（通信与信息系统专业论文）基于go序列的dsuwb系统多址接入技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在短距离无线通信系统中，作为从雷达，遥感等军事成用发展起来的超宽带 ( l r w a ，u l t r a w i d e - b a n d ) 技术正在快速发展，相继成为了军方和商业公司研究 热点。超宽带技术作为无线个人局域阏( w p a n ，w i f e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 戆一秘秘理痿授零，残为了i e e e 8 0 2 1 5 。3 a 工终组掰讨论静内骞。由予超宽穆 技术所其舂态传输速率、强大的挽多径能力、低功耗、低截获窝硷溅穰率等优 势，使它在短躐离高速无线传输方阐逐渐被人们所接受。 在超宽带光线通信系统中，多址接入技术是其中的项关键技术。为了让 更多的用户和设备使用有限的频谱资源，我们通过使用多址技术来达到这要 求，获褥最大的系统容量。 本文圭要瓣辑究蠹容是逶逮谤冀糗仿真懿方法磅究蒸予狰激无线电国t ， i m p u l s er a d i o ) 的单小区d s u w b 系统的多址接入技术。曾先，介绍了超宽带 系统的历史、概念、特点，当前越宽带系统及其多址技术研究现状，同时介绍 了几种u w b 脉冲的特点及频谱特性，比如高斯脉冲，分析了几种多址接入技 术，劳比较了其性黢特点，介绍了在准疑步系统中有较好投能的广义正交( ) 疹残兹兹造方法耱糖关特毪。然嚣，零文会绠7 在a w g n 痿遘- fd s - u w b 多 用户异步上行接入系统模型，推导了系统的误码率公式，分辑了不同脉 申波形 对系统性能与系统容量的影响，比较了几种扩频序列的性能。接着，本文介绍 了i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组所推荐的趟宽带多径室内模型，给出了在此信道条件 下的多用户异步上彳亍接入系统模型，强c m l 、c m 2 、c m 3 、c m 4 信道参数祭 终下，采臻基予m r c 会著方式魏r a k e 接敦援接导了系统豹误羁率公式，势 进行了数值诗嚣和诗算机傍囊，褥滋了在d s - l r w b 系统中g o 序确的性麓黉优 于其他扩频序列并可以达到更大的系统容量的结论。 关键运；超宽豢；童接枣魏扩频；广义歪交枣魏；多婕；r a k e 接嵌瓿 西南交通大学硕士讲究生学位论文第1 i 擞 a b s t r a c t h lt h es h o r b d i s t a n c vw 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 eu l t r aw i d e - b a n d ( u w b ) t e c h n i q u e , w h i c hi sb a s e do nt h er a d a ra n dr e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e s ，i s d e v e l o p e dq u i c k l ya n db e c o m eo n eo f t h em o s ta c t i v ea r e a so f m i l i t a r ya n db u s i n e s s a p p l i c a t i o n s a sak i n do fp h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u ei nw p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) , l r w bt e c h n i q u eh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ew o r k g r o u po fi e e e 8 0 2 1 5 3 a b e c a u s eo f i t ss t r o n ga n t i - m u l t i p a t ha b i l i t y , h i g hd a t ar a t e ，l o wp r o b a b i l i t y o fi n t e r c e p t i o na n dd e t e c t i o n , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d , s oo n , u w bt e c h n i q u ei s b e i n ga c c e p t e db ym o r ea n dm o r ep e o p l ei nt h es h o r t - d i s t a n c eh i g l ld a t ar a t e s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h eu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。t h em u l t i p l e 粼濑t e c h n i q u ea c t s a s 鑫k e yt e c h n i q u e t oe n s u r en l o 辩u s e r sa n dd e v i c e sc a ns h a r et h el i m i t e d f r e q u e n c ys p e c t r u me f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y , m u l t i p l ea c c e s s t e c h n i q u es h o u l db eu t i l i z e dt oc o o r d i n a t et h ea c c e s sr e q u i r e m e n to fu s e r sa n d d e v i c e s t h et h e s i sa i m sa tt h er e s e a r c h e so nm u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u eu s e di n s i n g l e - c e l ld s - u w bs y s t e mb a s e do ni m p u l s er a d i o ( 汰) t e c h n i q u e f i r s to fa l l ， b a c k g r o u n di n f o r m a t i o no fu w bs y s t e m , i n c l u d i n gt h eh i s t o r y , c o n c e p t sa n d f e a t u r e s ，i si n t r o d u c e d ；t o g e t h e rw i t ht h er e s e a r c hs t a t u so fu w bs y s t e ma n di t s m u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u ea l ed e s c r i b e d m e a n w h i l e , t h ep r o p e r t ya n ds p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i co fs e v e r a lu w b p u l s e e si n c l u d i n gg a u s s i a np u l s ea r ep r o v i d e d 。a f t e r t h a t , s e v e r a lm u l t i p l e - a c c e s st e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dt h e i rp e r f o r m a n c 麟a l e c o m p a r e d t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e so fg os o q u e n c e w h i c he x h i b i t sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nq u a s i s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m ，a l ei n t r o d u c e d t h e r e a f t e r , t h em u l t i - u s e ra s y n c h r o n o u su p l i n ku w bs y s t e mm o d e li na w g n c h a n n e li sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s , b a s e d0 1 1w 撕c h , t h eb e re x p r e s s i o n sa r e o b t a i n e d , t o g e t h e rw i t ht i l ea n a l y s i so ft h e i n f l u e n c ee x e r t e do l it h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yb yd i f f e r e n tp u l s ew a v e f o r m s i na d d i t i o n , t h em o d e lo f t h em u l t i u s e r a s y n c h r o n o u su p l i n ku w bs y s t e mi n t h e m u l t i p a t hc h a n n e l r e c o m m e n d e db yt h ew o r k g r o u po fi e e e8 0 2 1 5 3 ai sd i c u s s e di nt h i st h e s i s t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页 b e re x p r e s s i o n sb a s e do nm r c c o m b i n i n gi nr a k er e c e i v e ri nc h a n n e lc m l ， c m 2 ，c m 3a n dc m 4r e s p e c t i v e l y , a l ed e r i v e da n db o t ht h en u m e r i c a la n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r co b t a i n e d i nt h ee n d , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eu w b s y s t e m b a s e do ng os c q u c 髓e x h i b i t sb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dh i g h e rs y s t e m c a p a c i t yb o t hma w g n c h a n n e la n dm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s k e yw o r d s ：u w b ；d s s s ；g os e q u e n c e s ；m u l t i p l e - a c c e s s ；r a k er e c e i v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 霹 1 1 超宽带技术简介 第 耄绪论 近几年来，作为从雷达、遥感等军事瘟翔发展起来的超宽带( u w 8 ，u l t r a 糍醣b a n d ) 技寒蓬在抉速发浸，将潮是在无线令人怒域秘( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 中。作为w p a n 中的一种彩理屡彼术稽继成为了军方釉 商业公司研究热点，并成为了i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组所讨论的内容。超宽带技 术作为短距离无线通信技术的一种，舆有许多的优势，比如强大的抗多径能力、 高传输速率、低截获和检测概率等，因此它逐渐被人们所接受。在数字家臌 ( d i g i 缓h o m e ) 串，我爨霉要有更裹矮爨豹啻褪频韭务瑕务，通过毫涛嚷度数字 电视f l i n t y , h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 来作为终端，阏时为了简纯越来越多鹪 线缆，这时人们自然而然想到了是磷可以用超宽带无线通信技术来解决。 最早的u w b 技术是用于军用目的的，如同现在的码分多址( c d m a ) 扩频技 术，从1 9 9 8 年歼始，美国联邦通信婺员会( f c c ) 开始研究u w b 技术的民用问 题，2 0 0 2 年2 月1 4 丑，f c e 批准可殴将军矮霍达弱怒宽磐技术瘸子民用技零， 李毙准薅予氏蔫产鹣遮还是首次。阕颦霹胃，f c c 羝准将3 。l 镄 z 窝1 0 6 氍魏乏 间的免授权的频段分配给u w b 使用。这一决定，意味潜u w b 即将成为室内 短距无线传输的趋势，尽管目前使用的频段被限制在上述范围内，但是f c c 也 暗示了会扩大u w b 的使用范围，目的是提高频率的使用的效率。u w b 技术嗣 兹已经深入到了令人电脑0 c ) n 造海、游费类电子( c e 孀l 造商、电痿设各制造 赛孛。获嚣兹爨冬狻凝来看，美鏊公镯程这方嚣寄穗当多豹技术褚备，莠拷露了 相当数量的专利，处于市场竞争的裔利位置。 1 1 超宽带光线通信的概念 踅宽豢无线魄( u l t r a - w i d eb a n dr a d i o , l r w 8r a d i o ) 技寒l | 2 0 1 1 4 s 1 ，是獾 其有很高槽对带宽( 射频带宽与中，频率之比) 的一类免线电技术。根据蒋农 的信道容量公式 伽肌9 2 ( 1 + 彘 d 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 这里，b 为信道带宽， b 为高斯白噪声功率谱密度，p 为信号功率) ，我们可知， 增大信道容量有两种方式一是增加信号功率p ，二是增大传输带宽。u w b 技术 就是通过第二种方式来获得非常高的传输速率。 美国f c c 对u w b 的定义是；u v v b 信号的相对带宽应大于o 2 或者绝对带 蜊汗s o o m h z m 譬= 芳靛螂( i - 2 ， 这里，后，五分别为功率较峰值功率下降1 0 d b 进所对应的高端频率和低端频 率，为载波频率或中心频率。 美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 对u w b 的定义是：相对带宽大于2 5 ( - 2 0 d b 情况下) 。 以上的定义方式是从信号带宽的角度定义无线电信号的，从实现技术看， u w b 无线电技术有多种不同的实现方式，第一种被称为冲激无线电( i m p u l s e r a d i o ，i r ) 技术，这是因为当前u w b 系统绝大多数是采用超短脉冲( 纳秒级 宽度) 序列代替正弦载波携带基带信息进行传输，即冲激无线电技术是无载波 的无线电技术。因此取技术不再具有传统的中频和射频的概念，可以看作基带 信号，也可以看作射频信号。第二种就是多频带的正交频复用 ( o f d m ，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 ) 技术，是为了提高频谱利用率。 一个u w b 信号仅需占用5 0 0 m h z 的带宽，而不必是一个脉冲。多带传输系统 将可用的u w b 频带划分成带宽大于5 0 0 m i - i z 的子带，在予带上进行信息处理， 可以根据信息速率、系统功耗的要求及与其他系统共存的要求等动态使用部分 或全部的子带，通过同时发送多个不同频带的u w b 信号来提高频谱的利用率。 这些u w b 信号是不会相互干扰的，因为它们的频率不同，因此多带技术简化 了接收机的数字复杂度，减小功耗，降低成本，提高了频谱的灵活性，有助于 在全球范围内建立相关标准。 图1 1 超宽带信号与窄带和宽带信号的比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 超宽带无线通信的特点 与其他传统的无线通信相比，u w b 的技术具有如下特点1 1 1 1 2 1 1 4 1 8 】： 隐蔽性好 脉冲重复周期巧远远大于脉冲持续时间品，这样使得信号功率谱密度保持 很低的水平，使信号隐蔽在噪声和其他信号中，对其它系统干扰以及被截获和 检测的概率小； 多径分辨能力强 在电磁波的传播过程中，会遇到不同物体的反射，形成多径效应。为了克 服多径效应带来的影响。系统往往加大发射功率，预留较大的余量( 6 d b - 1 0 d b ) ， 或是采用分集接收和复杂的信号处理方法来克服多径效应的不良影响。超宽带 信号是持续时间极短、占空比低的脉冲，在接收端，多径信号在时间上能做到 有效分离，同时可以方便地利用r a k e 接收技术，以充分利用发射信号的能量， 提高信噪比，从而改善通信质量。因此u w b 具有很强的多径分离能力，同时 抗衰落能力强，对常规无线电信号多径衰落可达1 0 3 0 d b 的多径环境，冲激 无线电信号的多径衰落不超过5 d b 【6 】； 一高处理增益 处理增益定义为信号的射频带宽与信息带宽之比。超宽带系统可以做到比 目前扩频通信系统高得多的处理增益。例如可以采用窄脉冲将8 k h z 带宽的基 带信号变换为2 g h z 带宽的射频信号，处理增益为2 5 0 0 0 ( 5 4 d b ) ，另外一方面 在超宽带系统中处理增益也取决于脉冲占空比和发送每个比特所用的脉冲数。 系统容量大 超宽带系统发送占空比低的冲激脉冲，采用跳时( 1 h ) 或直扩地址码调制， 由于处理增益高，多径分辨能力强，可以使用户数量大大高于c d m a 系统。 图1 2 超宽带系统与其它系统的空间容量的比较 西南交通大学石页士研究生学位论文第4 瞪 离传输速率 数字耗、综含像、宽蒂继、餐藏纯_ 穰令入证是逶僖发矮黪主要趋势。鼹警 商质量的多媒体娥务，高速率传输技术是必不可少的的熬础。比如前面所说的 h d t v 需要高达2 3 m b p s 的传输速帛。从信号传播角度讲，超宽带无线通信由 于能有效减少多径传播的影响而使篡可以传输高速率数据。目前超宽带系统的 速率在i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组中为4 8 0 m b p s 。 穿透能力强 实验证明，越宽带系统有禳强盼穿透障碍物的能力，特适甩于室内健输， 定位精度高，还能实现隔墙成像的能力。 另外u w b 信号还具有如下特点：通过改变脉冲的幅度、相位和位置可以 实现调制和多戢；功率蜂平比较大；超短脉 申形状、脉冲极性、跳时码和天线 频城转递丞数次定了u w b 绩号戆巾，貉频率、謦窕鼗功攀谱形状；蠹手发鸯| 功 率受限，因鼗获u w b 系统本身来说，频带秘南率( 波特率，带宽) 遥常低予窄 带系统，需要通：j 过采用高阶调制提高传输速率。 1 + 1 3 超宽带无线通信的发展历史 u w b 霹叛逡溯翔一百年嚣赫兹发瑗电磁渡窥波波爽、骂可尼发稠越洋光 线电报的时代( s p a r k - - g a p ) ，现代意义上的超宽带u w b 无线技术( i m p u l s e r a d i o ) ，出现予1 9 6 0 年代”1 1 2 1 1 4 1 1 8 1 。1 9 6 2 年由于人们在时域电磁场理论方耐的 工作出现了冲激笼线电技术，最初人们期望能够获取微波网络的瞬时特征。幽 对入| f j 逐渐掌撰了小于l 纳秒的基繁躲i 孛生成技术，势殿随着采样示波器技术 翡逶震，夭靠】拜戆藤缀窄戆基繁赫狰来溺量镦波耀终戆洚激瘸应。在净激溅黧 技术应用予宽带发射天线器件的基础上，超短脉冲技术歼始应用于各类雷达耱 通信系统中，6 0 颦后期，g e r a l dr o s s 爿；口h e n n i n gh a r m u t h 为脉冲通信技术的发展 做出了很大贡献，他们研究了脉冲传输系统的主要部件嗣脉冲收发信机的设计， 主要集中在脉冲的产生和检测技术。1 9 7 2 年短脉冲接收枫取代了复杂豹对域承 波器；蘩1 9 7 3 零，r o s s 发夔7 冷激笼线龟逶售系统第一矮专翻，为其实溺纯 奠定了基础。 1 9 8 9 年美囡国防部第一次将这种采用基带超短脉冲的无线电技术命名为 超宽带( u w b ) 通信技术，国防郝的定义实际上统了历史上所称“冲激 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( i m p u l s e ) ”、“窄脉冲”、“无载波( c a r r i e r f r e e ) ”、“基带”、“时域”、“非正弦”、 “大相对带宽”等无线电技术。1 9 9 3 年，美国南加州大学通信科学研究所的 1 l a s c h o l t z 提出了采用发射和接受超短脉冲进行跳时的调制和多址技术【_ ”，从 而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。由于u w b 技术能够 提供比8 0 2 1 l ，h o m e r f 和蓝牙技术更高的数据传输速率，同时具有光无线数 据通信( o p t i c a lw i r e l e s s ) 所不具有的穿透能力，且设备简单，对抗多径能力 强，所以近年来u w b 通信技术发展迅猛，有望成为未来短距高速无线数据传 输的主要技术实现方式。因此，关于u w b 的研究可以说是方兴未艾，并日益 成为目前无线通信最为活跃的研究领域之一。最近新的发展趋势是将认知无线 电( c o g n i t i v er a d i o 。c r ) 技术与u w b 相结合，形成认知u w b 技术。 军用的超宽带无线通信技术主要是由于超宽带信号的隐蔽性、抗干扰性、 高速数据传输、和系统的多功能集成等，主要用于战术电台和移动无线网络， 超宽带雷达及电子对抗。 民用的超宽带无线通信技术主要建立短距离高速连接和w p a n 。目前越来 越多的公司介入到这一先进的无线通信技术中，并与已有的技术进行结合。如 美国的x t r e a m s p e c t r u m 、t i m e d o m a i n 、i n t e l 、t i 等，以色列的w i s a i r 。 在亚洲，日本、韩国、新加坡、中国、中国台湾地区都在积极参与相关的 研发活动，目前只有新加坡的资讯与通信发展局( a ) 允许使用u w b 。 在欧洲，欧洲无线电通信办公室( e r o ，e u r o p e a nr a d i o c o m m u n i c a t i o n s0 f f i c e ) 是欧洲电信标准委员会( e t $ i ，e 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 ) 和欧洲邮电管理会议( e p t ，e u r o p e a nc o n f e r e n c e o fp o s t a la n d t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 的推动者。解决u w b 频谱共享问题。e t s i 的草案比f c c 更加严格。手持设备的建议比f c c 提出的要严格2 0 d b 。 目前在我国，相当多的企业和高校正在加入到这一技术的相关研发工作中， 如华为、中兴、长虹、海尔等，成立了闪联标准工作组和e 家佳标准工作组， 采用u w b 作为物理层技术之一，进行相关产品的开发。国内的高校则做了相 关的基础研究 9 1 ： 2 0 0 5 年1 2 月，东南大学移动通信国家重点实验室和毫米波国家重点实验 室宣布共同成功研制出中国第一套高速超宽带( u l t r a - w i d e b a n d , u w b ) 无线通信 实验、演示系统。该系统采用自主设计的双载波一正交频分复用( d u a lc a r r i e r 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 , d c o f o m ) 方案，无线传输速率达 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 到1 1 0 m b p s ，传输距离超过1 0 米，可用来同时传输4 路高清电视节目或未压缩 视频图像，或进行无线高速数据传输等。 中国科学技术大学无线网络通信实验室在2 0 0 6 年1 月成功地进行了基于脉 冲超宽带技术( 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 - o w b ) 的无线传输演示，在3 0 米视距下，信息传输速率超过1 0 m b p s 。这一传输速率可以用来播放高质量的 影视画面。在非视距情况下，i r - u w b 信号可穿越两堵砖墙完成同样速率的视 频传送。 2 0 0 6 年1 月北京邮电大学关于超宽带无线通信技术及其电磁兼容的研究已 经结题，并向国际电联r r u r t g l 8 提交了有关u w b 与t d s c d m a 电磁兼容 的提案，并参与了正e e 8 0 2 1 5 4 au w b 国际标准方案的制定及融合工作。 1 1 4 超宽带无线通信的标准化 u w b 是一种短距离的无线通讯方式，在1 0 米以内的范围里以至少 1 0 0 m b p s 的速率传输数据。这种通讯方式比较适合在家庭内部使用，市场应用 前景非常广阔，因此围绕u w b 的标准之争从一开始就非常激烈。早在1 9 9 9 年， i e e e 就开始进行w p a n 相关标准的研究工作，即m e e 8 0 2 1 5 标准。目前由数 个分标准组成，i e e e8 0 2 1 5 1 处理基于蓝牙的中等速率w p a n 标准；i e e e 8 0 2 1 5 2 处理在公用i s m 频段内无线设备的共存问题：i e e e8 0 2 1 5 3 关注传输 速率高于2 0 m b p s 速率的多媒体和数字图像应用：i e e e8 0 2 1 5 3 a 是处理物理 层基于u w b 技术的高速w p n 应用。m e e8 0 2 1 5 4 对应传输速率低于 2 0 0 k b p s 数据传输率的w p a n 应用，即我们所了解的z i g b 技术。曾经有二十 几个标准参与竞争，今天只剩下了两个。它们是来自f r e e s e a l e 的d s u w b 和 由t i 倡导的m b o a 。 美国的x t r e a ms p e c t r u m 公司( 已被f r e e s e a l e 公司收购) ，向i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组提出了基于d s c d m a 技术的d s - u w b 的草案，并发起成立了u w b 论 坛( u w bf o r u m ) ，目前论坛共有7 0 余家会员单位，包括先前进入的中小型公 司及高校。发布了基于d s - u w b 技术的x s l l 0 芯片组。在2 0 0 5 年的c e s 展 上，展出了超宽带的h d t v 电视【1 0 】【】。美国的t i 、i n t e l 、i - i p 等公司则向i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组提出了基于o f d m 技术的多带o f d m 草案，并形成了多频带 o f d m 技术联盟( m b o a ，m u l t i b a n do f d ma i l i a n c e ) ，目前共有1 7 0 余家会 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 员单位，几乎包括了所有的大型企业。 从技术上来讲，m b o a 和d s c d m a 是无法彼此妥协的，d s u w b 曾提 出一个通用信令模式，希望与m b o a 兼容。但这种模式显然在技术上无法实现， 所以被m b o a 、i e e e 和无线u s b 协会拒绝。 2 0 0 6 年1 月，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组宣告解散i s 】，标志d s u w b 和多带u w b 标准未能达成一致，高速l r w b 标准只有通过市场来解决。目前m b o a 已经与 i n t e l 领导的w i m e d i a ( w i r e l e s sm u l t i m e d i a ) 产业联盟进行了合并，重点开拓蓝 牙和无线u s b 的市场。目前下一代高速蓝牙无线技术将基于w i m e d i a 超宽带 平台进行开发【1 0 l 。两大技术阵营正在进行着激烈的竞争。 我们在理解u w b 的时候有必要知道u w b 不仅仅指的是d s c d m a 或 m b o a ，他们仅仅是处于u w b 完整架构的最底层】。 w h l e s su s b ：无线u s b ； w i r e l e s s1 3 9 4 ：无线1 3 9 4 ： a p p l i c a t i o np r o f i l e ：应用层协议子集； d l n ac o m p l i a n t ：d l n a 兼容，d l n a 是数字化客厅网络联盟的缩写 ( d i g i t a ll i v i n gn e t w o r ka l l i a n c e ) ； p a l ：协议适应层，( p r o t o c o la d a p t i o nl a y e r ) ； u p n p p ：即插即用多媒体口电话： w i l l l c d i ac o n v e r g e n c ep l a t f o r m ：w i m e d i a 汇聚平台。 w i m e d i a 是无线多媒体的缩写( w i r e l e s sm u l t i m e d i a ) ； d s c d m ao rm b o a s p e c i f i c a t i o n d s c d m a 或m b o a 规格。 d s c d m a 或m b o a 相当于物理层，位于整个架构的最底层，她还分成两 个子层，即物理层( p h y ) 和物理层的控制器层( m a c ) 。在其上面是w i m e d i a 的汇聚层，有点类似于链路层或事务层，介于物理层和应用层的中间。在 w i m e d i a 汇聚层的上面就是应用层面的无线u s b 、无线1 3 9 4 和其他的应用环 境，这些层多已被i e e e 8 0 2 1 5 3 a 确认。 d s c d m a 或m b o a 两方面都有各自的优缺点。d s c d m a 技术是单频带 方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，对现有的、许可频 带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低、上市的时间较短，易于 实现低功耗、低速数据流的无线传输，可实现更高速的无线数据传输，应用于 媒体流及大量的数据传输；m b o a 技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带、灵活配置， 速率的扩展性好。在数字化家庭这样一个应用领域u w b 还远远谈不上一花独 放。8 0 2 1 l 也正在跃跃欲试，w l a n 的劣势是她的传输速率比较低和对多媒体 数据流的支持不够，但传输距离长却是她的优势。8 0 2 1 1 正在试图突破这些技 术瓶颈，能否在不久的将来实现值得我们关注。u w b 传输距离短的局限( 1 0 米) 也使得它只能构建微微网，即便在一个家庭内部也无法真正实现网络化， 这需要结合有线的传输技术，例如1 3 9 4 a b 、u s b 2 0 或u s bo t g 。有线技术同 样具有很多的优点，比如电磁干扰小、传输稳定、安全性高等等，另一个优势 是这些标准已经成熟，产品经受过市场的考验，也符合消费者的使用习惯。另 外，在关注u w b 的同时，开发其他更实用与更迫切的数字接口技术也逐步提 上日程。 1 2 超宽带系统多址接入技术国内外研究现状 多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多 个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信而言是很重要的，并且必须保证 不导致系统性能的降低。u w b 信号由于占据较宽频带，只能与现有系统在频 谱上重叠，因此不可避免地会对窄带系统构成干扰，这就要求u w b 信号的功 率谱应该尽量低并且平坦，呈现出随机噪声的特性，减小对窄带系统的干扰； 从u w b 系统组网的角度来说，为了实现低功率、高容量的无线通信系统，希 望能够尽量减小u w b 用户间的干扰，同时达到尽量高的传输速率，增加接入 用户数。1 9 9 3 年r a s c h o l t z ”提出了一种使用二阶脉冲位置调制( p p m ，p u l s e p o s r i o nm o d u l a t i o n ) 超宽带跳时多址接入通信系统，并在假定多址干扰为高斯 分布的前提下获得了相关的系统性能。r a s c h o l m 的工作为后续的多址超宽带 无线通信技术奠定了基础。对于多址接入技术的研究从多址调制方式上分为两 个主要的研究方向：基于直接扩频( d s ) 序列的多址调制和基于跳时( n ) 序列的 多址调制。它们都是建立在扩频码和随机信道的统计特性基础上进行用户分离， 把多址干扰看成了一种加性高斯噪声。在多用户系统中，超宽带的调制方式是 多址调制与信息调制的组合，如t h p p m 、d s p a m 等。主要分为以下三类情 况： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 1 基于直接序列扩频( d s s s ) 的u w b 多址接入 对于基于直接序列扩频方式的u w b 系统，多址接入方式是通过扩频序列 来进行多址接入的分配，为每个用户分配不同的扩频序列来达到目的。 c d m a - u w b 信号【1 2 】i b l ，每m 1 个脉冲携带1 位信息比特，为每个用户 分配不同的二进制随机序列并采用2 - p a m 调制。由于没有采用跳时技术，因此 每个矸内脉冲位置是固定的，但脉冲极性由数据比特和随机序列共同决定。由 于采用双极性脉冲，因此这一类信号频谱也没有离散分量。采用伪随机序列相 乘，如果遇到异步到达信号在时间上完全重叠的现象，可以利用随机序列的相 关特性对干扰进行抑制。 1 2 2 基于跳时序列的u w b 多址接入 对于采用跳时序列的u w b 信号是通过为不同用户分配不同的序列来实现 多址接入。每一比特对应 个脉冲波形，不同用户在每个脉冲重复周期内的脉 冲位置取决于采用的不同跳时序列。可以看出即使用户异步到达接收机，m 个 脉冲中最多只会有部分脉冲受到干扰，通过对跳时序列的设计，可以控制脉冲 发生冲突的概率，降低用户间的干扰。有如下几种多址调制方式： 跳时2 - p a m 调制信号【1 2 邺1 这一类信号采用跳时码控制每个脉冲重复周期内脉冲的位置。通常设定 驴1 个脉冲携带一个比特的信息，通过p a m 方式进行调制，双极性脉冲，其 功率谱密度不包含离散分量。 跳时2 - p p m 调制信号【7 】【1 2 】【1 3 1 4 1 这一类信号采用跳时码，控制每个脉冲重复周期内脉冲的位置，而二进制 信号 o ”、”l ”分别对应不同的脉冲发送位置，且脉冲为单极性，这样每个乃内 脉冲位置同时取决于跳时序列和发送的比特数据。文献 1 3 】用2 - p p m 方式进行 调制，采用跳时序列来控制发送脉冲位置实现多址用户。指定用户的接收机采 用本地跳时码在一个比特周期死内进行相关接收。如果假定用户的接入是异步 的，并且跳时序列是随机的，那么多用户干扰可以看作是高斯分布的。文献 1 2 】 中同时给出了a w g n 信道下通过数值计算得到的在码元速率一定情况下用户 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 个数与误码率大小的关系曲线。 p a m p p m 混合调制信掣州 这一类信号采用跳时码，控制每个脉冲重复周期内脉冲的位置实现多址传 输；通过2 - p a m 进行调制，脉冲极性为双极性，其功率谱密度与跳时2 - p a m 相同而与2 - p p m 调制方式无关。 跳时m 进制调制p p m 信号【1 7 1 8 】【1 9 1 1 2 0 在这一类系统中，多用户接入通过分配不同的跳时序列控制脉冲重复周期 内脉冲波形出现位置来实现的：但采用多进制位置脉冲调制，每个用户的每个 符号映射为m 个不同脉冲波形之一，而波形在脉冲重复周期中出现的位置由该 用户分配的跳时码来控制。这样实际上是将m 个符号映射到一个个数为m 的 正交波形集上，正交波形集的生成可以有多种方式。文献 1 7 1 8 1 9 2 0 的i e 交波形设计准则是每个波形对应基本u w b 脉冲的不同时间位置，由于l r w b 信号占空比非常低，因此这种方法实际是用一定的时隙安排来代表某一特定符 号，由于脉冲彼此之间不重叠，因此两两正交。其中文献 1 7 】中在使信号点间 距离尽量大的设计准则基础上给出了几种波形集合设计，同时对接收机进行了 简化，并且指出在选择特定波形集合时，相关接收机的个数可以小于m 。文献 2 1 给出了一种基于修正的厄密特多项式的正交波形集构造方法，实现多进制 传输。 1 2 3 无跳时无扩频的多址接入 对于无跳时、无扩频的调制的u w b 信号是通过为不同用户分配不同的脉 冲发送位置来实现多址传输。但如果用户信号异步到达接收机，可能出现信号 之间完全重叠的现象，这样用户会受到严重干扰，因此只适合同步系统中。可 分为以下两类： 无跳时p a m 调制1 1 2 】 这一类信号不采用跳时技术，通过p a m 方式进行调制，每个脉冲重复周期 乃内脉冲位置是固定的。当采用单极性调制时存在离散谱；而在采用双极性调 制时没有离散谱，这样可以避免在某些频点处对如g p s 一类干扰敏感系统产生 过大干扰。 无跳时2 - p p m 调制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 魇 这一类信号不采弱殍避技拳，遥过p p m 方式进彳亍谲铡，每个舀内辣i 串僚 鲞仅与发送戆鼗镶笼特有关。 总的来说，对予多址技术的研究从不同的多址调制方式上分为两个主要的 研究方向：基予赢接扩频序列和基予跳时序列的多址调制。跳时扩频的优势柱 子它对远近效成的敏感程度没有喜接序列扩频那么高。因为只有当不同的用户 信号弥冲正好在饶鬟上出现重叠对，远近效应才会体现出来，扶丽降低了对功 率控裁麴要求。旋攀蘩载u w b 系缓审嚣为售号蠢空魄缀羝，掰疆采爰魏懿扩 频的较多，但随麓瓣传输速率的蔡求越来越高，信号占空跑要大大增加。纛羧 序列扩频的方式鼹到了重视。 国内外多址技术与调制技术的研究目的主要是在保诞低功率传送的基础上 提高系统容量。系统容量包括系统中可以容纳豹用户个数和单个用户可以达列 戆最裹转羧速搴。嚣赫兹圭滚多垃技零震赞疆凝豹魏懿璐褥多耀户之阕豹接入 千扰随机纯；藤调籁中酶高阶谲割方鬃也受到更多瞩霹。多娃技术与系统中用 户的接入方式密切相关。目前绝大多数的u w b 多址系统都假定用户之间异步 接入。 1 。3 本文磺究思路与内容缓织 对超宽带觅线通信系统的研究蹙一个范围广泛的领域。本文对基于壹扩序 列的d s - u w b 系统进行了研究。近筇来，f a n 等提出了鼹脊广义正交( g o ， g e n e r a l i z e do t t h o g o n a l ) 特性的扩频码，并应用于q s c d m a 系统，但在d s - u w b 系统中，应用较多的是m 序列、w a l 热廖歹| j ，对于将侉列应用予d s - u w b 系 统的多缝菝入方紧瓣效票不是穰涛楚，舞浚有登要磁突净翻在d s u w b 系绫 中的性能倩况。 本文主要针对d s u w b 系统，研究了在单小区情况下的上行异步多址接入 特性。分别研究了在a w g n 信道和趟宽带室内多径信道条件下的系统多址接入 性能。并研究不阏脉冲波形对系统性能豹影响，基于高强近似方法，推导了系 统误玛率公式，缭毽了数蓬谤算j 秘傍囊结果。论文组织绥筏如下： 第一章阐述了本文的研究背景，简要介绍i m ，b 系统孵概念，特点，发展膊 史，标准化情况，多址接入的方式及其研究现状。说明了举论文的主要研究内 容、研究方法以及论文的基本结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第二章介绍了基于g o 序列的d s u w b 系统的关键技术。首先是不同的脉 冲波形及其频谱特性，u w b 系统的主要调制和多址接入方案，g o 序列构造及 相关特性分析。 第三章，针对a w g n 信道条件下的d s u w b 系统，给出其多用户d s u w b 系统的系统模型，推导了系统误码率公式，并分析不同占空比和不同脉冲波形 的系统性能的变化，分析了不同扩频序列的多址性能及其系统容量。 第四章，针对i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组提出的超宽带室内多径信道模型，给出 了其多用户d s - u w b 系统的发射机模型和r a k e 接收机模型，并较详细地推导 了多径多用户的系统误码率公式，分析了在c m l 、c m 2 、c m 3 、c m 4 四种 信道模型下的采用p r a k