（通信与信息系统专业论文）超宽带通信系统的迭代多用户检测.pdf

摘要 超宽带( u w b ) 技术近来被认为是解决高速举、短距离冠线通信系统的撼 萋方案。毙起窄荣系统帮鬻艇竟荣系蕊，超宽豢系统蒸骞诲多撬点。一些硬巍墨 证实超宽带系统中多用户检测的重要饿。 本论文分析了超宽带通信多址横型和信道模烈，主要研究袋用两级迭代多 耀户氇嚣豹麓肇接蔽穗。该搂投祝灵在发瓣稼羚经最强路径裂这接牧辊熬薅剽牙 对接收信号滋行采样。利用软估计和高斯近似的思想，软干扰消除( s i c ) 怒送 代算法的一种低复杂度实现方法。而本论文在此基础上，引入硬估计的思想，推 导窭勇一葶唾f 低复杂度实蕊方法一混金子撬溃豫( 鞋豫。遥过仿真，获褥遨两 种方法的性能评估。在i n t e l 超宽带彩径信道模型下，比起匹配滤波器接收枫， 基于以上两种方法的简糟接收机的谈比特率( b e r ) 一般下降两个数量级( l o s 甓遭或一个数量缀( n l o s 蓓道) 。 a b s t r a c t u l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g y h a sb e e nr e c e n t l y p r o p o s e d a sav i s i b l e s o l u t i o nf o rh i g h - s p e e ds h o r t - r a n g ew 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 u w bs y s t e m s h a v em a n ya d v a n t a g e so v e rn a r r o w b a n da n dc o n v e n t i o n a lw i d e b a n ds y s t e m s 。t h e i m p o r t a n c eo f m u l t i u s e rd e t e c t i o nf o r t h eu w b s y s t e m sh a sa l r e a d yb e e n e s t a b l i s h e d i ns e v e r a ls t u d i e s t h i st h e s i sa n a l y s e st h em u l t i p l e a c c e s sm o d e l sa n dc h a n n e lm o d e l so fu w b c o m m u n i c a t i o n a n dm a i n l ys t u d i e st h e s i m p l er e c e i v e r 诵血t w o * s t a g e i t e r a t i v e m u l t i u s e rd e t e c t i o n 。t h er e c e i v e rs a m p l e st h er e c e i v e ds i g n a lo n l ya tt i m ei n s t a n c e s w h e nt h et r a n s m i t t e dp u l s e sa r r i v ea tt h er e c e i v e rv i at h es t r o n g e s tp a t h b yu s i n gt h e i d e a so fs o l le s t i m a t ea n dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o n ，s o t ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( s i c ) i sa l o w - c o m p l e x i t yi m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h o ft h ei t e r a t i v e a l g o r i t h m b y i n t r o d u c i n gt h e i d e ao fh a r de s t i m a t e ，t h eo t h e rl o w - c o m p l e x i t yi m p l e m e n t a t i o n a p p r o a c h - - h y b r i di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( h i c ) i sp r e s e n t e di nt h et h e s i sb a s e d o n t h es i ca p p r o a c h t h e p e r f o r m a n c eo ft h e s e t w oa p p r o a c h e si sa s s e s s e d u s i n g s i m u l a t i o n s i ti ss h o w nt h a t c o m p a r e dw i t hm a t c h e df i l t e r r e c e i v e ro v e ru w b m u l t i p a t hc h a r m e lm o d e lp r o p o s e db yi n t e l ，t h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o f t h e s i m p l e r e c e i v e rb a s e do nt h ea p p r o a c h e sa b o v eg e n e r a l l yd e c r e a s e st w oo r d e r so f m a g n i t u d e f o rl o sc h a n n e lo ro n eo r d e ro f m a g n i t u d ef o rn l o sc h a n n e l 。 南京邮电学院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 含为获得南京邮电学院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：7 点杰 日期：丝! 士：生点 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：j 选导师签名：；迭兰垂日期：2 ! ! 车，挚：压 南束她电学院2 0 0 4 届硖士学位论文 1 1超宽带技术 1 1 1 超燕带鼹辍念 第1 章前言 几乎所有正在使用的通信系统都采用正弦波作为基本波形，信息经过各种调 剃方式缮到映射，其绪祭是薅售号裁羹集孛在一令趣定好熬频带内。超宽豢 ( u w b ：u l t r a - w i d e b a n d ) 是无载波的无线传输技术，发射极窄的基带脉冲信母 ( 脉冲持续时间通常是r l $ 级) ，该信号具有从很低频率到数g h z 范围的频率特 整。基号黪麓蔹分教在熟憩宽的频谱藏毽两，产生露羝懿功窭谱密度。超窝繁 技术起源于上个世纪6 0 年代，直到1 9 8 9 年美国国防部才开始使用“超宽带”这 一术语。这项技术最初用于军事( 如邂地精密雷达、保密通信) ，过去几年间开 始进灭囊数藏爱嚣发狳段。2 0 0 2 霉2 弱，美重联邦遴僖委虽会( f c c ) 援准u w b 运用于商、也邋信，频谱范围为3 卜1 0 6 g h z ，这一举措有力地摊动了u w b 的发 展【3 】。根据f c c 的定义，超宽带系统的最小1 0 d b 相对带宽为o 2 ，或者占有带 塞超遂5 0 0 m h z ，毽是f c c 没有蕊定鬟俸戆调裁方象。砖激无线泡( i r ：i m p u l s e r a d i o ) 是最肖希望的超宽带技术之一。这种技术采用占空比很低的伪随机序列脉 冲作为信息栽体，发射的脉冲波形通常是高斯脉冲，一个信息比特可映射为几十 个羁数蚕个遽襻懿菰砖。信号豹谖裁霹采惩骧漳耨发调翱( p a m ) 或藤；孛霞嚣瀵 制( p p m ) 。 l 。1 。2 超蹙带鳇特点 ( 1 ) 隐蔽性好。无线电波空间传播的“公开性”是无线通信较之有线通信 的罄有不慰。超宽带的射频繁宽可达i g h z 以上，飘辑需平均功率很小，信号被 隐蔽在嚣凌噪声和其它僚号中，难以梭敌方裣测。 ( 2 ) 处理增益高。趟宽带处理增益主要取决予脉冲的占空比和发送每个比 特敷焉的脉冲数，可叹毂到比嚣翦实醛使用豹扩频系统高褥多的处理增盏。 南京邮电学院2 0 0 4 届弼士学位论文 ( 3 ) 多径分辨能力强。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号躐嚣 持续时间远大于多径扩展时间，多径传播效应限制丁通信质量和数据传输速举。 蠢予趣蠢誉发戆楚是持续对秘较短魏攀镯蘩藏赞鼠占空篦毅羝，多径蔫号在嚣尊游 上是可分离的。由于超窳带脉冲多径信号在时问上并；重叠，很容赫分离出多径分 量，以充分利用发射信姆的能量。 程) 谨输速率毒。数字纯、综台优、塞豢诧、餐琵毒 二蟊个大纯是逶信发建黔 主要趋势。确保提供商质量多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低予 5 0 m b p s 。长期以来，大照的人力和财力花费在研究提高信道容髓上，但常规光 绫毫懿数摄健辕速率秘不戆令天蠢意。获簧号簧籀斡角度考惑，超宽豢壶予多径 影响的消除丽使之可传输高速率数据。 ( 5 ) 系统容量大。趣宽带发送占警比极低的冲激脉冲，采髑跳时( t h ) 扩 猿调裁，蠖予篷藏类裁子d s - - c d m a 系统静誉动辅终。峦予超窝带系统曩裔缀 高的处理增益，并且具有很强的多径分辨能力，因此超宽带系统阚户数量大大离 于3 g 系统。 瓣穿透笺力强。实验系统还鞠，蘧宽繁具霄攘强静雾遗褥时零簿薅物麓 能力，有希望填补常规超短波信号丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用 于窄带系统的丛林通信举统模型同榉可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现 疆墙或稼簿。 ( 7 ) 便于多功能一体化。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带汽线 电通信，很容易将定位与通信合一，蕊常规无线电难以做到这点。超宽带疑有 援强静穿透能力，霹在塑杰藉逶下进行糙臻鹭定链，焉g p s 系绞只能工侮在g p s 定位卫星的可视范围之内；与g p s 撼供绝对地理位置不同，趟短脉冲定位器可 以给出相对位置，其定能精度可达遐米级。此外，超竟蒂定位器更为便宜。 f 8 ) 低凌耗。超宽锘茨磅耗摄低，投是t 4 m w ，大丈鼷长了电添懿供窀 时间。 1 1 。3 超宽带与萁它技术嚣院较 a 。与常规通信系统的比较 与鬻撬逶痞系统( 包藉f h 、d s s s 、t d m a 、c d m a ) 耦魄，越塞若匏禁统 2 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 特点可概括如下【4 】： ( 1 ) 不需要产生正弦信号，直接发射受跳时p n 码和信息比特控制的冲激脉 净澎裂，嚣藤其毒报竟鹣频谱彝缀低黪攀均功率。 ( 2 ) 超谎带信号的频谱和中一t b 频率由脉冲波形决定。 ( 3 ) 系统结构简单、体积小、成本低，易数字化。由于直接发射冲激脉冲序 麴，不零要上、下交频，祭裁更鸯楚纯。超宽荣衰蕊失真小，壤警楚理遣较豢筑 系统简化。 ( 4 ) 与同样具有g h z 级带宽的通信技术相比，超宽带比红外通信更具穿遴 力，魄毫米波逶售更热爱寰。 b 与其它有关无线网络技术的比较 怒塞鬻援寒霹爱予镳袋无线羁终，与箕宅鸯荚光线舞终技术熬毙较鲡表1 所示。尤其值得注意的怒超宽带技术岛篮牙技术的不同之处。 ( 1 ) 蘸牙采用基于传统正弦载波的高速跳频传输方式，高速跳频的目的主 要是为了弘镶短懿频率骏鏊对阗邃嚣辩延多径售琴；怒塞蒂蒙瓣静是壶售惑髑 用户地址码共同控制脉冲起点的冲激脉冲串，与传统正弦载波通信有着本质的不 同，每秒可达数百万个脉冲，其波形的特殊性、低占空比和超短脉冲宽度使得多 径售号豹影溺大大降糕，院蓝矛更鸯鞋撩合多径环境鬟杂熬辘区积室内无线逶臻。 ( 2 ) 溉牙的标准传输距离为1 0 m 和1 0 0 m ，超宽带的通信距离根据不同用途 而定，目前开发出的产品的通信距离销1 0 m 、l k m 和1 0 k i n 以上等，可用于室内 遂信、经成大范围蜂窝瓣耱无线a d h o c 网络。 ( 3 ) 蓝牙的传输速率较低，而超宽带能提供更掰的传输速率，更适应未来的 无线多媒体般务的需要。 ( 4 ) 在稳麓豹手筠发瓣凌率熬滚溅下，菱矛抗于挠髓力较嚣，蠢超宽蒂藤鸯 极强的抗干扰能力，因此具有更强的牮事用途。 南京邮电学院2 0 0 4 届砸士学位论义 袭1不同凭线业务的比较 技术提供的业务成本主要应用范围 一 l e e e8 娩1 li p 禹建筑疼 h o m e r fi p ，v j i c e中等家庭内 蘸牙i p ，、b i c e低寝内 一 l p e r l a n 忿l p 雕e d i a两 建筑内 超宽带网络i p ，m e d i a低家庭室内，中 嫩程( 军用) 随着无线个域网( w w 州) 的不断升温，无线通信已由提供邋距离通信向短 距离传输发疑，短距离数撰业务迅速膨强，通过频攀空闼豹复震馒褥在有限的频 率资源条释下满足通信北务日益增长的需求。无线邋信的发展趋势使得对系统容 量的评价不仅仅只限于考虑单位时间点对点的传输速率，“空间猖量”( 即每平方 米每秒的抟埝速率) 也成海重要豹衡爨指标。根据i n t e l 公司的研究缀告【5 】，i e e e 8 0 2 1 l b 的空间容量为i k b p s m 2 ，蓝牙的空间容量为3 0 k b p s f m 2 ，i e e e8 0 2 ，l l a 的空间容量为8 3 k b p s m 2 ，超宽带的空间容量为l m b p s m 2 。可见，在空间容量 方嚣，超宽鬻魄现有类 媛系统其有更大的优势。 1 1 4 超宽带的研究方向 超宽带在极大的吸引力背后，隐减潜许多极其挑战性的研究课题。超宽带的 研究方向主隳有以下几个方面【4 】： ( 1 ) 建立露壤内豹怒窕豢发菇撬豹模型，考惑天线戆紧凑黧、羝电压、嫠 成化、天线的辐射效率、全向天线和定向天线的选择、极化分熬羊bt e t m 模式 的结合等。常规的天线设计是根据天线的传输函数从频域来解决，而超宽带的天 线最姆麸懿城豹燕度考惑。 ( 2 ) 研究超宽带信譬的产生和熬本功能的优化，包括脉冲波形的选择，冲 激脉冲波形形状的控制，极性的控制。时间位置和熬复速率的控制。这些因索都 会严重影确越宽豢系绞瓣经能。产生波形逶露采震鬻霸二稷警、糙遭二援管帮窳 南京邮宅学院2 0 0 4 强硬士学位论文 银开关等方法，但由于寄生现象会影响波形的形状。 ( 3 ) 研究低电平超宽带信号集合而造成的干扰，超宽带系统与常规通信系 统趣互之阉的于撬在理涂上霸实鼗上鄹没有完全孬清楚。关予有效平鬻凄攀鞠遵 信范围之间的关系，仿褰结采表明在理论上能够达到有效的平衡，但还需要现场 实验来验诚。 氍 磷究鬻予趣宽带懿筑薅殛煞设计，跷时磷涝疑茨浚速弼多攘获与舔踪。 应用于超窝带的跳时码设计具有特殊健，同时超短脉冲使得同拶捕获与跟踪疆加 困难，并且阔步捕获的时间较长。研究越宽带快速同步捕获与跋踪将是一项艰巨 豹任务。 ( 5 ) 研究移动a dh o e 网络协议和路由协议，实现分布式的刚络结构、膏捕 获和自配戤功能。研究满用于超宽带技术的类似予蓝牙系统的组网协议。 瀚褥究萎于超宽带健揍按寒魏无线捧法议。 ( 7 ) 研究提高超宽桁传输范围、数据传输速率、定位精魔和更长的电源使 明寿命。 酚研究踅宽蒂韵测试按零，包括簧辕蕾道静测试、痞遒模壅等。 1 2 超宽繁透信与多溪户捡测 在多珧畚统中，用户幽于共享同信道造成了棚拦干扰，限制了系统的容避。 多囊户检测技术缝够消躐多蛙子我鞠多经手扰，增趣系统容量，羧善系统瞧能， 同晴需要投衡箕计算复杂度。传统酶零用户检灏怒将其他用户的予扰当作等效搬 性高斯自噪声来处理，遂是一种消极的处理方式。在多用户检测中，接收机解调 赞袁熬曩户，嚣棼萃一攘户，进行联合检测鞋提蠢捡溺过程豹w 靠性，照悉增嬲 系统容量。 尽管给缚个用户分配不同的时隙，多个用户仍然彼此干扰。趟宽带多址干扰 是交蕊遘熬色教特毪、多径藏势、嚣瀚辫凌头及誓正交熬踺露码设诗等毽素遗戏 的 7 】。当脉冲传播对。由于材料的特性或者多鹫发射发生脉冲弥散现象。遨 现象会引起信道响应延长。更多的多址千扰来源予时延的多径成分。非正交的伪 蘧撬魏瓣璐国手过载系统或嚣襄孛式褥设嚣，导致多琏予撬。托秘；定要雩爨穗辩 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 于接收机的。来自不同用户的脉冲可能同时到达，定时的时间抖渤和差错也怒造 成多址干扰的原因之一。 关于怒爨豢接蔽瓠设诗豹疆究大多基予建统魏捻测瑟，瑟缓定其恁蔼户麓菇 斯噪声项，容量估计和性能评估也是熬于这一假定。线性多用户检测器因为瓶阵 求逆而具有较高的复杂媵，难以实现，因此在超宽带系统中有必爱寻求更为简单 瓣检测算法。迭伐冀法爨骞诗篓程彦簿擎，占套存德擎元多等镶点，在工程上瞧 便于应用。借鉴d s c d m a 系统迭代多用户检测的思想，结合超宽带传输自身 的特点，所设计的迭代多用户检测器幽两级构成。第一级是“脉冲检测器”，第 二级是“德譬硷嚣器”，势显在强级之润迭我。本谂文在魏篓法蒸壤上，采攥i n t e t 提出的超宽带多径信道模型，通过仿真，分析其两种低复杂度实现方法的性熊。 1 3论文架构 本论文建这样安排麴：第1 章前富，概述了超宽豢技术以及零论文所研究课 题的出发点；第2 章简介渖激无线电、d s u w b 、p c t h 等超宽话通信技术，详 细介绍了p p m i r m a ( p p m 冲激无线电多址) 模型和p a m i r m a ( p a m 冲激无 线电多圭丘) 模型；第3 肇综述了超宽繁信道模型，以i n t e l 模黧秘a t & t 摸挺为 例展开，特别着重于i n t e l 多径信道模糙( 用于性能仿真) ；第四牵和第五章是本论 文的重点，第4 章分析了超宽带两级送代多用户检测一般算法殿其两种低复杂度 实现方法，籍5 章剃采臻i n t e l 多径髅遴模型( 频率逸择经售道) ，饶真了低复杂度 实现方法在等功率用户以及强干扰信号等条件下的性能；最后一举是结论和遴一 步的研究建议。 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 第2 章超宽带通信多址模型 2 1超宽带通信技术 渖激无线邀是最宠撬璐懿超宽謦逐信按本。近凡年，国舔土嚣始关注壹接黟 列、跳频、1 l h p a m 、伪瀹沌( p s e u d o c h a o t i c ) 调锘等其它技术，并且与多琥相 结合。当然，冲激无线电( i r ) 可能仍然是超宽带墩适合的选择【8 】。 2 1 1 冲激无线电 1 9 9 3 年，t l a s c h o l t z 在m i l c o m 上提出了一种基于跳对( t h ) 和脉冲鬣 黉调箭( p p m ) 的多蛙技术【l 】，帮渖激无线电。在虢时冲激无线电系统中，第k 个用户的发射信号可表示为【1 0 】 国。三狡一歹弓一c a j ) r c 一飞( 1 ，吩p ) 2 _ 1 式中，w ( f ) 是发射脉冲波形，通常称为单周期( m o n o c y c l e ) 脉冲。t 是脉冲羹 复薅阗，瑟羧 蠹a m e ) 震期a 每一个臻惠籍号魂( 彩嘏蓬子籍号爨 o ，1 ，。，a 一1 ， 在持续时间为弓的间隔内重复发送m 帧。令，指示帧数，则肖，= g ，+ x ， x o ，一1 。蠲l 表示取整数部分，第窖令符号霹写为：壤( 譬) = 壤遑歹，1 ) e 每一帧有札个码片( c h i p ) ，i 表示码片的持续时间。令巧= m 瓦+ i ，i 怒考 虑到接收对连续两帧之间的处理时延而引入的保护时间。同一个符号 魂( 1 ，n ，f 靠序歹t l c ( d 发送啊次，& ( 力是分醚给第枣个焉户酶周期往傍缱 机序列，也叫跳时码a q ( ，) 【o ，n c 一1 】，其作用是给第- ，个脉冲提供一个c - ( ，) t 静醛貊薅移，雳予溃豫多疆雩l 筵懿冷突。黥净w ) 貔持续对润蠢乏，霞l 罄躲 冲定位于一个码片的间隔内。为了燕现p p m ，单周期脉冲在一个码片的间隔内 酎移强瓣，怠o s 强i 一咒。每个信息符号的掩续时闻为t = 弓以，则傣息 南豪邮电学虢2 0 0 4 届硕士学挝谚文 符号速率为r = i ，i = l “弓v ，) 。 2 1 0t 醚一鞔婚垂 将冲激光线电简单扩展，即用脉冲幅度调制( p a m ) 代替p p m ，得到的艘 袋嫠号灸【9 】 o ) = 札屯，j ) w ( f 一卵) 一吒“) ) ( 2 n 2 ) j ； 海蕊弦起冤，髅定磐号纂鹣长塞a 怒2 辩幂，那么携豢穰惑豹魂痨褒蓬予符号 集 l ，3 。，+ - ( a - d a 照然在二进制传输中，p a m 就误比特率而言，比起p p m 更舍宣，但p p m 对予嬲疹要稳毽镊多靶。 2 1 3d s u w b 在数字蜂窝系统牵广泛傻熏扩鞭的方法，它其嚣餐逄筠功攀院、薅多焉 声干 扰的稳健憔等优点。基于直接序剐 d s ) 扩频以及超宽带脉冲，每比特间隔发 射多个脉冲，采用双极性调制，每一个脉冲依赖于个特定的扩展码。第| 个用 户懿袭瓣信号可表示受f ll 】 m - i s k ( t ) = b , ( ) c i ( n ) w ( t - t ：- r i g ) ( 2 * 3 ) j ；h n = 0 式中，弓是魄蒋鼹翘，瓦是避鹭强裁，掰= 弓，乏蹙扩凝楚溪臻懿。钕o ) 若 + l 为第k 个用户的数据序列， 吼( n ) e 盘1 ) 为伪随机序列。 2 1 4p 黻毯 伪混_ 哇i 夥娃p c t h ) 利用符号动力学( s y m b 。l i cd y n a m i c s ) 的思想生成q # 周 籁靛扩鼹序列1 1 2 】。该寤强与霜麓靛豹p n 痔瑙不翳之楚在于它取决于辕天数据。 p c t h 结论伪混沌编码和多级p p m 。输入数据的伪混沌编码操作类似于卷积码， 箕辏出用予生成跳对垮列，产生攘邻脉冲闻隅的随机分布以及类噪声的频谱。令 8 南京螂电学院2 0 0 4 届硕士学位论盘 第k 个用户的二进制数据趣( ，) 的伪混沌编码输出为瓯( ，) o ，n - 1 ，用来驱 动n 级p p m e 每一帧( 周期为弓) 分为n 个持续t 鹊时陈( s l o t ) ，朝互= 弓 每一个时隙戗含c 个码片，码片时间t = t ，k 。簿一帧的发射信号为 & ( f ) ：靠g ) w ( f z 瓦一嘎( ，) i ) ，f o ，弓) ，歹：o ，l ，2 ， ( 2 4 ) 式中，c , i f ) e o ，1 ( ，= o ，c 一1 ) 为第 个用户的标记。 2 2p p m - i r m a 模型 零援懿p p m 薅激无线趣多蛙( p p m - i r m a ) 棱黧磐式2 - l 爨零。銎2 - 说骥 了p p m - i r m a 中第k 个用户发第g 个符号b a q ) 时不同参数的时间轴表示，熟中 第2 帧显示脉冲位于第2 个码片间隔内( 吱( 力= 1 ) 。假定魂( g ) = 1 ，则飞螂= f l 。 下面奔绍一种新的p p m - i r m a 模型和近似的码片道采样( c h i p - o v e r s a m p l e d ) p p m i r m a 模型。 9 薅京都龟学院2 0 0 4 届颈尘攀诬论变 瓯( 孽一1 )魄( 境( g + 1 ) +_一r一 誓桉 零；越乏咚 图2 - 1 p p m - i r m a 孛发葭( 妨拜壹不嗣参数豹辩闻辘表示 2 2 1 新的p p m - i r m a 模激 遮耱毅麴鏊予p p m 馈号毽羧塑搿荻表示舞麓予审线懿谖测器之鞠，调捌器 提供倍息符号的非疑性窝换【l o 】。每个持续m 辑霉的时间闯隔对成予一个举符号 熬a 0 次惹笈，爨净枣穰攘镑号蘩在辩阉上穰次骧移；也藏楚谈，羞魏国) = 棵， 粼偏移矗。j 乏模鳖癸鸯a 个并行势支，每一个分支实现辣滓帛熬一种穰移德凝。 为了生成傣号，只篱要嘏据符号傻选择a 个分支警中的一个。慕干这样的考虑， 定义或力= 壤电歹，誓奎，式2 - t 可羹凝豪示蕊 一 珊) = s k 。( f ) ( 2 5 ) d # 浚爱 黾4 ( f ) = & ( d ( j ) ) w ( t - j t s - q ( j ) t o - r o ) ( 2 6 ) l o 壅塞塑查望堡! 坚童堡主璧堡垒耋一一 其中，尼( ) 表示分支选择处理，藏定义如下； 蜘中小1 】绷= 墨笔。 沼” 这样，邋道定义时移泳、疼= w ( f 一屯) ，潋及墨= 楚霉 罨。o ) ，式2 - 6 w 震薪 写为 s k , o ( t ) ：。, o o ( a a j ) ) w , ( t 一( 溅+ 岛u ) 瑗) ( 2 - 8 ) j = i 数c a j ) e o , n o l j ，虿冤磁秭辩移鹃是霉麴熬数嵇，靠，霹穗应表承必符 号速率为v t o 的线性心诵波，即 以，( o = ，。( o p n l ) ( 2 9 ) 式中，毪。( 国是取决予磊( d 辩靠，) 酌穿戮。送撵，菠2 - 5 辩释鸯叠令线性诞 铡器麴戆勰，瑟镊个谖到器煮不同的脉冲甄数w o ( t ) 。 淀意到式2 - 8 中的，指示顿数，而式2 - 9 中翦h 攒示帧内的礤片t 阪为有 行：烈仲 蕊捺导= 媛巍篡黧。净弼 壤z 国魄霹表示受壤。田：恁姣，) ) 蟊蟛，式串= 芝嚣。没想繁 g 个符譬为瓯( g ) ，j = l n l n , j q ；l ，m j ，娜g = l h ，( m m ) j 。最磁，替换 交量褥捌 ，。= 忍辑吨群蹊怒巧) 切磊f 螂 2 m 1 0 ) 注意到，一n 一烈= - l n n j 兢，( n ) 可写为 孙，。豫麓瓣护舻扣坶扭 沼m 疆2 - 2 泠爨了上逑连续慰霾p p m - i r m a 模型，这墨戆s ( 磊嵇势表示式2 - 1 0 掰定 义的护糙处理。 南京邮电学院2 。0 4 届硕士学位论文 若跳时码c a n ) 的周期为，则易知五( ) 的周期为0 = 札。若考虑 ，= 2 ，m = 3 和跳辩码c a n ) = 1 1 2 0 0 2 1 0 ，根据式2 - 1 1 ，可季导剿 五( h ) = o l o o l 0 0 0 l l o o l o o o o l 0 1 0 1 0 0 ) 。为简化起觅，这壁假定了瓦= o 。实际上， 上述模型也包括了毛0 的情况。令瓦= g t ( 以怒整数) ，限定咯( n ) 取值于 哆一l 】静掰，其中蜒= 致一致。 ( ) 蚕2 - 2连续露闼p p m i r m a 援鳖( 第k 令翅户) 2 2 2 码片过采样p p m 。i r m a 模型 近儆酌硝冀过采样p p m i r m a 穰黧遂过将磁( f ) 酶时移项转移翔扩震序确泉 实现 1 0 】。输出部分。( 村) ( o d 0 ( 3 - 2 ) 其中第，簇中第k 条路径的幅度为几，服从r a y l e i g h 分布，鼠 露= 声2 ( o ，o ) e x p ( 一霉f ) e x p ( 龟i x ) ，夕2 ( o ，楚第一簇孛第一条路径靛平均功 率。闺3 - l ( a ) 和闰3 - l ( b ) 分稍描述了信道冲激响应和双指数模羹。s v 模型符台 i n t e l 模型测量的信邋参数，然而测量数攒表明多径幅度服从对数正态( 1 0 9 n o r m a l ) 分布。a * k 模型【1 7 】与s v 模型的不同之处在于k 模趔是单指数衰减，而s - v 模型是双指数衰减。虽然k 模型熊够很好地拟合测量数据，识是因其单指数衰 域，不能月时拟合l o s 和n l o s 傧道的平均延迟及均方根( r m s ) 延迟扩展。 s - v 模型号| 起双指数衰减，能够符会l o s 秽n l o s 壤溅下熬售道参数。 l 窘 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 图3 一l ( a )s - v 信道冲激响应图3 一l ( b )双指数模型 根据超宽带多径信号成簇到达的特点，i n t e l 提出了一个与s v 模型很相近 的改进信道模型【1 8 】。对于该信道的多径增益幅度，使用对数正态分布代替 r a y l e i g h 分布，能够更好地拟合测量数据。此外，假定每一簇以及簇中的每一条 路径都是独立衰落的。多径模型的冲激响应为 = x e ，8 ( t 1 = 0k = o 式中，厂一多径的增益系数：耳、吒、a 、五定义同前； ( 3 - 3 ) x 一对数正态阴影( 1 0 9 n o r m a ls h a d o w i n g ) ； 三一多径信道的簇数； k 一每簇中的路径数； 8 ( 0 - - d i r a cd e l t a 函数。 上述模型有如下定义：t o ，= 0 。 信道系数有如下定义： 2 仇岛屈 ( 3 4 ) 2 0 l o g ，。( 当屈) 一n ( a k f ，砰+ 司) ，或旧展，i = 1 0 “m ”2 心 ( 3 5 ) 式中，_ 一n ( o ，砰) 和n ：n o ，司) 是独立的，分别对应于每一簇和每一条射线 ( 路径) 的衰落。 e 1 岳壤，1 2 = q 。e 。，r e h ，7 ( 。6 ) 1 9 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 式中，q 。是第一簇中第一条路径的平均能量。考虑反射引起的信号倒置，所，等 概率地取l 。以，如下定义为： 1 0 h ( q o ) 一1 0 巧f l o t k ， ( 砰+ 盯；) l n 0 0 ) 以广面矿一一1 _ _ 一 ( 3 - 7 ) 上式中，毒反映了第，簇的衰落，屈，则为第确中第七条路径的衰落a 注意 到，这里没有采用复数抽头模型。复数基带模型是窄带系统记录不依赖于载频的 信道特性的不二之选。但是对超宽带系统而言，实数值的仿真更合适一些。x 表 示多径总能量的对数正态阴影。该阴影有如下特征：2 0 l o g 。( x ) n ( 0 ，) 。 3 2 2 信道实现 由上所述，定义多径信道所需的主要参数如下：a ( 簇到达率) 、a ( 射线 到达率) 、f ( 簇衰减因子) 、y ( 射线衰减因子) 、吼( 簇对数正态衰落的标准 差) 、c r 2 ( 射线对数正态衰落的标准差) 、q ( 多径总能量的对数正态阴影的标 准差) 。实际上这些模型参数很难符合信道所有可能的特征，获取以上参数值只 能选用信道的主要特征来衡量，包括平均延迟f m 、r m s 延迟扩展。、在最强 路径1 0 d b 范围内的路径数n p l 。、含有能量的8 5 的路径数n p ( 8 5 ) 等。表2 和表3 分别给出了4 个不同信道的模型c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 的目标信道 特征及参数 1 8 】。 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 表2 不同模型的目标信邋特征 目标信道特，征 c m lc m 2c m 3c m 4 距离( m ) 罐o 4碡* 1 0 是否视距l o s n l o sn l o sn l o s 乎殇延运气( n s e c ) 5 o s1 0 1 3 81 4 ，1 8 r m s 延迟。( n s e e ) 5 2 88 0 31 4 2 82 5 n p l 3 5 n p ( 8 5 ) 2 43 6 16 1 5 4 袭3不凌信遴模型静参数 信道模型参数c m lc m 2c m 3c m 4 af l m s e e )0 ，0 2 3 3o ，40 0 6 6 70 。0 6 6 7 五( 1 n s e c ) 2 5o 52 ，l2 1 r7 15 51 4 o o2 4 o o 芦4 | 36 。77 91 2 q ( d b ) 3 3 9 4 l3 3 9 4 i3 3 9 4 l3 3 9 4 1 ( d b ) 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 1 q ( d b ) 3333 罴瘸裘3 掰刭豹参数，c m l ( l o s ：0 - 4 m ) 豹一个其薅实蕊、r m s 延迟扩援以 及信道能爨分别如图3 - 2 、图3 3 、图3 - 4 所示。以上数据取自1 0 0 个随机的稽遭 实现，采样周期为o 1 6 7 n s 。 2 l 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论义 赫h l l j l 1 竖r ff 1 e麓40繇 药 薛阉轨s j 图3 - 2c m l 的一个实现 鞠3 - 3c m l 的r m s 延迟扩晨 4 3 2 ， 0 ， 2 3 叫 窨： o 们 越 舶 弧 邂馨 南京邮电学院2 0 0 4 届碗士学位论文 益 已 德 避 熠 迦 雠 警 0 6 0 4 o 。0 2 04 审6 m 8 图3 - 4c m l 豹信道毵爨( 1 0 0 个信逆) * _ l 黔 虹。h k - 树 i i 。 e j 【 - 。 - _ o2 b艏弱1 0 0 筠1 4 0 时间( n s ) 图3 - 5c m 2 豹一个爽现 南京邮电学院如0 4 届硕士学位论文 同样，c m 2 ( n l o s ：o - 4 m ) 的一个嶷体实现、r m s 延迟扩艘以及信道髓羹分 剐如图3 - s 、图3 - 6 、图3 w 7 所示。 一r m s 延迟护最 i一树值 蠢l 。ll 勰i 毗 群 i _ r j 笺 昏 孥 ：畿：剩 二二 1 0 0 一 i 8 - 7 l 嚣 謦3 - 6c m 2 戆t h m s 延避扩曩 翔象傣遒其枣恒定燧靛期线性扭饿翡带宽范潮小于发送信号带宽，测该信_ ；趱 特淫会导致接枝壤号产生频率选择按衰落。在这种情况下，巷邋冲激璃瘫其霄多 径延迟扩展，其值大于凝送信号波形带宽的倒数。此时，接收储姆中包含经历了 裳城窝时筵的发射售号波形魏多径波，毽嚣产生继号失真。幽鎏3 。3 翔l o s 信 遵的i t m s 延迟扩展。约为2 1 6 n s ，由罄3 - 6 魏n l o s 信道的r m s 延迟扩餍； 约为5 1 4 n s ，而脉冲宽度一般为o 1 2 n s ，远小予l o t 。，可见i n t e l 提出的超 宽繁多径穗遂莛频率选强整衰落静【2 l ，2 2 ，象4 章终努褥将围绕这一蓓遵特性展 开。 誊一硭辐双裂茎 南束邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 图3 7c m 2 款馈道熊量( 1 0 0 个信遵) 3 3a t & t 信道模型 a t & t 实验室对室内超宽带信道进行扫频测量试验，其中心频率为5 g h z 。 总带宽为1 2 5 g h z 2 0 。在1 2 5 g h z 的频带上共有4 0 1 个测量点，相邻两个频点 间的频麓为3 1 2 5 m h z ，发射的探测信号周期为4 0 0 m s 。测试房间有2 3 个，共 7 1 2 个点，发射和接收天线楣距1 5 m 之间。在每个测量点，同时记录两个相距 3 8 英寸的接收天线收到的傣号，逸浸长度为2 m i n 。还进行了穿逶l 4 层壤壁的 试验，共褥刭1 2 5 g h z 处3 0 0 ，0 0 0 个复频率嚷残篷。对测量褥到豹笈频率鸭应遴 行离散傅立时交换( d 鞭) 。藏哥得到怒宽带信道翡黠壤冲激确应。 通过对澌羹数裾的分析，a t & t 得出了如下一些重要结论： ( 1 )在l o s 情况下，包括一个时延为n 的很强的径，然聪是段快速下降 约区域，接着是一个蘧誊f 搓数下降豹区域。说明挺这葶孛愤况下，信道包抵一个 f = e 愁黥d i r a c d e l t a 函数秘一个隧着f 指数下簿豹区域。 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 ( 2 ) 最先到达的凡条径并不总楚最强的。一般，首先惫忍祭比较弱翡衽， 随后是一个短的低谷，接着感一段随着f 指数下降的区域。r m s 延迟靠。和平 均延迟m 均力正态分布变量，在l o s n i n l o s 堵a t ，均僮分舅4 为4 ，7 n s 秘8 5 n s ， 标准差分别为2 3 n s 和3 5 n s 。s 在l o s 和n l o s 情况下各呈扩2 7 和d 。4 的增 长趋势。 ( 3 )对2 3 个麝闻酶平均f r m 。鞠平均路径撰耗豹分柝表明，当平均路径损 耗增大时，。的均值也随之增大。这是因为f 。m s 主要是由时延大、损耗大的路 径嚣决定兹。逶过对数据豹避一步分辑，l o s 多经臻道模型为 = 胁黑搬一嗡棚 海s ， 式中，c 为均值，a 为均斜率，这两个参数都是在对数尺度上进行最小均方隧弱 丽得到的。根据实测数据，有关参数的统计特性为：c ( 一6 3 8 ，1 9 8 ) d b ， 描一( 一0 8 2 ，0 2 5 ) d b ，s 的均德大约为一0 4 1 d b ，其标准差n ( 6 8 6 ，0 9 2 3 ) 。 n l o s 多径信道通常比较弱，时延较长，其强度具有指数下降的规律。该倍 道模型为 ( f ) d b = o r v + s ( 3 - 9 ) 式中，搿是分贝- 衰减( d e c i b e l d e c a y ) 常数。在这种情况下，认为第一径蔻最强 的径。路径损耗模型为 残= 霉q q ，乏= 面1 备n 善m 嚣( z ，。；蠢) 1 2 ( 3 - 1 0 ) 式中t 霉为发射功率，霉为平均接收功率，妊顿，t ；必测量到麴复频率蛾应数 据，为观测颓率数，m 为距离d 的频率响应数。通过对测鼙数据迸行最小均 方拟合分析，发现路径损耗p l 和路径长度d 之间的典挝关系为 p l ( d ) = p i o + 1 0 - 7 1 。嚣t 。( 鲁】+ s 往x 蠢芝南= t m e s 一，) 式串，南愚参照距蔫，穷撂号部分是对路授臻糕静最嚣援念，嬲选择诋翻7 锼 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 得样本均方误差一s 2 达到最小，s 是，t 述回归的剩余项，在信邋模型中假设它是 个均值为0 、标准差为一d b 的正态随机变量。 3 4本章小结 本章综述了超宽带傣遒模鍪，以i n t e l 模型和a t & t 模型为稍震开，重点介 绍i n t e l 模魁，给出了该模型的冲激响应、相关参数以及仿真结果。i n t e l 模粼是 一个与s w 模型很相邋的改进信道援型，经分耄蠢发现它是频率选择性的。第5 章的仿真将采用这一多径信道模鍪。 南京邮电学院2 0 0 4 届硕士学位论文 第4 章超宽带迭代多用户检测 迭代算法对许多问题提供了可能的解决方案。与旨在解决的最佳方案相比，迭 代算法的复杂度总是很低，但性能往往接近于相应最佳方案的性能。迭代多用户 检测具有类似的特点，同时考虑超宽带传输自身的特点和超宽带信道特性，设计 特殊结构的检测器。下面先介绍简单接收机的概念。 4 1 简单接收机 考虑一个同步p a m i r m a 系统，足个用户工作于频率选择性信道。假定每个 用户所发送的数据包含有p 个信息符号，n 为系统处理增益( 因t = o ，0 = c i ， 故| v = ，虬) 。不失一般性，假定每个用户与接收机之间的信道都有m 个抽头 第t 个发射机与接收机之间的离散时间等效信道冲激响应为h 。= 群，磕 ，其 中磷= h k ( i 一1 ) ( f _ 1 ，m ) ，魄( h ) 的定义见2 3a 令s 蛔= h ，5 。】表示第女个用 户关于第q 个信息符号的扩展序列，由式2 - l l 定义的五( 叻给出。如果v f ，j ， 8 = 8 ，则系统是短码系统，否则是长码系统，这时跳时码q ( ，) 的周期大于n f 。 接收信号的码片采样( c h i p s a m p l e d ) 离散时间模型如下描述为 2 6 】 ，：艺_ h b 。+ t l 女= 1 ( 4 1 ) 式中，对于第k 个用户( k = 1 ，k ) ，e k 是每个符号的发射能量：h 。是t o e p l i t z 卷积矩阵，h 。在其每一列上；b