。 本章从超宽带的发展历史开始，概述了超宽带的标准化进程及发展现状，并简 要介绍了超宽带的特点以及关键技术和挑战。 1 1 超宽带的发展历史 实际上，历史上人们为探索利用无线电传输信息而进行的一系列早期实验都 是基于超宽带信号的【3 1 。1 8 8 8 年赫兹在实验中用感应线圈在相隔数米处接收到了 利用静电的火花放电产生的电磁波，从而证实了麦克斯韦电磁波理论。在此之后 的大约2 0 年里，碳电极间的火花隙( s p a r kg a p ) 和电弧放电成为主要的电磁波产生 方式。1 8 9 6 年马可尼利用火花隙发射机成功地向两英里外传输了莫尔斯电码，此 后他又和弗莱明在1 9 0 1 年共同完成了历史上第一次跨越大西洋的无线电传输。 1 9 0 0 年费森登用火花隙发射机成功地将语音传输了一英里，然而由于技术条件的 限制以及对可靠性的要求，无线通信随后转向窄带传输技术，直到六十年代时域 电磁学才又重新引起人们的关注。采样示波器和产生亚纳秒级基带脉冲相关技术 的进展推动了超宽带技术的发展，超宽带技术的应用研究逐渐由测量领域转向雷 达和通信设备。1 9 7 3 年4 月s p e r r yr a n d 公司的ger o s s 获得了第一个有关超宽 带通信的专利【4 1 ，成为超宽带技术发展史上的里程碑事件。此后，超宽带技术开 始进入新的应用领域，诸如：车辆防撞，定位系统等，但大部分都是美国政府或 军方资助的项目。9 0 年代之后，超宽带技术逐渐进入民用领域，m u l t i s p e c 2 f l s o l u t i o n s 、f a n t a s m a 和t i m e - d o m a i n 等公司开始投身于民用u w b 通信相关的研究。 在这些公司的推动下，美国联邦通信委员会( f c c ) 从1 9 9 8 年起在产业界进行公 开征询，探讨u w b 在民用领域的可能性，经过4 年的测试和评估工作，于2 0 0 2 6 山东大学硕士学位论文 年2 月份发布了民用超宽带设备频谱规耐2 1 。 1 2i 脯的频谱规范化及标准化 1 2 1u w b 的定义 1 9 9 0 年美国国防部高级计划研究署( d a r p a ) 把超宽带信号定义为绝对带宽 超过1 5 g h z 或相对带宽超过2 5 ( 上下限频率定义在2 0 d b 辐射点上) ，而根据 目前f c c 对超宽带的定义，满足以下条件的信号被视为超宽带信号【2 】： 绝对带宽b = 厶一a 5 0 0 m h z 或相对带宽b f = 奠；五 2 0 ( 1 - 1 ) jc 其中，后和五分别代表在功率谱密度衰减为一1 0 d b 的辐射点上对应的上限频率 和下限频率，五= ( 扫+ 五) 2 ，为中心频率。 1 2 2u w b 频谱规范 1 9 9 8 年f c c 开始就超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互 共容的问题广泛征求业界的意见并委托相关机构进行评估。2 0 0 2 年8 月，f c c 正 式修改了p a r t1 5 ，在对信号发射功率附加了若干限制的条件下批准了超宽带设备 在指定频带范围内的使用。超宽带设备的发射功率限制按其用途分别做出了规定 【2 】【5 】。这些不同的用途包括( 1 ) 包括探地雷达、穿墙雷达的成像系统、监视器以 及医疗成像设备；( 2 ) 车辆雷达系统；( 3 ) 通信与测量系统。 表1 1各种u w b 系统的使用频段及其辐射功率谱密度限制 工作频段( g h z ) 应用类型 0 9 1 6 1 1 9 9 -3 1 1 0 2 2 1 6 l1 9 93 11 0 62 22 9 有效全向发射通信室内 7 5 35 3 35 1 3- 4 1 35 1 35 1 3 功率e r i p系统室外 7 5 36 3 3- 6 1 3_ 4 1 3- 6 1 36 1 3 ( l b m ) 勘测成像 5 3 35 1 3- 4 1 3一4 1 34 1 35 1 3 车辆雷达 7 5 36 3 3 6 3 3- 6 3 3_ 4 1 34 1 3 f c c 对室内和室外u w b 通信设备规定了不同的辐射限制，如图1 1 和图卜2 所示。 在频率处于1 6 1 g h z 至1 3 1 g h z 的范围内，室外设备的辐射功率要比室内低1 0 d b 。 7 山东大学硕士学位论文 - 4 0 - 4 8 毫 秀瑚 c 薹弼 c o 爱瑚 若 受- 6 5 m 詈一7 0 - 7 5 l o 1 0 f r e q u e n c yi ng h z 图1 1f c c 对室内超宽带通信系统辐射限制 l o 1 0 5 图1 - 2f c c 对室外超宽带通信系统辐射限制 在2 0 0 3 年之后，玎u 的工作组开始对u w b 进行测试研究，用了两年多的时 间，在2 0 0 5 年1 0 月确定了各国和各地区u w b 频谱分配的若干原则，2 0 0 6 年2 月i t u 第一研究组( i t us t u d yg r o u p1 ) 批准给予u w b ”全球性监管标准”( g l o b a l 0击量罾它r1呈蔷卫若m龟；j 山东大学硕士学位论文 r e g u l a t o r ys t a n d a r d ) 的地位和一系列相关建议，具体规划由各国和各地区的相关组 织自定。 2 0 0 7 年2 月欧洲委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 的无线频谱委员会( r a d i o s p e c t n a nc o m m i t t e e ) 批准了欧洲邮电管理委员会( c o n f e d e r a t i o no f e u r o p e a np o s t s a n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 提交的可用于u w b 的无线频谱规范报告跚。在英国，频 率监管机构o f c o r n 在2 0 0 5 年1 月就u w b 商用以及与欧洲监管机构进行合作相关 事项进行公开征询，并于2 0 0 7 年公布开放室内l r w b 民用设备的监管规定，并自 8 月1 3 日起允许u w b 设备的免授权民用跚。我国工业与信息化部也于2 0 0 8 年1 2 月6 日出台了关于发布超宽带( u w b ) 技术频率使用规定的通知嘲，公布了 我国超宽带频谱规范。 1 2 3u w b 的标准化进程及发展现状 u w b 的标准化进程始于2 0 0 1 年1 1 月，i e e e8 0 2 15t g 3 a 工作组正式成立， 其目标是确定一种高速物理层传输方案，以支持在1 0 米的范围内11 0 - 4 8 0 m b i t s 的数据传输。工作组随后公开征集物理层提案，在经过评审、筛选之后，众多提 案最终融合为两种方案：一个是i n t e l 、t i 等公司支持的m b o f d m 方案，该方案 将总的可用频带划分成若干5 0 0 m h z 以上的子频带，每个子频带采用o f d m 技术， 使用三个频带时速率最高为4 8 0 m b s 。另一个是x t r e m e s p e c t r u m ( 后被摩托罗拉收 购合并为飞思卡尔公司) 等公司支持的d s u w b 方案，该方案基于窄脉冲和直接 序列扩频，最高速率可望达到1 2 g b i t s 。支持m b o f d m 方案的厂商成立了多带 o f d m 联盟( m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e ，2 0 0 3 年7 月成立) ，随后又与w i m e d i a 联盟【9 】合并( 2 0 0 5 年3 月) 。与之相应，d s u w b 的支持者成立了u w b 论坛( u w b f o r u m ) 。虽然m b o f d m 获得了众多大公司的支持并在对d s u w b 的方案上具有 优势，但在多次会议的投票表决中始终无法得到成为标准要求的票数。最终8 0 2 1 5 t g 3 a 工作组于2 0 0 6 年初解散，此后飞思卡尔及摩托罗拉退出u w b 论坛，专注于 产品开发与市场推广。而w i m e d i a 联盟的m b o f d m 方案( e c m a 3 6 8 【l o 】、 e c m a 3 6 9 标准【1 1 1 ) 继而寻求其他的标准化机构的认可，目前已经成为i s o i e c 标 准( i s o i e c2 6 9 0 7 ：2 0 0 7 ) 。 9 山东大学硕士学位论文 针对低速无线个域网( w p a n ) ，i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 a 标准化工作组。i e e e 8 0 2 1 5 4 a 是i e e e8 0 2 1 5 4 标准的超宽带物理层，提案基于脉冲调制，因此除了能 够实现低速传输的短距离无线通信还能提供高精度的测距和定位功能。工作频段 主要有三个：1 g 以下频段( 2 5 0 7 5 0 m h z ) ，低频段( 3 1 5 g h z ) 和高频段 ( 6 1 0 6 g h z ) ，支持的传输速率包括1 1 0 k b s ，8 5 1 k b s ，6 8 1 m b s ，2 7 2 4 m b s 。与 8 0 2 1 5 3 a 相比，8 0 2 1 5 4 a 的标准化进程更为顺利和富有成效，该提案已于2 0 0 7 年3 月获得了i e e e 标准协会标准委员会( i e e e s as t a n d a r db o a r d ) 的通过，成为 正式标准【1 2 1 。 在欧洲，由几十家工业及学术机构提出的u w b 研究计划普适超宽带低频 谱能量系统p u l s e r s ( p e r v a s i v eu l t r a - w i d e b a n dl o ws p e c t r a le n e r g yr a d i o s y s t e m s ) 1 3 】得到了欧盟信息社会技术( i n f o r m a t i o ns o c i e t y t e c h n o l o g y ，i s t ) 的资 助，成为i s t 第六次项目计划( s i x t hf r a m e w o r kp r o g r a m m e ) 之一，目前该项目的 一、二阶段均已完成。针对低速测距定位和高速数据传输，项目包含两种方案： l d r l t ( l o wd a t ar a t e l o c a l i z a t i o na n dt r a c k i n g ) 和h d r v h d r ( h i g ha n dv e r y h i g hd a t ar a t e ) 。作为p u l s e r s 的后续研究，2 0 0 8 年4 月，得到欧盟第七届研究 和技术发展项目计划支持的e u w b ( c o e x i s t i n gs h o r tr a n g er a d i ob ya d v a n c e d u l t r a - w i d e b a n dr a d i ot e c h n o l o g y ) 项目【1 4 】启动，该项目计划持续三年时间，主要目 标有：发掘u w b 的巨大市场潜力，将把u w b 与认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 以及多天线系统等技术结合起来，更有效地利用频谱以提供具有竞争力的服务与 应用。 我国研究者从9 0 年代末开始跟踪国际u w b 技术的发展，此后国家陆续启动 了一系列超宽带相关技术研究。2 0 0 1 年，国家“8 6 3 计划批准了第一个超宽带预 研项目“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术一。2 0 0 5 年5 月国家8 6 3 计划下达“基于多带体制基于脉冲体制的超宽带无线通信关键技术研究与系统演 示项目，分为多带体制和脉冲体制两个课题，分别由东南大学、清华大学、中 国科技大学进行研发，并先后于2 0 0 5 年1 2 月和2 0 0 6 年4 月完成并通过验收。2 0 0 7 年7 月份，8 6 3 计划又启动了高速u w b 芯片研发的新项目，预计经过2 3 年努力， 可以开发成功我国有自主知识产权的u w b 芯片n5 1 。2 0 0 8 年7 月又超宽带相关 1 0 山东大学硕士学位论文 的项目8 6 3 计划信息技术领域重点项目“超宽带无线通信系统研发与应用示 范 通过了可行性论证。 在产品方面，目前已有1 4 家厂商的二十多款产品通过了w i m e d i a 联盟的 w i m e d i a 平台规格测试( w i m e d i ap l a t f o r ms p e e i f i c a t i o nt e s t ) ，获得了通用无线平台 ( c o m m o nr a d i op l a t f o r m ) j a 证t 们。制造商包括欧美，日本，以色列和台湾的知名企 业以及新兴科技公司。 1 3 超宽带的特点 与传统窄带通信技术相比，超宽带技术的主要特点可以概况为以下几点。 1 传输速率高 宽带化是未来无线通信的发展趋势，高质量的多媒体业务甚至要求通信系统 能够提供每秒数百乃至上吉比特的数据，现有的无线通信技术尚不能满足这一需 要，而超宽带信号占据数吉赫兹的带宽，根据香农信道容量公式 c = b l 0 9 2 ( i + s n r ) ，其中c 为信道容量，曰表示信号带宽，s n r 是信噪比，由此 可见超宽带系统可以利用巨大的带宽提供极高的数据速率。 2 抗多径能力强 常规的窄带无线通信信号由于持续时间远大于多径传播时间，大量的不可分 辨的多径信号叠加会导致信号严重的衰落。对于基于传统的冲激无线电形式的超 宽带系统，由于发射信号是持续时间极短且占空比极低的窄脉冲，在接收端可以 得到多个时间上可分辨的多径信号，因此可以使用r a k e 接收机接收多径分量从而 充分利用信号能量，实验表明对窄带系统多达3 0 6 0 d b 的多径衰落环境对于窄脉 冲形式的超宽带信号只有3 - 4 d b 的衰落1 6 】【1 7 1 。对于采用多带o f d m 的超宽带系统， 当循环前缀大于多径时延扩展时能够有效地消除多径引起的码间干扰和子载波间 干扰。 3 发射功率低 由于超宽带信号的带宽极高，即使发射功率很低也可以获得较大的传输速率。 因此可以在保证一定传输速率的条件下，采用极低的发射功率，使信号隐蔽在环 境噪声和其它信号中。一方面，可以减少对同频段其它窄带系统的干扰；另一方 面，使得超宽带信号具有较好的隐蔽性和保密性。f c c 规定u w b 的发射功率谱 山东大学硕士学位论文 密度必须低于- 4 1 3 d b m m h z ，从理论上来说，超宽带信号对其它通信系统所产生 的干扰仅相当于宽带白噪声。 4 抗窄带干扰 基于传统的冲激无线电形式的超宽带系统对发射信号进行了跳时或直接序列 扩频，系统具有比较大的处理增益，能够抵抗窄带干扰。对于多带o f d m 形式的 超宽带信号，频谱配置比较灵活，可以避开受干扰的部分频段或者使用前向纠错 或较低阶调制解决。 1 4 本论文意义及结构 本章简述了超宽带技术的发展历史、标准化进程以及发展现状。并介绍了超 宽的定义、特点。本文致力于m b o f d m 系统中自适应传输技术的研究，根据超宽 带环境的特点，提出了遵循f c c 功率谱密度限制的自适应比特分配算法，并根据 w i m e d i a 标准搭建单天线和多天线下的系统模型，利用i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型对 w i m e d i a 系统和自适应系统进行仿真，展示了自适应算法的性能。本文共分五章， 各章主要内容如下： 第一章绪论简要介绍了超宽带技术的历史背景、标准化进程及现状以及超宽带 的定义、特点。 第二章首先介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型，然后描述了e c m a 3 6 8 标准。 第三章首先对自适应传输技术进行了简要介绍，然后针对超宽带环境的限制条 件提出了自适应的比特分配算法，并把自适应的传输系统与w i m e d i a 系统进行了仿 真比较。 第四章主要描述了采用多天线技术的m b o f d m 系统结构，并与第三章的自适 应传输方案相结合，通过仿真分析了采用发送分集和空间复用的多天线m b o f d m 系统的性能。 最后一章对全文进行总结，概括本文的工作并及对今后研究方向作了展望。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章超宽带信道及m b o f d m 系统模型 无线通信系统的目标应用环境决定了其传输信道的特性，是影响无线通信系 统性能的主要因素，任何无线通信系统的标准都需要一个能够准确反映目标应用 信道特性的信道模型作为性能评估和比较的基础。对于针对无线个域网环境的超 宽带系统，其信道有不同于其它窄带传输信道的特点，因此需要建立超宽带环境 下的信道模型。本章首先介绍在i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准制定过程中提出的用于衡量各 物理层提案的超宽带信道模型 1 8 】，包括路径损耗模型和多径模型，这也是本文超 宽带系统仿真中使用的信道模型。随后介绍目前得到广泛支持的基于多带o f d m 的超宽带方案w i m e d i a 联盟制定的e c m a 3 6 8 标准【1 0 1 ，最后介绍了依照此标 准搭建的m b o f d m 系统模型。 2 1 超宽带信道传输特性 超宽带信号持续时间极短、带宽很宽。这些特点使得超宽带信道特性有别于 其它窄带无线信道，因此需要针对超宽带环境制定信道模型。8 0 2 1 5t g 3 a 工作组 为此专门成立了一个信道模型委员会征集并评估各种提案，以确定最终的室内环 境超宽带信号的路径损耗和多径模型。2 0 0 3 年7 月，i e e e8 0 2 1 5s g 3 a 研究组信道 模型委员会发布了u w b 室内多径信道模型的最终报告。报告综合考虑了各研究机 构在大量实际测量的基础上得到的统计信道模型，包括各种路径损耗和多径模型， 确定了用于评估物理层提案的最终的信道模型。 2 1 1u w b 的路径损耗模型 对于超宽带路径损耗模型，i e e e8 0 2 1 5t g 3 a3 - 作组最终采纳了i n t e l 1 9 】提出 的自由空间损耗模型的方案。i n t e l 的提案中证明了f r i i s 方程是对采用多种u w b 波形情况下路径损耗状况比较好的近似，并由此提出使用链路预算分析和自由空 间损耗模型作为衡量各种物理层方案传输距离的方法，提案提交者需要提供在该 方案下用以补偿波形失真、信号衰减、多径衰落、实现损耗以及附加信道损耗等 除自由空间损耗之外的信号损失所需要的链路裕量，从而进行方案间的比较。自 山东大学硕士学位论文 由空间损耗模型由f r i s s 提出，是用于预测l o s 环境下接收信号的窄带路径损耗的 模型。假设u w b 发射机与接收机均采用全向天线，则接收信号的平均功率谱密度 作为频率的函数可以表示为： p r ( f ) = 攀群 ( 2 - 1 ) 其中，p 砌为平均发射功率谱密度，平均发射功率为乞= i 弓( 门q ( ) d f ，g 劝 和保钐分别为发射和接收天线的频率响应，d 为发射端到接收端的距离，三为系 统硬件引入的损耗。 2 1 2u w b 多径模型 对于多径信道模型，i n t e l 的研究报告【1 9 】分析了瑞利抽头延迟线、一k 和s v 三种信道模型，并对传输距离在1 1 0 米范围内l o s 和n l o s 情况进行了信道测量， 利用2 - 8 g h z 范围的频率扫描产生了8 7 0 个最小路径分辨率为1 6 7 皮秒的信道实 现。测量发现多径信号成簇到达，因此一k 和s v 模型更符合实际情况，而两种 模型的进一步对比表明s v 模型与测量得到的信道特性更吻合。报告中还比较了 幅度分别呈瑞利分布和对数正态分布的s - v 模型与实际测量信道的符合度，结果 显示幅度呈对数正态分布的s v 模型能够更准确地刻画实际信道。 s v 模型是由s a l e h 和v a l e n z u e l a 归纳的室内多径传播统计模型【2 0 1 ，它基于 这样的观测：同一个脉冲的多径分量成簇到达接收端。模型中应用了两个泊松过 程，一个用来描述每簇第一径的到达时间，另一个用来描述每一簇内多径的到达 时间。假设乃和n 1 分别为第，簇和第，- l 簇首径的到达时间( 首簇首径的到达时 间记为o ) 。z i , k 和识限1 ) 为第，簇的第k 条和第舡l 条路径相对于该簇首径的时延。 记人和五分别为簇和簇内多径的到达速率，那么簇和多径的到达时间分布可以表示 为： p ( 乃i 乃一。) = a e x p 一人( 乃一乃一。) j ， 0 p ( 一iit , ，( i 1 ) ) = a e x p l 一五( _ ，i l ，佧一1 ) ) j ，k 0 、 对于s v 模型中第簇第k 径的幅度t z l , 七，它的模屁i 服从瑞利分布，相位皖i 服从 0 ，2 兀) 内的均匀分布。模型中多径的平均功率呈双指数分布，设e 1 f l o ，0 1 2 】表示 1 4 山东大学硕士学位论文 首簇首径的平均功率，其中e m 表示x 的期望值，r 和) ，分别为簇和多径的功率衰 减系数，则第，簇第k 径的平均功率为： e 慨1 2 = 吐川2 e x p ( 一t t f ) e x p ( 一r e 7 ) ( 2 - 3 ) s - v 模型考虑了多径信号的成簇到达，但认为多径幅度服从瑞利分布。与实测 信道数据的对比表明多径幅度的分布用对数正态分布刻画更为准确，因此i e e e 工 作组最终决定用幅度呈对数正态分布的s v 模型作为超宽带多径信道模型，保留 了s v 模型中多径成簇出现和多径能量服从双指数分布的特点。最终工作组建议 的信道模型可以表示为： 如( f ) = 五口i 万( f 一巧一吒) ( 2 - 4 ) 其中i 表示第f 次信道实现。斫七是第，簇第k 径的增益系数。西和无七分别是第z 簇首径及第k 径的时延。五是信道总的幅度增益，服从对数正态分布。工，足分别 是簇及簇内多径的数目。 信道系数砚t 定义为： q t = p ，t 屏。 ( 2 5 ) 其中p t k 以等概率取士1 ，尻七服从对数正态分布： 阮l = 1 0 ( 州2 ) 坨。 ( 2 一) 其中刀l 、以2 是统计独立且服从均值为零，方差分别为研2 和砚2 的随机变量。比七的 取值为： 以i2 1 0 1 h a l o t , i t 一1 0 r t y ( 砰+ c r 2 2 ) l n l 0 h l o 2 0 ( 2 - 7 ) 多径能量服从双指数分布： e 。1 2l = e x p ( 一t , r ) e x p