（通信与信息系统专业论文）超宽带通信系统性能研究.pdf

南京邮i 乜人学硕二研究生学位论文摘要 摘要 本文着重从理论层面上对t h p p m 、t h b p s k 、d s b p s k 三种超宽带系统的误码率性 能进行分析、仿真和比较。文章介绍了超宽带系统误码率性能的两种理论分析方法，第一 利，方法将多址干扰近似为加性高斯白噪声，第二种方法不作该近似，而采用更为准确、复 杂的解析计算方法。通过对两种方法的理论推导结果进行数值计算，并与实际系统的仿真 误码率进行比较，我们进一步验证了：在小信噪比条件下，两种方法均可以作为实际系统 误码率性能的近似理论分析方法，而在大信噪比条件下，高斯近似法明显高估了系统的性 能，已不能再作为实际系统的近似。 更进一步，本文采用第二种更为准确、复杂的解析计算方法给出了t h p p m 、t h b p s k 、 d s b p s k 三种超宽带系统的误码率计算公式，根据得到的计算公式，分别计算并比较了三 种超宽带系统的误码率性能，得出了d s b p s k 优于t h b p s k ，t h b p s k 优于t h p p m 的结论。 最后，文章给出了t h p p m 、t h b p s k 、d s b p s k 三种超宽带系统在i e e e8 0 2 1 5 3 a 推荐信道模型下的仿真，并对三者的性能进行了比较。 南京邮i u 人学硕l 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h et h e o r e t i c a lb e r p e r f o r m a n c ea n a l y s e sf o rt h u w ba n dd s u w b w ed ob e ra n a l y s e si nt w os y s t e m a t i c w a y s t h ef i r s tm e t h o da p p r o x i m a t e l yt a k e st h e m u l t i 。a c c e s si n t e r f e r e n c ea sa d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ew h i c h b e i n gp r o v e dn o te x a c t l yt o m a t c ht h ea c t u a ls y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nt h es i g n a lt on o i s er a t i oi sm e d i u mo rl a r g e t h e s e c o n dm e t h o du s e sam o r ea c c u r a t ea n dc o m p l i c a t e ds o l u t i o ni n s t e a do ft a k i n gt h eg a u s s a p p r o x i m a t i o nw h i c h s h o w st h ee x a c t n e s s a n df u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h es e c o n dm e t h o d ，t h i st h e s i se x p l o r e st h eb e r p e r f o r m a n c eo f t h p p m ，t h b p s k ，d s b p s ku w bs y s t e m s b ye x t e n s i v en u m e r i c a l c o m p u t a t i o n sa n d s i m u l a t i o n s ，i tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a td s b p s ki sb e r e rt h a nt h b p s ka n dt h b p s ki s b e t t e rt h a nt h p p mi nt e r m so fb e r a tl a s t ，w ec o m p u t ea n ds i m u l a t et h eb e r p e r f o r m a n c ef o rt h p p m ，t h b p s k ，d s b p s k uw bs y s t e m so v e rt h ei e e e8 0 2 1 5 3 ar e f e r e n c em o d e l h 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。 1 研究生签名：强盈 日期： 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：珏盘 导师签名：日期： 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：2 0 0 5 级研究生张磊 题目：超宽带通信系统性能研究 英文题目： o nt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fu w bc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s 主题词： 超宽带误码率跳时直接序列扩谱 k e y w o r d s ：u w bb e rt hd s 再京邮i 乜火学硕 ：研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 第一节超宽带简介 1 什么是超宽带( 超宽带一u l t r aw i d e b a n d ) 超宽带通信技术的应用可追溯到马可尼，他在2 0 世纪利用电火花隙发射器产生具有 一1 f 常宽的带宽的脉冲信号。但是，电火花隙传输带来了宽带干扰并且不支持频率共享。为 了便于频率资源的共享和管理，通信领域后来选择了窄带无线传输方式而暂时放弃了宽带 通信。香农定理告诉我们，对信号衰减较小的短距离通信w p a n 而言，利用更大的带宽会 大大提高传输容量。这一点激发了超宽带在短距离通信中的应用。此外，集成电路、信号 处理等技术的发展使超宽带技术变得可以实现。那么，什么是超宽带呢? 美国联邦通信委 员会( f c o 定义超宽带信号为基带带宽对载波频率的比值大于o 2 ，或者带宽大于5 0 0 m h z 的信号。其中超宽带带宽定义为：低于最高发射功率l o d b 的截止频率间的带宽。举个例 了来说，对于一个中心频率在4 g h z 的信号将跨越从3 5 g h z ( 或更低) 至4 5 g h z ( 或更高) 的范 罔j 。能称得上是一个超宽带信号。在f c c 制定的规范中，超宽带技术在短距离( 小于1 0 米) 刷低发射功率( 平均e i r p 为4 1 2 d b m h z ) 时有高达几个g b p s 的巨大的容量潜力。 2 超宽带的特点 ( 1 ) 抗干扰能力强 超宽带采用扩频技术，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 e8 0 2 1 1 b 和蓝牙相比，在 川等码速率条件下，超宽带具有更强的抗干扰性。 ( 2 ) 传输速率高 超宽带的数据速率可以达到几十m b p s 到几百m b p s ，有望高于蓝牙1 0 0 倍，也高于i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 11 b 。 ( 3 ) 带宽极宽 超宽带使用的带宽在1 g h z 以上，高达几个g h z 。超宽带系统容量大，并且可以和目 l 向j 刘引u 人学硕一【：研究生学位论义 第一章绪论 | j ，j t 的窄带通信系统同时工作蔼互不予扰。这在频率资源闩益紧张的今天，开辟了一种薪的 时域无线电资源。 ( 4 ) 耗电量小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续的发射载波，因此耗电量比较大。焉超 蔚带不使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，也就是直接将0 和1 发送出去，并且只是在需 要时才发送脉冲电波，所以耗电量极小。 ( 5 ) 保密性好 超宽带的保密性表现在两个方面：一方面是采用扩频方式，接收机只有己知发送端扩 频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法 接收。 ( 6 ) 发送功率小 超宽带系统的发射功率非常小，通信设备可以用小于i m w 的发射功率就能实现通信。 低功率发射可以大大延长系统电源的工作时间。况虽，发射功率小，其电磁波辐射对人体 的影响也会很小。这样，超宽带的应用面就可以很广。 超宽带的应用 随着数字视频技术的发展，家庭影院、数字化视频光盘播放器、数字电视、宽带因特 l 嘲接入等电子产品的消费迅速增长，这对高吞吐量( 1 0 0 m b p s ) 可靠、短距离数据链路带 柬了前所未有的需求。对消费类产品来说，霹携带、经济以及省电是新一代产品的最重要 的特性。超宽带无线通信是最有潜力解决所有上述问题的技术，这种传输技术有可能成为 龙线蜀域网( w l a n w i r e l e s sl a n ) 、无线个域网( w p a n - w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、 厄线体域网( w b a n w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ) 等未来网络应用的主流技术。 超宽带发展的限制 超宽带发展的限制主要在于对发射功率的限制上。由于超宽带信号的带宽覆盖窄带无 线系统，因此世界各地负责频率资源管理的机构对超宽带的发射功率进行了限制。在美国、 吨扩洲和欧洲，超宽带规范化活动正在进行中。在美国，f c c 在1 9 9 8 上半年发起了制定超 说带发射功率限制标准的活动。经过激烈的讨论之后，联邦通信委员会在2 0 0 0 年公开了 2 南京邮电大学硕二l 研究生学位论文第章绪论 建议的规范。f c c 对无执照无线电设备的第1 5 条例进行了修正，增加了有关超宽带设备 的规定，并且在2 0 0 2 年2 月1 4 日发布了对超宽带设备的功率限制规范。f c c 的工作得到 美国国家电信与信息管理局( n t i a ) 的支持。表l 。l 显示f c c 对室内和掌上超宽带系统 在不同频带上的功率要求。我国也非常重视超宽带技术的发展。2 0 0 1 年9 胃，在国家8 6 3 计划发布的1 5 个重点项目中，超宽带无线系统的核心技术、并存技术以及兼容技术被列 为重点创新和研究的内容。 表1 1f c c 对室内和掌上u w b 系统的要求 工作频率范围3 1 - 1 0 。6g h z 平均辐射功率限制， 频率范围m h z平均e i r p ( d b m m h z ) ( 室内掌上) 9 6 0 一t 6 1 07 5 3 乒7 5 。3 1 6 l o 1 9 0 05 3 3 6 3 3 1 9 0 0 - 3 l o o。5 l 。3 - 6 1 3 3 1 0 0 1 0 6 0 04 1 3 - 4 1 3 1 0 6 0 0 5 1 3 - 6 1 3 带内峰蕊辐射功率大予平均辐射功率6 0 d b 最高等待传输时间1 0 秒 第二节超宽带研究 l 。超宽带通信系统性能分析研究现状 目前，针对超宽带人们提崽了多种调制方法：跳时扩频脉位调制( t h p p m ) 殴8 ；跳 时扩频二相键控调制( t h b p s k ) 【2 9 】；直接序列相移键控调制( d s - b p s k ) 【3 1 】；伪混 沌跳时调制( p c t h ) 【3 羽；m 状态w a l s h 码调制等【3 2 】。最早提出应用于u w b 的调制方 式是t h p p m ，文献 3 】、 7 】、【9 】、 1 0 】、【1 9 、【2 0 、【2 1 主要研究了多用户条件下t h p p m 的误码率性能；文献【2 2 】、【2 3 主要研究了多径条件下p a m 超宽带系统的误码率性能； 4 】 中给出了双极性t h p a m ，即t h 。b p s k 系统的误码率性能分析；【6 】中使用高斯近似的方 3 塑! 业! ! 盔兰竺圭翌! 窒竺堂竺笙茎丝二童堕望 法比较了t h p p m 和t h - b p s k 系统的误码率性能，但是 7 】、 9 】、【1 0 】的结果表明，在大 信噪比条件下，高斯近似法明显高估了超宽带系统的性能。【1 4 】、 2 5 提出了使用特征函数 ( ( 1 f ：c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n ) 研究a w g n 信道下的超宽带系统性能， 1 3 使用该方法推导 了t h p p m 和t h b p s k 系统更为精确的比特误码率计算公式。 通常，超宽带系统使用跳时序列来避免多用户系统中的码元碰撞 1 】，调制方式通常采 刚脉冲相位调制( p p m ) 和一系列的脉冲幅度调铕i j ( p a m ) 包括二相键控调制( b p s k ) 等 2 。 众所周知，直接序y l j ( d s ) 扩谱( s s ) 被广泛应用于码分多址( c d m a ) 系统中，因此，也是超宽 带系统的一种重要扩频方式。t h 和d s 超宽带系统的研究一直是通信领域的热点之一，包 括多用户条件下的t h - p p m 超宽带系统 3 1 ，t h b p s k 超宽带系统【4 】，d s 超宽带系统 5 】 等，文献 6 】中将t h 超宽带系统和d s 超宽带系统的误码率性能进行了比较。但是，上述 文献都对干扰项进行了高斯近似，在文献 7 中，作者使用仿真的方法证明了t h p p m 系统 卜高斯近似的不准确性， 8 】中采用一种非高斯近似法，从理论上给出了t h p p m 系统比特 误码率的计算公式，但是，该公式计算过于复杂。文献 9 】、 1 0 】同样指出了高斯近似法的 不准确性。【1 1 】、【1 2 采用上述两种近似方法比较了不同的超宽带调制方式。 1 3 中给出了 多 丑户条件下t h p p m 超宽带系统和t h b p s k 超宽带系统误码率的精确计算公式，但上 述方法并不适用于d s 超宽带系统。 a w g n 信道作为实际信道一种最理想化的近似，是研究其他复杂信道模型的基础，目 f j ，j 的研究多集中于此 1 4 】、 1 5 1 。2 0 0 3 年，i e e e 的8 0 2 1 5 3 a 工作组对室内超宽带通信给出 了一个标准的信道模型 3 3 】，该模型主要应用在小于1 0 米的短程范围内。而在i e e e 8 0 2 1 5 4 a 工作组下的另外一个小组委员会也对更长的工作范围的信道模型进行了研究 【3 4 】。除了上述比较权威和统一的标准信道模型外，许多已有的文献也对室内环境中的超 宽带传播特性提出了自己的模型 3 5 - - 3 9 。【4 0 1 0 7 给出了t h p p m 系统在n a k a g a m i 信道 模? 型下的误码率性能分析，【4 1 对i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型下t h p p m 系统的性能进行了 分析， 4 2 1 中给出了i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型下超宽带系统平均误码率的数值计算方法， 4 3 】 中给出了i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型下超宽带系统平均误码率的理论分析。 2 本文研究内容 本文研究的主要内容是t h 超宽带系统和d s 超宽带系统的误码率性能，对两种系统 的性能进行理论分析、仿真和比较，并且在i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型下对t h 超宽带系统 和d s 超宽带系统的误码率性能进行了仿真。第一章主要介绍了超宽带系统的多址方式、 4 塑塞! ! ! ! ! ! ! 盔兰堡主里! 窒竺兰垡笙苎笙二童笪鲨 调制方式等一些关键技术；第二章采用特征函数方法，在a w g n 信道下研究t h 超宽带系 统性能，给出了t h p p m 和t h b p s k 超宽带系统性能的计算公式，并对两种系统的性能 进行了仿真比较，同时将结果与采用高斯近似法得到的计算公式进行了仿真比较，进一步 验证了高斯近似法在大信噪比条件下的不准确性；第三章采用与第二章相同的方法分析比 较了t h 和d s 超宽带系统的误码率性能；第四章仿真了t h 超宽带系统和d s 超宽带系统 在i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型下的误码率性能；第五章总结全文，得出结论。 南京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文 第二章超宽带关键技术及标准化 第二章超宽带关键技术及标准化 第一节超宽带关键技术 1 超宽带系统中的调制与多址技术 调制技术是影响超宽带无线通信系统性能指标的关键因素之一，故调制方式的选择至 关重要。影响调制方式选择的因素有两方面。第一，调制方案的选择必须保证系统的误码 率要求；第二，传统的窄带系统是带宽受限，而u w b 系统是功率受限，这个根本区别影 响到u w b 系统的调制方式和编码技术的选择，调制方式的选择影响信号功率谱密度，要 求调制信号具有平坦的功率谱分布。 目前，u w b 采用的调制方式有m 状态w a l s h 码调韦j j 3 2 、脉位调制( p p m ) 【3 】、脉冲 幅度调制( p a m ) 【5 5 】、通断键控( o o k ) 调制【5 6 】及二进制移频键控( b p s k ) 调制【5 7 ，5 8 ，而 b p s k 又分为跳时( t h ) z 进制移频键控调制和直扩( d s ) - 进制移频键控调制。其中p p m 、 p a m 、o o k 及b p s k 比较常用。全面考虑多址性能、实现难易、可靠性及有效性等多方 面因素，u w b 系统目前广泛采用的是t h p p m 及t h d s b p s k ，除此之外，还有其它多 址方式，如：伪混沌跳时多址方式( p c t h ) 3 0 等。- 值得一提的是，在u w ba d h o e 网络应用中，h o r i ew 和s a n a d ay 提出了一种可变扩 频因子的直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 方案 5 9 1 ，为保证接收信号单位比特信噪比恒 定，扩频因子的增加应和信号传输距离的平方成正比，这样可以实现各种距离的高速数据 传输。然而，随着距离的增加，丢包数随之增加。为了解决这一问题，需要使用m a c 协 议。而采用多信道载波检测多址接入方案，分配专用信道用于载波检测，可以较好地解决 这个问题，但却降低了系统性能。h o r i ew 和s a n a d ay 又提出了采用特定组合扩频码用于 载波检测的c s m a 方案，改善了系统性能。 另外，在2 0 0 4 年5 月的u w b 技术国际专题研讨会上，展示了同本的n i c t 与n e c 公司等共同研制的采用b p s k 调制方式的u w b 技术，数据传输速度可达1 0 0 m b p s ，因为 没有使用模数转换器，电路结构较简单。 6 南京l | l i f f u 人学硕i j 研究生学位论文第二章超宽带关键技术及标准化 超宽带系统的构成 超宽带的名称来源于可在非常宽的带宽上传输信号。超宽带无线系统主要包括：产生脉 冲信号串( 发送源) 的方法、脉冲串的调制方法和适用于超宽带的有效的天线设计方法及接 收机等。 ( 1 ) 超宽带脉冲信号的产生 从本质上讲，产生极短脉冲宽度( 纳秒级) 的信号源是研究超宽带技术基本的前提条件， 单个无载波窄脉冲信号的两个突出特点：一是激励信号的波形为具有陡峭自i 沿的单个短脉 冲，二是激励信号包括很宽的频谱，从直流( d c ) 至f j 微波波段。目前产生脉冲源两类方法为： a 光电方法： 基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激 光脉冲信号可以有很陡的前沿，所以得到的脉冲的脉宽可达到皮秒0 0 1 2 秒) 量级。另外，由 于光导开关采用集成方法制成，可以获得很好的一致性。该方法是最有发展前景的一种方 法。 b 电子方法： 基本原理是利用半导体p n 结反向加电，在达到雪崩状态的导通瞬问的陡峭上升沿获得 脉冲信号。该方法是目前应用最广泛的方案。这种方案的缺点是，由于采用电脉冲信号作为 触发，其前沿较宽，触发精度受到限制，在要求精确控制脉冲发生时间的场合受到限制。受晶 体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到 1 纳秒以下。典型的超宽带脉冲信号时域波形和频域波形如图2 1 所示： 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章超宽带关键技术及标准化 链 馨 l 八 省 ” 时问( n s ) a 时域信号被 脯 1 3 。 褥 懈 b 频域渡形 频率 图2 。1 典型超宽带信号的时域及频域波形 从图2 1 可以看出：冲激脉冲通常采用高斯单周期脉冲，宽度在纳秒级，具有很宽的频 谱。实际通信中使用的是一长串的脉冲，由于时域中信号重复的周期性将造成频谱的离散 化。它们将会对传统无线电设备和信号构成于扰。通过适当的信号设计可以减低这种干扰 的影响。 a ) 。信息的调制 脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 是超宽带无线电的两种主要调制方式，脉冲 位置调制又称时f o n j 带o ( t m ) ，用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间 来表示一个特定的信息，调制薏在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收，酃用交叉相关 南京| | | | j i 匕人学硕j j 研究生学位论文 第_ 二章超宽带关键技术及标准化 器在达到零相差的时候就可以检测到这些调制信息，而脉冲幅度调制则用信息符号控制脉 冲幅度。 在超宽带系统中，采用跳时脉冲位置调制( t h 2 p a m ) 对长脉冲序列进行调制时，每一 用户的下一块信息将在时间上随机分布，可在频域内得到更为平坦的r f 信号功率分布，这使 得超宽带信号在频域中类似于背景噪声，图2 2 为超宽带系统中一种典型的由伪随机序列控 制的跳时信号，发射机在由伪随机序列确定的时间帧上发送一个单周期脉冲，图中l 通常为 单周期脉冲信号的一百倍，为随机出现的脉冲的持续时间。它的位置由p n 码确定。通 过跳时进行扩频与一般的扩频波形( 直接序列扩频或跳频扩频) 不同，超宽带波形的扩频带宽 足直接产生的，即单个比特未经扩频序列如p n 码调制，本质上是时域概念。 图2 2 序列0 ，3 ，1 ，3 ，2 的跳时脉冲串 ( 3 ) 天线 能够有效辐射时域短脉冲的天线是超宽带研究的另一个重要方面。作为超宽带天线， 它应该保证能够达到以下要求： 1 天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频 带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去，保证不引起脉冲特性的改变或下降。 2 天线的相位中心具有超宽频带不变特性。即要求天线的相位中心在脉冲能量分布 的主要频带上保持一致。 对于时域短脉冲辐射技术，早期国内外均采用双锥天线及其演变形式v 一锥天线，扇形偶 极子天线，这几种天线存在馈电难，辐射效率低，收发耦合强，无法测量时域目标特性，只能用 作单收发用途。随着微波集成电路的发展，利用集成电路方式进行馈电，从而研制出超宽带 、i 五面槽天线，它的特点是能产生对称波束，利用平衡超宽带馈电，具有超宽带特性，由于利用 光刻技术，所作天线对较高频率没有限制，可以用到毫米亚毫米波段作集成接收机应用。 ( 4 ) 收发机 9 南京i i i l j i u 人学硕，l 二研究生学位论义 第_ 二苹超宽带关键技木及标准化 与传统的无线收发信机结构相比，超宽带收发信机可以采用相对简单的结构得到同样 的性能，传统的无线收发信机大多采用超外差式结构，相对来说超宽带收发信机采用零差结 构，实现简单，无需本振、功放、压控振荡器( v c o ) 、锁相环( p l l ) 、混频器，在接收端天线收 集信号能量经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。 现代数字无线技术常采用数字信号处理芯片( d s p ) 来产生不同的调制方式，这些系统可逐步 降低信息速率以在更大的范围内连接用户，超宽带的一大优点是即使最简单的收发机也可 采用这一数字技术，因此，当距离增加时超宽带可以通过使用几个脉冲发送同一信息比特以 增加接收机信噪比，通过软件的控制，可动态调整数据速率、功耗与距离的关系，这种灵活性 j r 是功率受限的未来移动计算所必须的。 超宽带标准化机构 第二节超宽带的标准化进程 i e e e8 0 2 1 5 的主要工作是制定不同无线个域网的标准。它分为四个重点研究小组，如 图2 3 所示。i e e e8 0 2 1 5 1 研究小组创立了基于蓝牙的标准；i e e e8 0 2 1 5 2 主要负责研究 两个以上无线系统在同一环境中运行的并存问题；i e e e8 0 2 1 5 3 关心的是数据率达5 5 m b p s 的w p a n 的开发；i e e e8 0 2 1 5 4 涉及到低功率、低速率w p a n ( l p p a n ) 系统。i e e e 8 0 2 1 5 3 a 研究小组( t g 3 a ) 的目标是确定能在1 0 米内支持1 1 0 4 8 0 m b p s 数据传输率的物理 层标准。该标准将使得w p a n 具有精练的体系结构，并且可以在已有的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 层下运行。这个新的标准将支持广泛的应用，包括需要大于l o o m b p s 的多媒体应用，如视 频会议等。自从t g 3 a 丌始审查i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的建议以来，很多公司联合起来推出 各种建议。在物理层方面，2 0 0 3 年7 月后基本上只剩下两个竞争者：一个是由i n t e l 和t i 领导的多频带o f d m 联n ( m b o a ) 提交的多载波正交频率复n ( m b o f d m ) 建议；另一个 是由m o t o r o l a 、c r l 、d e c a w a v e 和o k i 半导体公司的行业组织联合支持的直接序列超宽带 ( d s - u w b ) 建议。由于双方都没能够达到i e e e 批准所必要的7 5 的投票率，因此均未能成 为超宽带标准。这个僵局意味着双方有可能不顾i e e e 的批准而继续向前发展，导致两个 超宽带技术标准同时存在的局面。 1 0 i 如：l i l i j i u 人学倾i ：研究生学位论文 第二章超宽带关键技术及标准化 超宽带标准化要求 图2 3 超宽带标准化机构 t g 3 a 对高数据率w p a n 标准以及超宽带标准的研究提出了五个基本要求： 1 广泛的市场前景 ( 1 ) 应用坏境多样性： 可便携设备的普及，如手提电脑及其外围设备和各种通信设备、电器设备的不断增殖， 已经验证了基于宽带通信的设备互联的需求。如今，高清晰度电视、家庭影院、数字化视 频) 匕盘播放器、数字电视、宽带因特网接入等产品迅速增长，无线宽带互联将使得它们更 实用、更方便。 ( 2 ) 供应商和用户的多样性： i e e e8 0 2 1 5 3 a 的丌发得到了无数参与者的支持，包括国际无线通信界的领导、学术 研究人员、半导体制造商、系统集成商、消费品公司以及商界用户。 ( 3 ) 低性价比： 要求新的物理链路有良好的性价比。 2 兼容性 堕室些塑叁堂堡主型! 窒竺兰垡笙奎 翌三兰塑窭堂鲞壁垫查垄堡堡些 基于超宽带标准的m a c 层( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 与i e e e8 0 2 体系、管理和互联的需 求必须兼容而且将基于i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 层。 3 唯一性 新的标准有独立的应用领域，不能是其他标准的重复。它将是唯一针对高于l1 0 m b p s 数据率以及相应的q o s 需求的多媒体市场的标准。 4 技术性能 新的标准必须经得起严密的技术测试以及高端应用环境需求的考验。到目前为止，大 量的测量结果、演示以及仿真实验表明超宽带系统的高数据率、服务质量、功率管理、低 功耗、频率共享管理等服务目标是现实的，并且现有的无线链路原型也符合商用标准。 5 经济效益 新的标准与现有i e e e8 0 2 1 5 3 的价格应该相当。按照原型的解决方案进行制造和实 施，对其规模、费用和功率需求的测试表明，价格指标是可以满足的。与此同时，该标准 对设备安装费用没有任何影响。 t g 3 a 为低功耗、低价格、高数据率w p a n 标准以及超宽带标准的开发制定了更具体 的技术指标和要求，如表2 1 所示。 表2 1i e e e8 0 2 1 5 3 a 的技术要求和选择依据 数据率 1 1 0 、2 2 0 和4 8 0 m b p s 距离1 0 m 、4 m 及4 m 以下 功耗 1 0 0 m w 和2 5 0 m w 功率管理模式省电、唤醒等功能 并存微网 4 抗干扰能抗其他符合i e e e 标准系统的干扰， 对10 2 4 比特帧数据要求误码率 8 互存性减少对符合i e e e 标准系统的干扰， 平均干扰功率至少比非i e e e 8 0 2 15 3 a 设备的最低灵敏度低6 d b 成本相当于蓝牙设备 定位功能 能把定位信息转发剑相应控制设备 可升级性与i e e e8 0 2 1 5 3 a 向后兼容，可适应 不同地区管理机构的要求 信号捕捉从前导码剑包头，捕获时间 2 0 秒 1 2 南q ( i l i l lq , 人学硕一l ：r 0 f 究生学位论文 第二章超宽带关键技术及标准化 第三节超宽带无线通信的性能特点及局限 超宽带技术上的主要优点 超宽带技术上的主要优点如下： 从工程角度看，超宽带远比其它无线技术要简单，超宽带可以集成在一块相对低价的芯 片中与蜂窝电话和民用波段设备的发射功率相比，超宽带无线系统仅需毫瓦级的发送功率， 是现有系统的1 1 0 1 1 0 0 。因此使用超宽带技术的产品的制造成本和售价可比现有的无线 技术要低。 一般来说在超宽带无线系统中多径不是主要问题，g h z 级的带宽对应于纳秒级的解析 度、多径信号在时间上可以分离，采用r a k e 接收机结合时间分集，可以充分利用发射信号的 能量，因此多径效应对现有窄带系统性能的限制在某种程度上可用以改善超宽带的接收信 号。 超宽带可以达到很高的数据传输速率：超宽带可在5 1 0 米范围内提供1 0 0 m b p s 的数据 速度，即使是8 0 2 1 1 无线网络技术( 5 4 m b p s ) 和低能耗的蓝牙技术( 7 0 m b p s ) 也远不能与超宽 带技术相比。同时超宽带的空间容量也远大于传统的无线技术。 超宽带是一种更安全的通信方式：理想的冲激脉冲在频域上将信号能量从d c 扩展到接 近光波，实际中并不能产生一个宽度为0 的脉冲，但对于一个极窄的脉冲，信号能量在频域上 仍可跨越一个相当大的范围，超宽带的发射信号在这样大范围的频段内平均分布，信号淹没 存环境噪声之中，难以被检测到。 超宽带的窄脉冲可以穿透墙壁和其它物体，纳秒级宽度的脉冲，对应于光所前进的距离 岁l 有几个厘米，即超宽带可以起到和雷达相同的作用，超宽带除应用于通信处，兼有定位、车 辆防撞、测距和透视功能，且所有这些功能可集于一体。 超宽带技术上的局限性 影响超宽带使用的一个非常实际的就是干扰问题，直到目前为止，超宽带使用非常宽的 带宽来收发无线电信号，而实际上并不存在如此之宽的空闲频带，总要出现与现有无线技术 所使用的频带相互重叠的部分，特别是涉及到航空、军事、安全和天文等领域。超宽带的大 最使用可能对g p s 等其它窄带无线通信方式形成干扰，目前超宽带只能得到有限的应用。 带j 剐i i ：i 也人学硕l 研究生学位论义第一二章超宽带关键技术及标准化 萌r 以晚超宽带不是一项进行频带分配，而是一项以共享其他无线技术使用的频带为前提的 无线技术，超宽带对于窄带系统的严重潜在干扰仍在进一步研究之中。 如果超宽带信号低于传统超外差式接收机门限成立的话，那么传统发射机发射的窄带 信号也会大于超宽带接收机的门限，因此在超宽带接收机的频带内，宽带接收机易受到传统 窄带通信机的干扰，匹配滤波器的精度、超宽带天线等也不易满足。由于短的脉冲持续时间， 相关检测接收脉冲需要精确的定时。最后，来自板载的微控制器所产生的噪声也是一个严重 的问题。对于传统收发机，只要抑制带外噪声就可以了，这对超宽带是不可行的。 本质上，超宽带通信系统以更窄的脉冲( 得到高信号符号率) 换取其它两个可变参量： 带宽( 变宽) 和s y ( 减少) ，但使用更大的带宽需要得到批准，同时信号在很大的带宽上进行平 均，降低了s n ，这又导致信号符号率和信道容量( 数据速率) 的下降，如果超宽带的目标是得 到高信道容量或高速数据速率，那么可以通过将平均脉冲频率提高到2 g h z 以上或提高发送 信号功率( 如果允许且不造成干扰) 来达到这一目的，但是常规的无线通信系统也可利用以 上的两种方法，即超宽带系统也和常规无线通信系统一样要在带宽效率、发送峰值功率、复 杂度、灵活支持多速率和用b e r 表示的性能之间取得平衡。 第四节超宽带通信技术的主要研究方向 目前国内外超宽带通信技术研究主要集中在以下几个方向上：信号传播特性的研究与 佶道建模；超宽带同其他通信系统的相互干扰：超宽带天线的设计；脉冲形状、脉冲产生 f t 路和脉冲成形电路与天线的联合设计与优化；调制方式与伪随机码的选择；接收机的设 计；m a c 层的设计与优化等。 对于超宽带信道的分析与建模已经有大量文献，而且i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组己确定采 用i n t e l 提出的信道模型的改进型作为评估模型，但对于超宽带室内信道的进一步研究对于 优化系统性能仍有很大意义。 由于超宽带的频带与众多无线应用的频带重合，它们之间的干扰水平和兼容性收到了 广泛的关注，尤其是功率谱同样很低的g p s 和卫星通信系统对超宽带系统提出了很高的功 率阱密度分布要求。目前大部分的干扰研究都基于频域的考虑、干扰功率谱的测定、功率 谱水平等，接下来需要在时域测量超宽带对其它系统附加的更为敏感的影响。 超宽带的宽带特性使其天线设计成为一种挑战。便携式与移动终端是超宽带技术应用 的疗向，因此小型而且高效的天线设计十分重要。天线设计应考虑到紧凑、低电压、集成 1 4 南京b f 乜人学硕l 二研究生学位论文第二苹超宽带关键技术及标准化 化、辐射效率、全向和定向的选择、极化分集和t e t m 模式的结合等。传统的天线设计 是根据天线的传输函数从频域来解决，而超宽带天线最好从时域进行设计。 由于脉冲超宽带通信的信号形式就是脉冲，故超宽带脉冲形状的设计对于超宽带系统 陀能十分重要，脉冲设计需要考虑到多方面的因素，必须考察其在时域、频域和空域中的 特性。早期的脉冲产生一般是采用基带方式，将一种上升速度极快的脉冲直接作用到一个 宽频微波天线上以产生脉冲式的辐射。这一方式已经被现代超宽带系统抛弃，因为用这种 方式产生的脉冲无法精确的控制发射带宽和中心频率。现代超宽带系统一般将一个成形过 的脉冲作用于微波天线上以产生频带位置受限的脉冲。最终的辐射波形是脉冲产生电路、 修肜电路于天线的联合作用，因此要对它们进行联合设计。 跳时超宽带( t h u w b ) 一般适合多用户低速率的应用，并能够提供精确的定位信息； 直扩超宽带( d s u w b ) 一般适合少数用户高速率的应用。目前的研究大多数集中在适合超 宽，特室内信道的跳时码和直扩码的构造上，这两者是脉冲超宽带的主要形式；多频带 o f i ) m ( m b o f d m ) 是一种非脉冲形式的超宽带技术，最早由德州仪器( t i ) 公司提出，目前 也成为超宽带技术研究的一个热点。 对于超宽带接收机的研究较为深入，一般将r a k e 接收机或m m s e 接收机作为接收机 的模型进行研究。因为超宽带系统的捕获与同步时间往往较长，影响系统吞吐量，故在实 刚的接收机设计中，捕获和同步时间性能与系统性能还需要同时考虑。 对于超宽带来说，理想的m a c 层应具有以下功能：q o s 保证、低抖动、固定延迟、 无冲突接入、自组织和中央控制、低系统开销、安全性、多用户支持、可扩展性等。目前 关j 二超宽带的m a c 层设计的文献不多，在许多正在开展的研究计划中，计划考察已有的 m a c 层机制如开槽a l o h a 、c s m a c a 和t d m a 是否适用于超宽带物理层，并考虑开发新 机制的可能性。现有的研究成果一般认为i e e e8 0 2 1 5 3 a 的m a c 层与超宽带的应用方向 基本一致，也可较好的适应超宽带物理层的特性，从尽快商业化上考虑是一种较好的选择。 一股的多址接入技术有f d m a 、t d m a 和c d m a ，依赖于信道脉冲响应的不同，一种称 为e d m a ( e 指e c h o ，即回声) 的技术被提出用于多址接入，随着智能天线的发展，又因为 超宽带技术本身良好的定位潜力，应用时空多址( s d m a ) 技术的设想也被提出。目前各方 在探讨的问题主要有q o s 的保证、如何将传统的m a c 技术应用于超宽带系统、信道捕获 时| 1 l j 对于m a c 设计的影响、如何充分利用超宽带的特性等等。 南京邮电火学硕1 ：研究生学位论文 第三章t h u w b 系统件能分析 1 系统模型 第三章t h u w b 系统性能分析 第一节t h p p m 系统性能分析 一个典型的t h p p mu w b 信号可以表示为： 柏= 悟争嵋掣瓦一虢p 图3 1t h - p p m 系统框图 其中f 表不时l 司，s ( ，) 表示第k 个用户的信号，p ( ，) 表示任意适用于u w b 系统的基 本脉冲波形，能量归一化后有e p 2 ( t ) d t = 1 。 i 两是归一化因子。 m ：t h - u w b 系统中发射1 比特信息所用的脉冲数目，称为重复编码长度。 序列 眵) 表示第七个信源的整数值伪随机跳时序列，元素够的范围满足o c m ， m 为跳数。 t f 表示帧长。在t h - u w b 系统# ，乏表示跳时宽度，满足m t = 弓。我们假设m i = 弓 南, ( d l t d 乜人学硕上研究生学位论文 第三章t h u w b 系统性能分析 是为了准确地比较t h u w b 和d s u w b 的系统性能，这与【3 】、【1 3 中做出的假设不同， 因此分析的过程也不同。 在t h 系统中，比特宽度瓦= m 弓。 巧表示第七个信源的第个二进制信息比特，在t h p p mu w b 系统中，巧 o ，1 ) 。 假设n 个用户在a w g n 信道中异步的发送信息，那么接收信号可表示为： n 。 广( f ) = 4 s 似( 卜) + 胛( f ) k = l 其中s ( ( ，) 可以是t h p p m ，t h b p s k 信号；甩( ，) 是加性高斯白噪声，其双边功率谱 密度为o 2 ； 4 ) 2 。表示不同用户发射信号的信道增益， 气) 2 。表示由于用户异步发射信 号所产生的时延。不失一般性，我们假设q = o 阱1 16 1 。我们进一步假设 竺：在 o ，瓦) 之 阳j j j 艮从均匀分布1 6 1 ，这种假设在d s c d m a 系统分析中已经被广泛的采用。 2 性能分析 对于t h p p m 系统，定义接收模板v ( t ) = p ( f ) 一p ( t 一万) 与脉冲的p ( t ) 的相关函数为： r ( x ) = lp 0 一x ) v ( t ) = r ( x ) 一r ( x 一6 ) m 卜 其中r ( x ) 是u w b 脉冲波形p ( t ) 的自相关函数。 假设s j ( ，) 是所需信号，以”是发射的信息比特。不失一般性，我们设对于所有j ， 都有c ( 1 ) = 0 9 1 ；所有其它m 一1 个信号都是干扰信号。假设接收信号与参考信号精确同步， 那么，单用户相关接收机的判决变量为： 肛n 篇, - i 抑f m 。+ 1 ) t lr ( 批一朋弓渺= s + ，+ 矗 ( 4 ) 其中，z 为高斯随机变量，均