（通信与信息系统专业论文）iruwb系统同步方法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 超宽带( u w b ) 技术是一种优良的高速率、短距离无线通信方案，凭借其具有抗干 扰性能好，容量大，结构简单等诸多优点，。正在受到业界越来越多的关注。本文以u w b 系统的协议i e e e8 0 2 1 5 3 a 为基础，重点研究了单径和多径的i r = u w b 系统中的同步问 题和同步方案。 本文介绍了u w b 系统的基本原理和其协议规范i e e e8 0 2 15 3 a ，详细地阐述了u w b 系统的两大提案即d s u w b 方案与o f d m - u w b 方案，并利用了m a t l a b 仿真软件中 的s i m u l i n k 工具对其物理层进行了仿真，讨论了两种方案各自的优缺点。在此基础上， 介绍了u w b 系统中采用的常见的调制方式和多址方式。同步问题是无线通信系统中的关 键问题，在i r - u w b 系统中更有着举足轻重的意义。是本论文的主要关注的问题。在总 结了上述的研究结论之后，文章以i e e e8 0 2 1 5 3 a 为基础，分别研究了单径的i r - u w b 系统和多径的i r u w b 系统中的同步问题，从系统模型出发，综合考虑了同步时间和系 统的复杂度等因素，针对单径的i r u w b 系统，介绍了一种基于顺序搜索算法的同步方 案，并进行了系统性能仿真。针对多径的i r u w b 系统，阐述、分析、比较了基于在多 径条件下性能最优的顺序搜索算法即比特反转算法的改进的同步方案和基于并行相关检 测的低系统复杂度的有反馈修正的同步方案，并通过系统的仿真性能比较证明了同步方案 的优越性。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h eu l t r a - w i d eb a n d w i d t ht e c h n o l o g yi sa ne x c e l l e n ts c h e m ef o rh i 曲s p e e da n ds h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha si m m u n i t yt oi n t e r f e r e n c ef r o m o t h e rs y s t e m s ，h i g hs y s t e mc a p a c i t ya n ds i m p l es t r u c t u r ea n ds oo n ，t h eu w bt e c h n o l o g yh a s a t t r a c t e dm o l ea n dm o r ea t t e n t i o n sf r o mt h ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sa n ds c h e m e so ft h es i n g l e - c h a n n e la n dm u l t i - c h a n n e li r - u w b s y s t e m sb a s e do nt h ei e e e8 0 2 15 3 a ( p r o t o c o lo fu w b ) f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l ea n di e e e8 0 2 15 3 ap r o t o c o li si n t r o d u c e d a n d t h et w or e s o l u t i o n so fd s - u w ba n do f d m u w bo ft h eu w b s y s t e ma r ee x p m i a t e di nd e t a i l r e s p e c t i v e l y a l s ot h e s er e s o l u t i o n s p e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e dt h r o u g ht h es i m u l m i o no ft h e s y s t e m sp h y s i c a ll a y e rb yu s i n gt h es i m u l i n kt o o l so fm a t l a b b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h eu s u a lm o d u l a t i o nm o d ea n dm u l t i a d d r e s sm o d ei nt h eu w bs y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hi sak e yi s s u ei nt 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 ma n dh a sg r e a t s i g n i f i c a n c eo nt h ei r - u w bs y s t e m ，i sap r i m a r yp r o b l e mb e i n gr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a f t e r s u m m i n gu pt h ea b o v er e s e a r c hc o n c l u s i o n s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m si n t h es i n g l e c h a n n e li r - u w bs y s t e ma n dm u l t i c h a n n e li r - u w bs y s t e mr e s p e c t i v e l yo nt h e b a s i so fi e e e8 0 2 15 3 a i nc o n s i d e r a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o nt i m ea n dt h ec o m p l i c a t i o no f t h es y s t e m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sas y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do nt h es e q u e n t i a ls e a r c h a l g o r i t h mf o rt h es i n g l e c h a n n e li r - u w bs y s t e m ，a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni s g i v e n f o rt h em u l t i - c h a n n e li r - u w bs y s t e m ，t h ea m e n d a t o r ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e d o nt h eb e s tp e r f o r m a n c es e q u e n t i a ls e a r c ha l g o r i t h m ，n a m e l yt h eb i t r e v e r s a la l g o r i t h m ，a n dt h e l o w - s y s t e m - c o m p l e x i t yf e e d b a c ka m e n d a t o r ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do nt h ep a r a l l e l c o r r e l a t i o nd e t e c t i o na r ei l l u m i n a t e da n dc o m p a r e d 。t h ea d v a n t a g eo ft h es y n c h r o n i z a t i o n s c h e m ei sp r o v e db yt h es y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n 1 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：径套日期：2 曲7 囊歹 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：丛 导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作 者：j 塑坠级研究生 金鑫 指导教师墨臣堂鲎 题目：i r u w b 系统同步方法的研究 英文题目：t h er e s e a r c ho ft h es y n c h r o n i z a t i o ni ni r - u w bs y s t e m 主题词：8 0 2 1 5 3 a 超宽带同步比特反转反馈 k e y w o r d s ：8 0 2 1 5 3 au w b s y n c h r o n i z a t i o n b i tr e v e r s a lf e e d b a c k 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i i 超宽带无线通信技术的背景及相关概念 i i 1u w b 技术的背景 随着无线通信技术的迅猛发展，用户对通信技术的要求也越来越高，u w b 超宽带技 术( u l t r a w i d e b a n d ) 作为当前热门的新兴无线通信技术之一，已经受到了业界越来越多的 关注。可以预料到随着用户需求的不断增长，超宽带技术将在如无线视频，声频和数据发 送以及家用网络设备等诸多领域获得迅速的发展。 虽然超宽带无线技术是种新兴的无线通信技术，但其发源却可以追溯到一百年前波 波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。到了1 9 4 2 年，d e r o s a 提交了随机脉冲系统的专 利，但遗憾的是这项专利由于第二次世界大战的影响直到1 9 5 0 年代才得以发表。现代意 义上的超宽带u w b 无线电又被称为冲激无线电( i m p u l s er a d i o ) 技术，其出现于上世纪6 0 年代，在此之后u w b 技术在7 0 年代获得了重要的发展，但是在当时这项技术的应用领 域还一直集中在国防通讯以及测距等领域。一直到了上世纪8 0 年代后期，该技术才开始 被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电。1 9 8 9 年美国国防部首次使用了“超带宽”这一术 语。从1 9 9 8 年起，f c c ( 美国联邦通信委员会) 对超宽带无线设备对于原有的窄带无线 电通信系统的干扰及与其相互共容的问题开始广泛征求业界的意见，2 0 0 2 年2 月1 4 同 f c c 在搜集了美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，充分讨论和研究了u w b 系统 对g p s 等现有系统的干扰、电磁干扰性、安全性等问题后批准将超宽带无线技术用于民 用产品，f c c 规定的3 个民用用途分别是： ( 1 ) i m a g i n gs y s t e m s ( 地质勘探及可穿透障碍物的传感器等) ( 2 ) v c h i c l er a d a rs y s t e m s ( 汽车防冲撞传感器等) ( 3 ) c o m r n u n i c a t i o n sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m s ( 家电设备及便携终端之间的无线数据通信 等、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ， l 一v 嘲 一4 砖 譬 l 裂 | ；! | 譬一。 f _ 露 ”1 毒 强 ， i i r j曩。 ，。+ j ；i ； i i i ， 需， i t 7 w ： 薹k q i ，v v ii i 磷 ：毒“： ：4 ： 1 ，； 瞧 ：i 1j ， ， 震 ；崔 - l i 罨- 口。 l j 斛 l i l i 钠_ “ 厶“”l 膏 錾i 囊n 苣 l 二，l 。“ _ 1 ” 肌 1 ： i x ! - i 娅。如 ! l ：罩 i 3，l 僦 jl 二 q i ： i 舞搴e l l i ) 1 0 0l o 图1 1 不同组织的u w b 发射功率控制标准 1 1 2u w b 技术的基本原理 f e c ，羹啊 一室内 翻f s z 欲期 室内 o l f c 棚l 荚曩 一p 哪o “ f c c 定义的超宽带信号是基带带宽对载波频率的比值大于o 2 0 ，或者带宽大于 5 0 0 m h z 的信号l l l 。其中超宽带带宽定义为：低于最高发射功率1 0 d b 的截止频率间的带 宽。在f c c 制定的规范中，超宽带技术在短距离( 小于1 0 米) 和低发射功率( 平均e i r p 为 - 4 1 2 d b m m h z ) 时有高达几个g b p s 的巨大的容量潜力。 目前的通信系统中所使用的载波一般都是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围 内变化，信道上传输的是射频已调信号，接收机需要经过逐级下变频之后再进行解调，以 恢复原始信息。而u w b 信号是一种非正弦的窄脉冲，不使用载波，它的脉冲产生和消 失时间仅为数百微秒至数纳秒以下，直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉冲发射出去，信 道上传输的是基带信号，接收机主要由一个相关检测器构成，结构比传统的窄带通信系统 简单的多，并且和传统的无线收发信机相比，其结构也相对的简单。u w b 系统与传统的 无线电系统的不同之处可以总结为以下三点： ( 1 ) 不需要产生正弦信号，具有很宽的频谱和很低的平均功率。 ( 2 ) 超宽带无线电信号的频谱和中心频率由脉冲波形决定。 ( 3 ) 系统结构简单、体积小、成本低。 1 1 3u w b 技术的优点 u w b 技术与传统通信方式有着本质区别的特殊通信方式造就了u w b 系统的独特优 势1 2 】： 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 ( 1 ) 抗干扰性能强。u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将 微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接 收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 和蓝牙相比，在同等码速条件下，u w b 具有更强的抗干扰性。 ( 2 ) 频带很宽，功率谱密度很小。根据f c c 的定义，u w b 系统的带宽超过中心频率 的2 5 或者超过1 5 g h z ，其带宽明显宽于当前通信系统所用的带宽，高于i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1l bu w b 使用的带宽在1 g i - i z 以上，高达几个g h z 。超宽带系统容量大， 并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开 辟了一种新的无线电资源。因此u w b 将与现有的很多系统共用相同的频段。根据f c c p a r t l 5 或p a r t 9 的规定，u w b 主要的工作频带可能被限制在3 1 1 0 6 g h z ，功率谱密度将 被要求低于- - 4 1 3 d b m m h z 。为了对g p s 和航空与军事应用提供更好的保护，在 9 6 0 m h z 一3 1 g h z 频段的功率谱密度的要求更低，因此对其它窄带系统而言，u w b 的影 响可以看成是抬高了背景噪声。由于脉冲的超短持续时间，使得u w b 系统具有重要的内 在优势对抗多径衰落。 ( 3 ) 传输速率高。理论上一个宽度为o 的脉冲具有无限的带宽，u w b 理论上速率可达 到lg b s 。高于蓝牙1 0 0 倍。u w b 使用的带宽在1g h z 以上。 ( 4 ) 消耗电能小。由于原来的无线通信在通信时需要连续发出载波，自然要消耗电能。 而u w b 系统是发出瞬间尖波形电波也就是所谓的脉冲电波直接按照0 或1 发送 出去。由于只在需要时发送出脉冲电波，因而大大减少了耗电量。一般的u w b 系统只需 要5 0 7 0 m w 的电源，这只是移动电话的1 。功率低限制了传输距离，但是利用脉冲通 信的特性和一些调谐技术可以扩展保持其传输距离。 ( 5 ) 电路结构简单。传统的通信系统需要在邻域将信号搬移到相应的射频载波发射， 而u w b 系统可以直接调制非常尖锐的冲激，从而导致波形占用几个g h z 的带宽。因此， 也将u w b 称为基带( b a s e b a n d ) 、无载波( c a r r i e d e s s ) 或脉冲无线电。因为u w b 发射器直 接用脉冲波形激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功率放大器和混 频器，因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，u w b 系统的接收 机也有别于传统的超外差接收机，不需要中频处理。因此，u w b 收发器的电路结构比传 统收发器简单。 ( 6 ) 多径分辨能力强。由于u w b 系统采用持续极短的窄脉冲，其时间与空间的分辨能 力都很强，因此系统的多径分辨率非常高。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一荤绪论 ( 7 ) 系统容量大。u w b 系统发送占空比非常低的冲激脉冲，便于组成类似于c d m a 系统的移动网络，且其处理增益高，多径分辨能力强，所以使其用户数量大大高于c d m a 移动网。 ( 8 ) 便于多功能一体化。冲激脉冲具有很高的定位精度。采用u w b 无线电系统，很容 易将定位与通信合一，而传统的无线电系统难以做到这一点。u w b 无线电具有非常强的 穿透能力，可以在室内和地下进行精确的定位，而g p s 定位系统只能工作在g p s 定位卫 星的可视范围之内；与g p s 提供绝对的地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位 置，其定位精度可以达到厘米级。 1 1 4u w b 的关键技术和应用前景 u w b 的关键技术包括频带方案设计、脉冲信号的设计和产生、调制和编码、天线设 计、信号的接收、抗多径技术、分组网的m a c 设计、半导体制造技术、抗干扰等。 伴随着u w b 对民用无线通信领域的开放，美国等发达国家的半导体厂商和设备制造 商都在加紧研究开发实用系统。目前，i n t e l ，s o n y 、s i e m e n s 等业界知名厂商也对u w b 技术表现出浓厚的兴趣，其中i n t e l 曾在最近的一次i d f 上展示了其传输速率高达1 0 0m b i t s 的u w b 产品。此外，美国的t i m ed o m m n 、m u l t i s p e c b a l 等公司正在进行u w b 产品 的研发和生产。 宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、i e e e 8 0 2 1l b 、i e e e8 0 2 1 5 等无线通信相比，u w b 可以提供更快、更远、更宽的传输速率。 越来越多的研究者投入到u w b 领域，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提 高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所 喜爱；且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。 在军事需求和商业市场的推动下，u w b 技术将会进一步发展和成熟起来。 1 2 论文的主要内容 本论文首先介绍了u w b 系统的基本原理和i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议标准中的两大标准提 案即d s u w b 系统和o f d m u w b 系统并讨论了这两种提案的物理层模型，以及其所采 用的调制方式和多址方式等基本问题，利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具对 d s u w b 系统的物理层进行了仿真，讨论了i e e e8 0 2 1 5 3 a 中提出的信道模型。i r - u w b 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 系统的同步技术是本论文的研究重点。在总结了以上的研究结论之后，在i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议的基础上，论文分别讨论了单径的i r - u w b 系统和多径的i r - u w b 系统中的同步问 题。其中以多径i r - u w b 系统中的同步问题作为重点。针对单径的i r u w b 系统，在研 究了其系统模型的基础上，介绍了结合顺序搜索算法的使用锁相环电路捕获u w b 脉冲信 号的同步方案。针对多径的i r - u w b 系统在研究了其系统模型的基础上，首先分析了脉 冲捕获过程中可以使用的几种比较常见的搜索算法，比较了其性能，得出了最优的比特反 转搜索算法，并阐述、分析、比较了以此算法为基础的结合了并行技术的基于比特反转搜 索算法的两路搜索的同步方案和分步搜索的基于比特反转搜索算法的同步方案。然后阐 述、分析、比较了低系统复杂度的基于并行相关检测的反馈的同步方案。 本文一共分为五章，各章内容安排如下：第一章介绍了u w b 技术的历史和基本原理 以及其优势所在。第二章介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议标准以及其两大提案即d s u w b 系 统和o f d m u w b 系统，并且介绍了u w b 系统中常用的几种调制方式和多址方式，对 d s - u w b 系统的物理层进行了仿真。第三章介绍了i r - u w b 系统中的同步问题和单径 i r - u w b 系统中的同步方案。第四章介绍了多径i r u w b 系统中的同步方案。第五章对 u w b 技术以及u w b 系统中的同步问题进行了研究展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e s 0 2 15 3 a 协议 第二章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议 2 1i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议 2 1 1i e e e8 0 2 1 5 工作组 随着社会的发展和科技的进步，通信技术与人们的联系变的越来越紧密，而其中无线 通信网络也在人类生活中发挥着越来越重要的作用，越来越为人们所熟知，如g s m 网络 和c d m a 网络等。根据无线网络应用的范围，其可分为以下几种类型： ( 1 ) 无线广域网( w w a n )用于整个国家的连接或国际间的连接，目前主要是为人 们所熟悉的蜂窝移动通信系统。 ( 2 ) 无线城域网( w m a n )是一种固定的无线宽带接入系统，作为一种家庭用户进 入互联网的方式，是a d s l 等有线方式的有力竞争方案。其标准主要由i e e e8 0 2 1 6 工作组制定。 ( 3 ) 无线局域网( w l a n )主要应用于家庭、工厂以及集会等热点地区。其标准主 要由8 0 2 1l 工作组制定。 随着无线通信技术的不断发展，近年来，一种用于无线短距离数据传输的网络即无线 个域网( w p a n ) 应运而生。w p a n 位于整个网络链的末端，用于解决同一地点终端与 终端间的连接，其所覆盖的范围一般在1 0m 半径以内。能够在设备间实现方便快捷、灵 活安全、低成本、低功耗的数据和语音通信的蓝牙技术就是目前实现w p a n 的主流技术 之一。其标准就是由i e e e8 0 2 1 5 工作组制定的。下表列出了几种不同的w p a n 应用对 数据速率的要求。 应用最小数据速率( m b i t s )最大数据速率( m b i t s ) 视频会议( h 3 2 3 厂r 1 2 0 )1 8 81 4 0 0 家庭影院4 35 6 8 交互式应用7 6 8 未知上限 目录下载 9 0 未知上限 表2 1w p a n 应用的数据速率要求 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹 i e e e 8 0 2 15 3 a 协议 1 9 9 8 年i e e e8 0 2 1 5 工作组成立，起初被命名为无线个人网络( w p a n ) 研究组，1 9 9 9 年5 月改称为i e e e8 0 2 1 5 一删工作组。该小组主要致力于研究个人区域网络和短距 离无线网络标准化问题，主要分为四个工作组1 3 】： i e e e8 0 2 1 5 1 工作组：主要负责以蓝牙v 1 1 为基础的标准化工作。蓝牙设备用于在 个人设备间较短的距离上传送数据。其传送数据业务最大可达单向7 3 2 k b p s ，双向6 4 k b p s 。 i e e e8 0 2 1 5 1 标准允许w p a n 设备与i e e e8 0 2 1 l 设备之间的数据传送。i e e e 标准化委 员会( i e e e s a ) 于2 0 0 2 年4 月1 5 日批准了此项标准，并于2 0 0 2 年6 月1 4 日颁布了此项 标准。 i e e e8 0 2 1 5 2t 作组：主要任务是研究工作在相同环境中的两种无线系统的共存问 题。i e e e8 0 2 1 5 2 工作组有两个目标：一是对w p a n 和w l a n 设备之间的相互干扰进 行量化；二是在m a c 层和p h y 层建立一种w p a n 和w l a n 的共存机制。 i e e e8 0 2 1 5 3 工作组：标准草案规定在2 4 g h zi s m 频段系统可以工作在5 个1 5 m h z 的信道上。其中两个信道与i e e e8 0 2 1l b 相互干扰。通过变换调制方式( q p s k 、d q p s k 、 1 6 3 2 6 4 q a m ) 和编码方式( 格形编码调制) 可以提供5 种数据传输率( 11 m b p s 、2 2 m b p s 、 3 3 m b p s 、4 4 m b p s 和5 5 m b p s ) 。本标准的m a c 与w p a n 设备可构建微微网。m a c 层还 可提供多媒体的服务质量、功率控制和a d h o e 网支持。i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组是作为i e e e 8 0 2 1 5 3 的一个高速物理层的补充，它的目的是研究支持1 0 m 以内短距离w p a n 的 l1 0 - 4 8 0 m b p s 速率的物理层标准。也就是说，i e e e8 0 2 1 5 3 a 只是一个物理层标准，其 w p a n 的m a c 层标准和i e e e8 0 2 1 5 3 一致。 i e e e8 0 2 1 5 4 工作组：任务重点集中在低速率、低功耗的w p a n 上。此标准的频谱 分配策略是在8 6 8 m h z 有一个信道、在9 1 6 m h z 频段有1 0 个信道、在2 4 g h z 频段有1 6 个信道。调制方式采用m s k 或b p s k ，传送范围为1 0 7 5 m 。标准的m a c 层支持多种a d h o e 的拓扑结构，保证能分组传送。i e e e 标准化委员会于2 0 0 3 年5 月1 2 日批准了i e e e 8 0 2 1 5 4 草案。另外i e e e8 0 2 1 5 4 a 作为i e e e8 0 2 1 5 4 的一个补充，其物理层的标准可能采用低 速率的超宽带技术。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 i e e e 8 0 2 15 1 以蓝牙标准为基础 速率7 3 2 k b p s 范围：1 0 m 频带；2 4 g h zi s m 频段 i e e e 8 0 2 15 2 研究共存模型和机制 w l a n 与w p a n 之间的冲突和共存情况研究 i e e e 8 0 2 15 3l e e e 8 0 2 15 3 a 【e e e 8 0 2 15 儆n 速率1 0 5 5 m b p s 非常高的数据率 范围在3 0 5 0 m 5 3 3 - 4 8 0 m p b s 频带：2 4 g h zi s m 频段范围小于1 0 m 频带：3 1 一1 0 6 g h z i e e e 8 0 2 15 4 低功率消耗 速率：2 0 - 2 5 0 k b p s 范围：1 0 7 5 m 频带：2 4 g h z 、9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 频段 表2 - 2i e e e8 0 2 1 5 工作组 2 1 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议物理层两大标准提案 i e e e8 0 2 15 3 a 工作组要求物理层提案满足如下要求： ( 1 ) 速率方面：传输数据的比特速率可以根据距离的远近而变化，距离短时传送高速 数据，距离增大时，速率可以适当减小。 ( 2 ) 性能方面：对于1 0 2 4 比特的帧，误帧率应该小于8 ，至少能够支持4 个微网同 时传输，其中每一个微网的最小有效数据速率至少达到5 0 m b i f f s 。能够与其他系统共存， 能够与蓝牙系统、1 e e e8 0 2 1 l 系列的无线局域网、i e e e8 0 2 1 6 的宽带无线接入系统以及 无绳电话共存工作而不造成明显的干扰，还应考虑对其他的辐射装置的抗干扰能力。 ( 3 ) 功率方面：要求功率消耗小，数据速率为1 1 0 m b i f f s 时，消耗的功率应该小于 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 1 0 0 m w ，数据速率为2 0 0 m b i t s 时，消耗的功率应该小于2 5 0 m w 。并且要求系统具有省 电模式。其具体的技术要求和选择标准如下表所示。 数据速率 l1 0 m b i f f s 、2 0 0 m b i 讹和4 8 0m b i 讹 距离1 0 m 、4 m 及以下 功耗1 0 0 m w 、2 5 0 m w 功率管理模式 节电模式和休眠模式等 可并存的微网络4 抗干扰性能对来自i e e e 的系统的干扰应当稳健，长1 0 2 4 的分 组的传输错误率8 电磁兼容能力对i e e e 的系统的干扰的平均功率应该低于非 8 0 2 1 5 3 a 器件的最小能忍受水平的6 d b 以下 成本类似于蓝牙设备 位置感知 位置信息传输到合适的管理实体 灵活性可以适用于不同国家和地区的频谱规定 信号捕获 从引导到数据头的时间 是调制数据是脉冲偏移，对于p p m ，当调制数据也等概率出 现的时候，它的功率谱密度为： s c 门= 击愀刊( 1 - c o s ( 2 z 傅卅寿砉l p c 刊2 c 。s c 等舻c 厂一争c 2 司 可见，p p m 既有连续谱线，又有离散谱线。 p p m 调制的优点是信号的正交性容易得到保证，其很适合于多址和多进制调制。 2 2 2 多址调制方式 2 2 2 1p a m 信号的多址技术 p a m 信号采用的多址技术主要包括跳时二进制移相键控( t h b p s k ) 和直扩二进制 移相键控( d s b p s k ) 。 t h - b p s k 中发送的数据采用b p s k 调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。若巳七 为第七个用户p n 码的第_ ，个码元，其取值范围为 o ， - 1 ) ，伪码周期为坼。则第七个 用户的信号波形为【6 】： ( f ) = 慨】w ( t - j t f 一芦乃) ( 2 9 ) j - , o k 为用户索引，瓦表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据符号周期= m 弓。由其表 达式可以看出同一数据调制的札个脉冲的幅度与极性都相同，但其时移各不相同，分别 由其对应的t 决定。数据不同，脉冲的幅值就不同。 d s b p s k 方式中发送的数据经伪随机序列扩频后再用b p s k 调制，其信号的波形为： s 仕o ) = 虢l 够w ( t - j t 。) ( 2 1 0 ) 由其表达式可见，在d s b p s k 调制方式下，仍然是每m 个单周期脉冲传送一个二进制信 息符号，只是同一数据对应的，个脉冲的极性不再相同，这与t h b p s k 不同；另一个不 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e s 0 2 1 5 3 a 协议 同之处是这些脉冲的时延都相同，即脉冲均匀分布在时间轴上，而t h b p s k 方式中各个 脉冲的时延都受到跳时序列的控制。 2 2 2 2p p m 信号的多址技术 p p m 信号主要采用跳时脉冲位置调制( t h p p m ) 其信号波形为忉【3 】： s 似( ，) = w ( t - j t i 一弓一啾1 ) j = - - o ( 2 - 1 1 ) 其中w ( t ) 表示发送的单周期脉冲波形，七为用户索引，c 表示跳时序列所控制的脉冲 时延，数据符号周期t = m 弓，t h - p p m 仍然是用札个单周期脉冲传送一个二进制信息 符号，所有脉冲极性都相同，各脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制， 这是t h p p m 与t h b p s k 的区别。 2 3u w b 信道的特性 由于对u w b 发射功率的限制，目前u w b 主要应用在通信距离在1 0 m 以内的室内 无线通信。迄今为止，业界已经对u w b 信号的传播进行了大量的测量，但是由于不同的 测量有很多的不同之处，如测试带宽、收发距离、频率范围等，所以未形成统一的规定。 基于各自不同的测量数据，已提出了许多u w b 的室内信道模型，包括i n t e l 的s v 模型、 k 模型、p o c a - n a z a 模型、d a j a n ac a s s i o l i 模型等。其中，s v 模型进行修正后， 被推荐为i e e e8 0 2 1 5 3 a 的室内信道模型。 2 3 1s v 室内信道模型 s v 模型与8 0 2 1 1 模型的主要不同之处是，s v 模型没有假设多径信号在每一个抽样 时间间隔到达，代之的是两个泊松模型的应用。第一个泊松模型用于描述每一簇第一径的 到达时间，第二个泊松模型用于描述簇内各路径的到达时间。 假设： 霉= 第j 簇首径的到达时间 r k j = 第，簇的第k 条多径相对于第一径的延迟 1 5 南京邮电大学坝士研冗生学位论文第二苹i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 a = 簇到达速率 a = 多径的到达速率 簇到达时间和射线到达时间的分布分别为 p ( 刀i 乃一) = a e x p 一人( z 一乃一。) ，i 0 ( 2 一1 2 ) p ( 吒，li 。一。) ，) = ；f e w 一a ( t ，一l 。一。v ) ，忌 0 ( 2 - 1 3 ) 其中第| 簇中第七条路径的幅度为反，服从r a y l e i g h 分布，且 屏= 2 ( o ，0 ) e x p ( - t j f ) e x p ( - r z a ) ，夕2 ( o ，o ) 是第一簇中第一条路径的平均功率。图2 1 和图2 2 分别描述了信道冲激响应和双指数模型。s v 模型符合i n t e l 模型测量的信道参 数，然而测量数据表明多径幅度服从对数正态( 1 0 9 n o r m a l ) 分布。 2 3 2a - k 信道模型 l f， jj 、r 幕o 麓 图2 1s - v 信道冲激响应 图2 2 双指数模型 一k 信道模型的多径到达时间可以这样描述：时间轴以为单位来划分时隙，z 时 1 6 j j ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 隙中有一个多径信号到达的概率为露。若前一个时隙j 一l 内存在一个多径信号，则 弓= k 4 ：否则，日= 。其中 可以描述为【9 】： = r t ； 乃= 南出厶 但。1 其中，巧为时隙，的多径信号占用率。若k 1 则表示多径的到达过程是成簇的；若 k 0 p ( q ，lr ( k 1 ) ，) = ；le x p 一旯( 吒，一t ( k - i ) 1 ) 】，k 0 ( 2 - 1 9 ) 对于信道系数： a t l = p t l p t l q 一2 0 ) 层，不再采用传统的瑞利分布，而是采用均值为版，方差为砰+ 砖的对数正态分布， 即： 2 0l o gio ( , b 女 ，皿n o r m a l ( u k ，c l r 2 ) 朋= 型坠器p 业一百c r t l n ( 1 0 ) ( 2 2 1 ) l n n 0 )2 0 、7 相应地，多径能量分布为： 研砘】- q o p 吲r e 扫 其中q 。为第一簇中第一条多径的能量。 1 8 ( 2 2 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 目标信道特征 c m lc m 2c m 3c m 4 平均附加时延( n s ) 5 0 51 0 3 81 4 1 8 均方根附加时延( n s ) 5 2 88 0 31 4 2 8 多径数( 1 0 d b )3 5 2 5 多径数8 5 2 43 6 16 1 5 4 信道参数 人( 1 n s e c ) 0 0 2 3 3o 4 0 0 6 6 7 0 0 6 6 7 2 ( 1 n s e c ) 2 50 52 12 1 r7 15 51 4 0 02 4 0 0 y4 36 77 91 2 t r , ( d b ) 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 1 ( d b ) 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 l 表2 - 6 s - v 信道特征参数 其中，c m l 为t - r 距离在4 m 以内，存在l o s 信号地信道模型；c m 2 为t o r 距离在 4 m 以内，不存在l o s 信号的信号模型；c m 3 为t - r 距离在4 1 0 m ，不存在l o s 信号 的信道模型：c m 4 时均方根时延到达2 5 n s 的极端多径信道。 c m l 、c m 2 、c m 3 、c m 4 的仿真实现如图2 3 、图2 4 、图2 5 和图2 - 6 所示。 图2 3c m l 仿真 1 9 图2 - 4c m 2 仿真 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议 o 3 ； l 瞄；i o 2 t o 1 5 o ， l l | ；i l o 0 5 螺盥一l 5o 5蕾为 d - i y 们l 图2 5c m 3 仿真 2 4u w b 两大提案物理层描述 2 4 1d s u w b 方案物理层 5 1 0 1 5笛 嗍i n ) 图2 - 6c m 4 仿真 一般意义上的i r - u w b ( i m p u l s er a d i ou w b ) 系统包括跳时超宽带( t h - - u w b ，t i m e h o p p i n gu w b ) 系统和直接序列超宽带系统( d s - - u w b ，d i r e c ts e q u e n c eu w b ) 。其中 d s u w b 方案支持包含高低两个频带的双频带f 1 ，d s u w b 方案的信号频谱图如下所示： 图2 7d s - u w b 方案的信号频谱图 由图可以看到其低频段占据3 1 5 1 5 g h z 的频谱，可以传输的数据速率从 2 8 5 - - 4 0 0 m b i t s 。高频段占据5 8 2 5 1 0 6 g h z ，可以传输的数据速率从5 7 8 0 0 m b i t s 。若同 时使用两个频段则可以达到1 2 g b i t s 的高速数据传输。 其低频段和高频段的数据传输速率如下表所示。 带宽码片速率编码长度 符号速率 低频段1 3 6