（通信与信息系统专业论文）多天线超宽带无线电通信的研究.pdf

中文摘要 摘要 超宽带( u w b ) 是一种以较低的能量来发送高速数据的技术。与其它无线通信 技术相比，u w b 具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强；功耗低和成本低 等优势。特别是它不需要占用额外的频谱，可与现有的无线通信系统在同一频带 内共存这一特点，使它在频谱资源日益紧张的今天受到了广泛的关注。 多输入多输出( m i m o ) 技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通 信技术。通过使用空时编码技术，m i m o 系统能够同时提供空间和编码增益，能 够获得很高的频谱效率和明显的性能改进。因此将m i m o 空时编码技术应用到 u w b 系统中，能充分发挥二者的优势，进而改善系统的性能，提高系统的容量。 本文主要对m i m o 技术和u w b 技术进行了研究。论文共有六章，主要工作 如下：第二章详细介绍了u w b 通信系统的基本原理，介绍了常用的u w b 信道模 型、调制方式和多址接入方式。第三章详细的讨论了m i m o 系统的基本原理，重 点研究了空时分组码的编译码原理并对其性能进行了仿真。第四章研究了 m i m o u w b 系统性能，重点分析了空时分组码结合u w b 技术的系统，推导了两 种空时分组编码结构在u w b 信道中的系统平均错误概率表达式，并且对其在几种 实际的u w b 系统信道模型中的性能进行了仿真，观察了一些关键参数对性能的影 响。仿真结果表明：在u w b 系统中使用空时编码技术能大大提高系统的性能。第 五章简单的研究了m i m o u w b 系统中信道编码技术。 关键词：多输入多输出；超宽带；空时分组码；信道容量；比特差错率 英文摘要 t h e s t u d yo fm u l t i a n t e n n a su l t r a - w i d e b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) i ss e e nt ob eat e c h n o l o g yf o rd e l i v e r i n gv e r yh i g hd a t aa t v e r yl o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t i e s c o m p a r e d t oo t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，u w bg a i n sp o l u l a r i t ym a i n l yf o ri t sa t t r a c t i v ef e a t u r e s ：h i g ht r a n s m i s s i o n r a t e ，c o n s i d e r a b l es y s t e mc a p a c i t y , r o b u s t n e s st om u l t i p a t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d l o wc o s t e s p e c i a l l y , i td o e sn o tn e e de x t r af r e q u e n c ys p e c t r u m ，a n dc a nc o e x i s tw i t ht h e e x i s t i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa t t h es a m ef r e q u e n c yb a n d ，w i c hm a k ei t a t t r a c tm u c ha t t e n t i o nn o w a d a y sw h e nt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c eh a sb e c o m e m o r ea n dm o r ep r e c i o u s m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) i s ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a t m u l t i p l ea n t e n n a sa r es e ta tt h et r a n s m i t t e r sa n d o rr e c e i v e r s t h es y s t e mc a p a c i t ya n d f r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb ei m p r o v e db yt h i s t e c h n o l o g yw i t h o u t e x t r a f r e q u e n c yb a n d w i d t h a n dw i t hn oa d d i t i o n a l p o w e r e x p e n d i t u r e t h em i m os y s t e m c a np r o v i d eb o t h d i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n s s i m u l t a n e o u s l yt h r o u g hs tc o d i n g ，h e n c ey i e l dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr e m a r k a b l e q u a l i t yi m p r o v e m e n t a p p l y i n gm i m ot e c h n i q u e st ou w bs y s t e m sc a l le x p l o i tt h e a d v a n t a g e so f b o t hu w b a n dm i m o t e c h n i q u e s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et e c h n i q u e so fm i m oa n du w b a l lt h ew o r kc a nb e s u m m a r i z e da s f o l l o w s ：c h a p t e r o n eg i v e st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h ef u n d a m e n t a lc o n c e p to fu w bs y s t e m a r ei n t r o d u c e di nc h a p t e rt w o ， i n c l u d i n g t h ec h a n n e lm o d e l ，t h em o d u l a t i o ns c h e m e sa n dt h em u l t i a c c e s s p a t t e r n s c h a p t e rt h r e ep r e s e n t s t h ef u n d a m e n t a lc o n c e p to fm i m os y s t e m s ，i ta l s o p r e s e n t st h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m o fs p a c e t i m ec o d i n g t h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fc o m b i n i n g t h eu w ba n dm i m ot e c h n i q u e sa r ei n v e s t i g a t e di nc h a p t e r 英文摘要 f o u r , i tm a i n l ys t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fs t b ci nu w bs y s t e m s ，a n di ta l s og i v e s s o m es i m u l a t i o nr e s u l t si nr e a l i s t i cc o m m u n i c a t i o ns c e n a d o s t h ec h a p t e rf i v es i m p l y s t u d i e st h es y s t e mc o m b i n i n gt h ec h a n n e lc o d i n ga n dm i m o - u w bt e c h n o l o g i e s k e yw o r d s ：m i m o ：u w b ；s t b c ：c h a n n e lc a p a c i t y ；b e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：蒸丞线嫠童董玉绫鱼通信的婴窒：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：) 马望艇0 驴年弓月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“v ”) 论文作者签名：7 马巫泉导师签名：艄茸 同期：刹年孑月男同 多大线超宽带无线电通信的研究 第1 章绪论 本章首先简单的阐述了移动通信的发展历程，然后回顾了无线通信中超宽带 技术和多天线技术的起源、发展和研究现状以及实际应用情况，最后阐述了论文 工作的研究意义、论文内容和结构安排。 1 1 移动通信系统的演进 在过去的三十多年里，伴随着半导体、微电子技术和计算机技术的发展，无 线通信技术( 尤其是移动通信技术) 得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大的推 动了社会的发展，移动通信已成为现代通信网中一种不可缺少并发展最快的通信 手段之一。移动通信系统已经历了从第一代模拟通信( 1 g ) 到第二代数字通信( 2 g ) 再到第三代多媒体通信( 3 g ) 的三个阶段，并且现在世界各国和很多大的公司都 在着手后三代( b 3 g ) 和第四代( 4 g ) 的研究工作。在我国，移动通信也是最具 发展活力的产业之一。 随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，对第四代移动通信的研究已初见端 倪。与3 g 相比，第四代移动通信系统将在传输速率、频谱利用率、多媒体业务、 资源综合优化以及网络应用等方面远远超过3 g 通信系统，要求系统能够做到“任 何人，任何时间，任何地点”的连接性，这是一个质的飞跃。因此在设计未来的短 距离无线通信系统时，我们要考虑通信的普遍特性以及未来通信系统的特点，这 要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括w m a n s ，w l a n s ， w p a n s 以及a dh o c 和家用局域网，可以连接各种不同的设备，包括计算机和各 种娱乐设备。要实现这个目标，就需要新的无线技术。 在物理层，下一代无线通信系统涉及到的一些关键技术有：具有高频谱效率、 能够有效抵抗多径时延的正交频分复用( o f d m ) 技术，采用多天线系统的空时编 码技术，发射超短脉冲的超宽带( u w b ) 技术，避免多用户干扰存在的联合发送、 联合检测技术，自适应传输技术，高效信道编译码技术及智能天线技术等。 1 2 超宽带u w b 技术简介 超宽带( u w b ) 技术的研究始于2 0 世纪5 0 年代，最初是在1 9 6 0 年作为军用雷 第1 章绪论 达技术丌发的，早期主要用于雷达技术领域；1 9 7 2 年u w b 脉冲检测器申请了美 国专利；1 9 7 8 年出现了最初的u w b 通信系统；1 9 8 4 年u w b 系统成功地进行了 1 0 公罩的试验：1 9 9 0 年美国国防部高级计划局( d a r p a ) 丌始对u w b 技术进行 验证。2 0 0 2 年2 月，f c c 正式批准了u w b 技术用于民用，通过了为民用u w b 无线通信技术丌放频谱的法规【1 1 。u w b 的定义经历了以下几个阶段： ( 1 ) 1 9 8 9 年前，u w b 信号主要是通过发送极短脉冲获得，这种技术广泛应 用于雷达领域，术语脉冲无线电由此应运而生。 ( 2 ) 1 9 8 9 年美国国防部( d a r p a ) 首次使用u w b 这个术语，并规定若一个 信号在2 0 d b 的绝对带宽大于1 5 g h z 或分数带宽大于2 5 ，则此信号就是u w b 信号【2 1 0 ( 3 ) 2 0 0 2 年f c c 颁布了u w b 的频谱规划，并且规定只要一个信号在1 0 d b 处的绝对带宽大于0 5 g h z 或分数带宽大于2 0 ，则此信号就是u w b 信号。这个 新的定义使得u w b 信号不再局限于脉冲发射。同年2 月1 4 同f c c 在充分讨论和 研究u w b 系统对g p s 和w l a n 等现有系统的干扰、电磁干扰性和安全性等问题 后，批准将超宽带无线技术用于民用产品。尽管f c c 对u w b 的功率谱指标提出了 苛刻的要求，但任何人不必申请就可以使用超宽带频段3 1 - 1 0 6g h z 进行通信，由 此掀起了u w b 技术用于民用高速率和低功耗通信的研究热潮。 2 0 0 2 年1 月，i e e e8 0 2 1 5 3s g 3 a 工作组成立，旨在为面向w p a n ( 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 ，无线个域网) 应用的i e e e8 0 2 1 5 3 标准制定出高速物理层 补充标准i e e e8 0 2 1 5 3 a ，u w b 的标准化进程由此开始。 u w b 技术早期发展慢的原因主要有：在1 9 9 4 年以前主要限于军方使用，限 制了第三方丌发支持u w b 的软件和硬件；由于u w b 使用许多专用频段，f c c 对 u w b 技术的批准进展缓慢；u w b 带来的干扰问题也阻碍了u w b 的发展步伐： 而且，由于u w b 技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括p a n ，w l a n ( 8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l g ) 和无线w a n ( 如g p r s ，1 x r t r ) ，因此，许多公 司会抵制该技术的商用。 与其他无线通信技术相比，u w b 具有许多优点。u w b 技术的特点有：传输 速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。u w b 通过改变脉冲的幅 多大线超宽带无线电通信的研究 度、间距或者持续时间来传递信息。与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比，u w b 不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和 很低的平均功率，有利于与其他系统共存，提高频谱利用率。 随着科学技术的发展，各种个人终端，诸如便携式电脑、移动电话、手机等 已日益普及，人们迫切需要一种低功耗、短距离、能进行双向无线通信的全球规 范，以实现个人设备之问的无缝操作。新兴的短距离无线通信技术一 w b 就 可以达到这个目的，实现个人网络的高速化、宽带化。 1 3 多天线m i m o 技术的概况 在通信领域，m i m o 并不是一个新的概念，它可以追溯到m a r c o n i 于1 9 0 0 年 在跨大西洋的通信中使用了多根天线进行通信。不过早期发展比较缓慢。m i m o 技术研究的兴起，首先是建立在t e l a t a r l 3 1 和f o s c h i n i l 4 l 在对m i m o 系统进行信息论 分析时，发现在独立同分布的平坦r a y l e i g h 衰落条件下，其信道容量随天线的数 目呈线性增长关系。这在频谱资源严重匮乏的今天，这无疑为广大系统研究的人 们带来福音。 根据z h e n g 等人的经典论文【5 1 ，我们可以发现多天线m i m o 技术不但能够提 供很好的容量增益( 空间复用q m ：s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) ，而且还能提供分集优势。 空时编码( 这里指的空时编码不包括空时分层码) 是基于发射分集的空间信 号处理技术，并且通常的空时编码具有下面的两个设计准则：( 1 ) 两个不同的空 时码字矩阵差的最小秩最大；( 2 ) 具有最小秩的所有不同码字矩阵差的最小非零 特征值乘积最大。根据码字设计准则，空时码通常可以划分为空时网格码( s t r c ) 、 空时分组码( s t b c ) 和空时分层码( l s t ) 三种。空时网格码是由t a r o k h 于1 9 9 8 年 提出的空时网格码i 刚，由于其编译码非常复杂，很难付诸于应用，因此发展缓慢。 空时分组码是基于a l a m o u t i 的发射分集之上由t a r o k h 于1 9 9 9 年系统的、规范的 提出的一种正交设计方法【7 1 ，其优点是编译码简单，因此得到了广泛的研究。 为了要充分利用u w b 和空时编码的优点，很多文献研究了如何把空时编码应 用到u w b 系统中。在文献【8 ，9 】中，受a l a m o u t i 空时编码方案的启发，作者率先 提出了利用2 个发送天线和s t b c 方案的p p m i r 系统中的编码方式类似于传统的 空时分组编码方案。他们通过分析和仿真展示了这种结合方案的优势：在密集多 第1 章绪论 径信道环境下，系统性能得到了很大的提高。 1 4 本文内容和结构安排和研究意义 由于u w b 和m i m o 技术各自拥有很多优点，在未来的移动通信系统中，二 者的结合将是大势所趋，因此本文就重点研究了二者结合起来时的系统性能。通 过研究分析和实际的计算机仿真模拟来预测并验证该技术的优势所在。 本文研究内容涉及范围有：u w b 系统中使用空时分组码的系统性能分析，以 及在不同的实际信道环境中m i m o 和u w b 结合的系统性能仿真。 全文内容结构安排如下： 第二章主要介绍了u w b 系统的基本原理，以及u w b 信道的模型和一些常用 的调制和多址接入方式，并且对系统的性能进行了简单的分析。 第三章主要分析了m i m o 技术，描述了m i m o 系统的一般信息论基础和空时 编码技术的一般原理。 第四章主要研究了u w b m i m o 系统性能分析，包括u w b m i m o 系统的性 能一般性分析和u w b 系统中空时分组码系统性能分析，并且给出了空时分组码在 不同的实际u w b 信道模型下的性能仿真。 第五章简单的介绍了一下目前各大通信系统中常用的一些信道编码技术，然 后分析了联合m i m o u w b 和信道编码技术的系统原理。 第六章主将概括全文的主要结论和取得的成果，并指出需要进一步研究的问 题和未来的工作。 多大线超宽带无线电通信的研究 第2 章u w b 系统基本原理 本章主要介绍u w b 系统的基本原理，u w b 系统所使用的典型的信道模型， 几种常用的调制和多址方式。并且对各种不同的调制和多址方式下系统发射信号 的功率谱密度进行了简单的分析，同时还给出了一些相应的仿真结果。 2 1u w b 系统一般性介绍 超宽带无线电是指具有很高带宽比( 射频带宽与其中心频率之比) 的无线电 技术。2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 i g h z 和1 0 6 g h z 之间的 7 5 g h z 免授权频段分配给u w b 使用，并对于u w b 的定义为【1 l ： ( 或者总带宽为5 0 0 m h z ) ( 2 1 ) 式中，厶， 分别为功率较峰值功率下降1 0 d b 时所对应的上限频率和下限频率，c 为载波频率或中心频率。如图2 1 所示： 功 率 谱 密 度 ，、 n b 亭_ - i t w n 石b、 f l f cf h f ( h z ) 图2 1 超宽带信号与窄带信号的比较 f i g u r e2 1s p e c t r a ls h a p i n go fu w b a n dn a r r o wb a n ds i 萨a l s 根据香农信道容限公式c 目曰1 0 9 ( 1 + i 瓦) ( 式中b 为信道带宽，o 为高斯白噪 声功率谱密度，尸为信号功率) 。可知，增大通信容量有两种实现方法：一是通过 增加信号功率p ；二是增大传输带宽。u w b 技术就是通过后者来获得非常高的传 输速率。 与传统的基于证弦波的无线通信不同，u w b 技术是通过发送一系列频谱从直 第2 章u w b 系统基本原理 流到几吉赫兹( g h z ) 的短脉冲序列实现的。u w b 短脉冲信号占据的频谱带宽很大， 几乎覆盖了无线系统的大部分频段。美国f c c 在分析了许多大学、公司和研究所 的实验报告后，于2 0 0 2 年2 月通过了一项认可超宽带用于民用的最终规定，规范 了超宽带信号的频谱，对不同用途的超宽带信号规定了相应的功率谱密度。其中 关于室内的辐射掩蔽为图2 2 所示： _ 4 0 r 一一 - 一 4 5j ： 一鄹一 ，一一j l 一一j j 善5 5 菸 警瑚 芷 山 霎髑 ) 室内辐射极限 - 7 5 4 一 一一。：一一一一一 1 0 91 0 伸 图2 2f c c 制定的室内u w b 设备辐射掩蔽 f i g u r e2 2u w b r a d i a t i o nm a s kf o ri n d o o rc o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n sd e f i n e db yf c c 决定u w b 系统辐射频谱的其中之一就是脉冲信号的波形。由于使用超宽带脉 冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲的信号。又根据文献d o ，收发天 线对超宽带信号的微分作用比对窄带系统明显的多。这样，当采用高斯脉冲信号 的时候，由于高斯脉冲信号的各次微分具有很简单的形式，所以分析起来很方便。 基于以上原因，在选用脉冲信号作为超宽带信号模型的时候，大多使用高斯脉冲 信号。高斯脉冲信号的表达式如下1 1 0 1 ： 础冲丽1 p 刍= 譬e 一等 ( 2 2 ) 这里，口2 ，旬2 是脉冲形成因子。d 2 是方差。为了有效辐射，产生的脉冲 应具备一基本条件：无直流分量。高斯函数的各阶导函数均满足上述条件。下面 给出在参数口= 0 8 1 4 e 一9 s 条件下，高斯及其前1 5 阶导数的脉冲波形图，同时还 多大线超宽带无线电通信的研究 给出了高斯各阶偏导脉冲的能量谱密度曲线。 一 o 高斯脉冲及其各阶偏导脉冲波形图( 1 阶- 1 5 阶) 1 i 一一 t。一1i ，j ? - 一j l 一 j 一一| j l ：一一 一j l i jl i - - 一一一一_ r o - 1 - 2 1 广一 1 l 。0 一j 一一 l 一一 ? j i l _ j ! ：卜一一二l ，一? l1 i 、f l 一一一i 一一 j i c ：i | j f、 i ! l 一。一。 ，一二一 2 - 20 2 - 20 2 - 2 1 0 9 x1 0 9 x1 矿 t i m e i s 】 f i ： l f o2 x1 0 9 图2 3 高斯脉冲及其各阶偏导脉冲波形图( 1 阶一1 5 阶) f i g u r e2 3 w a v e f o r m so fg u a s s i a np u l s ea n dt h e i rf i r s t1 5 出d e r i v a t i v e s 1 0 1 0 o1 0 c ，) 山 0 高斯脉冲各阶偏导的能量谱密度 o f r e q u 6 e n c y 【h z 】8 1 01 2 x 1 0 9 图2 4 高斯脉冲各阶偏导( 1 阶一1 5 阶) 脉冲波形的能晕谱密度曲线 f i g u r e2 4 p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) o fg u a s s i a np u l s ea n dt h e i rf i r s t1 5 出d e r i v a t i v e s - 7 - 一 一 j 一一一 一r1。p 1 ， o刁j一享 一一一 。i ， 4 ， 【z工，3口d。一。)一 第2 章u w b 系统基本原理 在实际中，最普遍采用的脉冲波形是高斯函数的二阶导函数1 1 0 1 ，具体的表达 式为： 等卟锄等 ( 2 3 ) 该脉冲的能量为3 口8v 2 s 。事实上，式( 2 3 ) 所表示的高斯函数二阶导函数形 式的脉冲经常被作为接收端的脉冲。图2 5 是其在不同的脉冲形成因子下的图形。 - 0 6 田8 1 21 5- 1 0 500 511 52 t i s 】 x 1 0 9 图2 5 高斯二阶偏导脉冲在不同脉冲形成冈子口卜的波形 f i g u r e2 5 w a v e f o r m so ft h es e c o n dd e r i v a t i v e so f g u a s s i a np u l s ew i t hd i f f e r e n tp u l s es h a p i n g f a c t o r s 可以看出，脉冲宽度取决于脉冲形成因子口。减小口的值将会使脉冲宽度压 缩。从而扩展传输信号的带宽。 2 2u w b 信道模型 、 精确的信道模型对通信系统的有效设计十分重要。由于u w b 系统有8 0 的 商业应用环境是室内通信，因此本文重点考虑室内信道。室内信道的主要特点是： 由于发射机和接收机之问存在多条传播路径，发射信号传播之后会产生多个经过 不同时延和衰减的信号。 在u w b 信道脉冲响应中，著名的有t r u i n 模型，该信道模型等效基带脉冲 响应为： 多大线超宽带无线电通信的研究 办o ) = 口。6 0 r 。) 一- 1 ( 2 4 ) 上式是假定在观测时间及丁大于脉冲的平均重复周期) 内信道是稳定的。口。和 l 分别是时问t 内第厅条路径的信道增益和信道时延，是路径数。从上式得到 的一个多径参数是总多径增益g ，它表示发送一个单位能量的脉冲时，从n 个接 收到的脉冲中的总能量。g 可用下式得到： g 。羔川2 n t l ( 2 5 ) 在多径信道环境条件下，多径总增益g 随收发之间的距离d 增加而减小，二 者有如下关系： g ；i g o ( 2 6 ) d 7 、7 其中，g o 是收发之间距离d = i m 时的参考功率增益，y 是能量或功率衰减指 数，同时参考功率增益g 。可以通过下面式子表示： g o 1 0 一 儿0( 2 7 ) a 。是参考距离d o 一切时的路径损耗，在文献【1 1 】中，作者给出了不同传播环 境下a 。和) ，的取值参考建议。 另一个著名的信道模型为s a l e h v a l e n z u e l a ( s v ) 室内信道模型，该信道模型由 s a l e h v a l e n z u e l a 于1 9 8 7 年确立【1 2 , 1 3 l ，s v 模型基于这样的观测：通常，来自同一 个脉冲的多径分量以簇的形式到达接收机。簇到达时间被模拟为一个速率为a 的 泊松到达过程： p ( lll 一。) = a e “瓦一l - - ( 2 8 ) 其中l 和瓦。分别为第九簇和第九- 1 簇的到达时间，第一簇的到达时闯设为 0 ( 五= 0 ) 。在每一簇内，相应的多径分量的到达时间也服从速率为a 的泊松过程： p ( r 础h 川) t ) t 知以7 - 吖i _ 1 l ( 2 9 ) 第2 章u w b 系统基本原理 其中和f ( m 分别是第k 簇内第咒和第甩一1 个分量的到达时i 日j 。每簇第一个 分量的到达时问设为o ( r 。= o n ；0 ，) 。在s v 模型中1 1 2 i ，第k 簇第疗径的增 益为复随机变量，其模为成。，相位为钆，并假定凡是统计独立且服从瑞利分 布的j 下随机变量，钆是统计独立、服从【o ，幼】均匀分布的随机变量，即 以蹦2 渤一 亿1 p ( ) ；1 ，os 一趟馨 第2 章u w b 系统基本原理 i |l | ：； ，： ；： ! i ： ；： o0 51 t 诚【s 1 1 52 图2 1 0p a m - t h u w b 信号 f i g u r e2 1 0w a v e f o r mo fp a m - t h - u w bs i g n a l s x1 0 2 4u w b 调制信号的功率谱密度 本节我们介绍上面u w b 系统调制信号的功率谱密度。为了分析方便，我们假 设扩频码的符号周期为，定义用户h 的符号级t h u w b 发射波形为： n 1 p r 一( f ) 。荟p ( 0 一c ( ，1 ) t ) ( 2 2 8 ) 同时根据上节的描述，d s s c m c u w b 发射波形可以表示为： n f l p r o ) 。磊c 。( 咒) p o 一，1 0 ) ( 2 2 9 ) 于是第u 个用户的发射波形式( 2 - 2 2 ) 可以转换成下面的形式： 屹o ) = 厄荟口。j ( f 一饵一b u ( k ) a ) ( 2 3 0 ) 根据分析，s 。( f ) 的功率谱密度可以表示为： 西。( 厂) 2 l b 一( ，) 1 2 墨o o 声枯( 厂矿7 狮7 。 ( 2 - 3 1 ) 其中，b 。( 厂) 是p r 。o ) 的傅立叶变换，砖和砝( 厂) 可以表示为： 多大线超宽带无线电通信的研究 瓮曹髫戮怂州“ p 3 2 ， 站( 厂) = e # 。训州d 州“帕垆 、7 当s 。( 足) 是独立同分布，且等概率取0 和1 时，对p a m 调制有巳作) = 毡 ) 一1 ， 和屯 ) = 0 ；对p p m 有a 。 ) = 1 ，f f 【i b ( k ) ；s 。( 足) 。于是式( 2 2 3 ) 可以简化为： 对刚m 调制：珐= 6 0 ) ，站( ，) = 1 , v n 对删删：。帆娥舻 塑叠= ( 2 - 3 3 ) l 2 因此，发射信号，。o ) 最终的功率谱密度可以表示为【1 3 l ： p a m ：西。( ，) ；( 气t ) | 己一( i f 2 咖k 蚓叫硝 洋融吣r q 两种调制方案的西。( 厂) 的形状均取决于包含很多谱线的弓。( 厂) ，这是因为重 复使用n ，个脉冲来表示一个符号的原因。不同于零均值的线性调制p a m 调制信 号，p p m 调制信号的谱线比p a m 的密集。根据定义，b 。( 厂) 带宽及形状不仅取 决于尸o ) ，还取决于所利用的扩频码。 下面给出了不同扩频码情况下的p a m 调制信号的功率谱密度曲线，仿真使用 了高斯脉冲，参数为耳= 0 4 n s ，n ，= 6 4 ，0 = l o o n s ，砭= 2 n s 。从以下三个图 中可以看出，d s 和t h 扩频码都使信号的功率谱密度变得平滑。 第2 章u w b 系统基本原理 024681 01 2 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 1 0 未使用扩频码情况下的p a m 调制信号的功率谱密度曲线 f i g u r e2 1 0t h ep s do fp a ms i g n a l sw i t h o u tf r e q u e n c es p r e a dc o d e 图2 1 1 随机d s 扩频码情况下的p a m 调制信号的功率谱密度曲线 f i g u r e2 1 1t h ep s do fp a ms i g n a l sw i t hr a n d o md sf r e q u e n c es p r e a dc o d e s 1 8 o o o o 0 0 o 0 o ， o 之 习 。 曲 曲 刁 一m芍一击o乱 多大线超宽带无线电通信的研究 图2 1 2 随机t h 扩频码情况卜的p a m 调制信号的功率谱密度曲线 f i g u r e2 1 2t h ep s do f p a m s i g n a l sw i t hr a n d o mt i m e - h o p p i n gc o d e s 2 5 本章小结 本章主要介绍u w b 系统的基本原理，详细的分析了u w b 系统中几种常用的 调制和多址方式。并且对各种不同的调制和多址方式下系统发射信号的功率谱密 度进行了简单的分析。 日p)|e，od 第3 章m i m o 空时编码 第3 章m i m o 空时编码 在无线通信系统中，多天线收发技术m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 的使 用将极大地改善系统的性能和提高系统的容量。空时分组码是通过利用多天线发 射来提高系统分集增益，或者说通过对发射端一个分组内的发射符号进行设计， 来达到各天线之间的相互保护的目的并降低同一符号在所有天线上发生深度衰落 的机会，进而降低平均误码率。 本章首先从m i m o 信道入手，给出了其完整的数学模型，给出了相应的信道 容量结果，从信息论的角度展示m i m o 技术在信道容量方面的优势，并且简明、 清晰地阐述了m i m o 系统中几种空时编码的的基本概念，重点介绍了空时分组编 码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) ，并且简单分析了其性能特点，给出了相应的 仿真结果。 在讨论m i m o 信道模型之前，我们要给出几种在移动通信信道建模中常用的 小尺度衰落信道分布模型。 3 1 几种常用的小尺度衰落信道统计特性 根据衰落信号幅度所服从的不同的统计分布，可以建立如下几种常用的移动 信道模型f 2 2 ，2 3 丑2 5 ，2 6 1 。 3 1 1 高斯衰落信道 高斯信道是最简单的信道模型，常指高斯白噪声信道( a w g n ) 。白噪声通常 假设在整个信道带宽范围内功率谱密度为常数，且衰落幅度x 符合高斯分布，其概 率密度函数( p d f ：p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 为： p = 击e x p c 等， 。 其中m 。是j 的均值，o r 2 是其方筹。 3 1 2 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道 当无线信道无法实现视距传输时，接收信号中无直射波分量，接收信号的每 个多径分量的幅度服从均值为0 、方差为盯2 的独立高斯随机变量，相位符合( o ，2 万) 的均匀分布，那么信号的包络服从瑞利( r a y l e i g l l ) 分布，其概率密度函数为1 2 4 1 ： 多大线超宽带无线电通信的研究 p ( 小事e x p ( _ 吾) b 。) ( 3 2 ) 其中包络的均值她。层仃，方差为“2 - a 2 旷。 3 1 3 莱斯( r i c i a n ) 衰落信遁 当接收路径存在一个主路径，比如视距传播，这个路径的信号到达时还附加 有散射路径来的信号( 服从瑞利分布) ，接收信号的包络的概率密度函数( p d f ) 服从莱斯分布【矧： p ( 小砉e x p ( - 等乩( g 0 彳芑o ) ( 3 3 ) 其中彳2 是主信号的能量，i o ( ) 是第一类零阶修正贝塞尔函数f 2 7 l 。包络的均值 、。 1 为肌z2 2 e x p 一等【( 1 + k ) ，。僻2 ) + k t ( k 2 ) 】) ，方差吒2 _ - l _ m x ：，- ( - ) 是 第一类一阶修正贝塞尔函数1 2 7 1 。这里k 被定义为主信号的功率与多径分量方差之 比，即k a 2 ( 2 a 2 ) ，k 有时称为莱斯因子( r i c i a nf a c t o r ) ，它完全确定了莱斯分 布。当a 一0 , k o ，莱斯分布就转变成瑞利分布。 3 1 4n a k a g a m i 衰落信道 n a k a g a m i 信道是一种非常有用的衰落信道模型。在