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摘要 分形理论在超宽带通信系统信道估计上的应用 摘要 u w b 是新一代的无线电通信技术，虽然它的历史渊源，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，现代意义上 的超宽带u w b 无线技术，出现于六十年代。与传统通信技术不同的 是，u w b 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒 至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。u w b 无线传输通信系统的 目标是为室内环境提供高速通信主要用于短距离通信，因此其信道探 测环境主要是办公室和家庭居室。室内环境由于存在具有不同时延和 损耗的多径传播，使得发射信道复杂化，同时具有时变的特点，进而 限制无线系统的性能，这对于传统的窄带系统和u w b 系统有一定的 相似之处。但是既是无线通信技术，同时又是应用在室内环境，这就 决定了现有的针对无线技术的一些原则并不使用于l r w b 技术。室内 环境的复杂多变，就要求我们必须找到更加合适的信道估计方法来完 善接收机的性能。 分形理论是在非线性科学中的新兴学科，在近一、二十年得到迅 猛发展，广泛应用在自然科学和社会科学的几乎整个领域，是国内外 研究的热点及前沿课题。自相似性或标度不变性是它描述事物的分形 的重要特征，这与无线传输环境中的非动力学因素不谋而合，一些研 究表明无线信道具有分形特性，电磁波是在分形介质中传播的，有些 研究贝| j 指出，散射体表面的分维特性将被携带到散射信号中去。这一 系列的研究成果为我们指明了一条通过分形理论来研究无线传输环 境的道路。 本文就是在现有的分形理论基础之上，将基于这种分形无线信道 的假设，采用分形模型对分形信道中的信号传播特性进行分析和讨 论，通过使用分形插值算法对u w b 系统的无线传输环境进行信道估 计，即由己知的导频信号通过分形插值算法，计算出当前无线多径信 道传输的特征参数，包括多径衰落和时延，应用于用户数据信息的解 调。最后通过仿真来进一步证实理论和算法的准确。 仿真的结果表明，在多径衰落分形性质的基础上，本文提出的基 于分形插值算法进行信道估计的算法，能有效的估计出衰落信道的参 数，从而改善了信道估计参数的准确性，提高了接收机的误码率的性 摘要 能，对接收机的性能有明显改善。 关键词信道估计跳时分形理论信道模型分数布朗运动 分形插值算法 a b s t r a c t c h a n n e le s t i m a r o nb a s e do nf r a c t a l i n t e r p o l a t i o nf o ru w bs y s t e m a b s t r a c t u w bi st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fn e wg e n e r a t i o n t h o u g hi t sh i s t o r i c a lo r i g i nc a nb et r a c e db a c kt o1 0 0y e a r sa g o t h eu l t r a w i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s st e c h n o l o g yi nt h em o d e mm e a n i n g ，a p p e a r si n 1 9 6 0 s a so n ed i f f e r e n tf o r m f r o mt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y u w bi so n et h a td o e sn o th a v ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， n a m e l yi td o e sn o ta d o p tt h es i g n a lc a r r i e r ，b u tu t i l i z ea n dr e c e i v et h e n o n s i n u s o i d a lw a v en a r r o wp u l s eo fg r a d ef r o ms e c o n dt op i c o s e c o n d t ot r a n s m i tt h e d a t a 勋e g o a l o fu l 馏w i r e l e s s t r a n s m i t t i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st oo f _ f e rh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o nf o ri n d o o r e n v i r o n m e n ta n dc o m m u n i c a t ef o rt h es h o r td i s t a n c em a i n l y b u tt h e w 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 y ，n o wa p p l y t o t h e i n d o o r e n v i r o n m e n ta tt h es a m et i m e ，t h i sh a sd e t e r m i n e dt h a tt h ee x i s t i n g p r i n c i p l e st ow i r e l e s st e c h n o l o g y a r en o ta p p l i c a b l ei nu w b s y s t e m i n d o o re n v i r o n m e n ti sc o m p l i c a t e da n dc h a n g e a b l eq u i c k l y ，t h i sr e q u i r e s u st of i n dm o r es u i t a b l ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sw h i c hs h o u l d p e r f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t l l er e c e i v e r f r a c t a lt h e o r yi san e wd e v e l o p i n gt h e o r yi nn o n l i n e a rs c i e n c e ，a n d g e tq u i c k l yd e v e l o p m e n ti nl a s tt e no rt w e n t yy e a r s ，a p p l yt ot h en e a r l y w h o l ef i e l d so fn a m r a ls c i e n c ea n ds o c i a ls c i e n c ee x t e n s i v e l y i ti sf o c h s s t u d i e db o t ha th o m ea n da b r o a da n df r o n ts u b j e c t s e l f s i n l i l a r i t yi st h e m a i nd e s c r i p t i o no ff r a c t a lt h e o r y t h a tm e a n st h a tt h ed y n a m i c sf a c t o r h a p p e n s t oc o i n c i d ew i t l lw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t s o m e r e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ew i r e l e s sc h a n n e lh a sf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v es p r e a d sw i t hf r a t c a lf a c t o r s ，s o m es t u d yp o i n to u t t h a tt h ef f a c t a lc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h es c a t t e r i n gb o d ys u r f a c eh a sw i l lb e c a r r i e dt ot h es c a t t e r i n gs i g n a l t h er e s u l t so ft h e s er e s e a r c hh a v ep o i n t e d a b s l r a c t o u tf o ru st h a tt h ew i r e l e s st r a n s m i t c h a r a c t e r i s t i c t h i sa r t i c l eb a s e do n t h ee n v i r o n m e n tt h r o u g hf r a c t a l t h e e x i s t i n g f r a c t a lt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n a n da n dt h ea s s u m p t i o nb a s e do nw i r e l e s sc h a n n e lo ft h i sk i n d o fm o d e l ，e s t i m a t et h ec h a n n e lt ot h ew i r e l e s so fl r w l 3s y s t e m n a m e l y t h ef r a c t a lt h e o r yi sa p p l i e dt ot h ed e s e r 叩t i o nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s i no r d e rt oi m p r o v et h ec h a n n e le s t i m a t i o nu s i n gt i m em u l t i p l e x e dp i l o t s y m b o l si nu w bs y s t e m b e c a u s et h ef a s tv a r y i n ge f f e c to fc h a n n e l p a r a m e t e r si n f a s tt e r m i n a lm o v i n gc a s e si sc o n s i d e r e d ，t h ep r o p o s e d m e t h o r dc a ne s t i m a t et h ec h a n n e lp a r a m e t e r sm o r ea c c u r a t e l yt h a nt h a to f t h e e x i s t i n gs c h e m e s t h r o u g hf r a c t a li n t e r p o l a t i o n v a l u e a l g o r i t h m ， c a l c u l a t e do u tp r e s e n tw i r e l e s sc h a n n e l sa n dt r a n s m i t t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ，a p p l yt ot h ed a t ad e m o d u l a t i o no ft h eu s e ri n f o r m a t i o n t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m u s e do nt h ec h a n n e le s t i m a t ea l g o r i t h m s ，t h ep e r f o r m a n c et ot h er e c e i v e r i s o b v i o u s l yi m p r o v e d t h ep a r a m e t e ro ft h ef a d i n gc h a n n e l i nt h e e s t i m a t i o nc a nb ee f f e c t i v e ，t h u st h ea c c u r a c yo fi m p r o v i n gt h ec h a n n e l a n de s t i m a t i n gt h ep a r a m e t e r ，h a v i n gi m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f m i s t a k eo f t h er e c e i v e r t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rh o p et oo f f e ra k i n d o fn e wr e s e a r c hd i r e c t i o na n dt h i n k i n gt ot h ep e o p l es t u d y i n gt h ee x i s t i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，n a m e l ys t u d y t h et r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n to ft h ew i t l e s sc h a n n e lt h r o u g ht h ec h a o st h e o r y ，o ri no t h e r w o r d so f t h ef r a c t a lt h e o r y ，a n da p p l yt op r a c t i c e 脚w o r i l 8c h a n n e le s t i m a t i o n t i m e - h o p p i n g f r a c t a lt h e o r y c h a n n e lm o d e lf r a c t a li n t e r p o l a t i o n f r a c t i o n a lb r o w n i a nm o t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 壑鱼日期：竺! ：! ：! f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 本人签名： 导师签名： 壑堑 缸 日期： ，、；、r 第一章u w b 系统概述 1 1 引言 第一章u w b 系统概述 2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦通信委员会( f c c ) 在会议上通过了决议，将 具有超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，简称u w b ) 技术特性的新产品推向市场，同时 这项决议也表明了超宽带技术的商品化必将为整个无线通信领域带来巨大的变 化。在整个2 0 0 2 年，i t 业界的很多厂商都将目光紧紧地钉在超宽带技术规范的 标准化进程中，因为这位无线技术物理层连接的新秀u w b 的出现会为未来 的无线市场带来巨大的机会，可以说在很大程度上，u w b 的成功与否将会左右 到今后业界的发展方向。虽然u w b 在网络连接速度上面无可挑剔，但与此同时 存在的类似技术也已经大有人在，如何成为一个全球统一的标准，并且怎样和已 有的技术和平共处这些问题随之而来，只有解决好了这些问题，u w b 才能真正 算得上向成功迈出了坚实的一步。 首先我们先一起探讨一下u w b 技术，以及它所特有的一些优点。 1 2 什么是u w b u w b 是新一代的无线电通信技术，其历史渊源，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。现代意义上的超宽带u w b 无线技术，又 称脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 技术。出现于1 9 6 0 年代。与传统通信技术不同 的是，u w b 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级 的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。u w b 是利用纳秒级 窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信，其中心频率 至少达到5 0 0 m h z 。从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带 更宽。窄带是指相对带宽( 信号带宽与中心频率之比) 小于l ，相对带宽在l 到2 5 之间的被称为宽带，相对带宽大于2 5 ，而且中心频率大于5 0 0 m h z 的 被称为超宽带。 对于这种u w b 传输技术，也称脉冲传输技术，通过对非常窄( 往往小于l n s ) 的脉冲信号进行调制获得非常宽的带宽来传输数据。f c c 关于u w b 的定义为 第章u w b 系统概述 盟二塑 2 0 ( 卜1 ) 五 ( 一说2 5 或者总带 5 0 0 m h z ) ，式中厶和五分别为功率较峰值功率下降 1 0 d b 时对应的高端频率和低端频率，而不是通常所定义的3 d b 带宽，z 为载波 频率或中心频率，即垡五 盟。对于宽带和窄带的定义见下面的表1 1 和图1 1 表1 1 宽带和窄带的定义 信号带宽中心频率 窄带1 宽带 l 2 5 超宽带( u w b )2 5 或带宽5 0 0 m b p s f r e q u e n c y h z ) 图1 1 窄带与起宽带 从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发 送射频载波进行信号调制，而u w b 是利用起、落点的时域脉冲( 通常为几十1 1 s ) 直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而 且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于u w b 发射 功率受限，进而限制了其传输距离，据资料表明，u 、v b 信号的有效传输距离在 l o m 以内，故而在民用方面，u 、b 普遍地定位于个人局域网范畴按照f c c 的规 游枣一筮诉毒母q一拳埘ua协im50瓢 第一章u w b 系统概述 定从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的带宽频率都将作为通信设备所使用的 频率范围。但为了确保现在已经使用这一范围的用户不受到干扰，u w b 的发射 功率将会有所限制，其信号发射功率可能会在一4 1 d b m m h z 之上。值得注意的是， 户内信号要比户外信号有更大程度上的衰减。下图即为室内和室外环境下对发射 功率的限制： p c s jo 。一7 ， 4 1 3h r m ，m h 7 7 i 4 5 一- 1 3cb i n m h z l 。 一 料 一一 室自环境 誓9 - 一 h _ _ 一 _- 1 3u w b 的技术特点 图1 2 室内外环境下的发射限制 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此u w b 具有如下传统 通信系统无法比拟的技术特点： ( 1 ) 系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是 连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来 传输信息。而u w b 则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。u w b 发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需 要功用放大器与混频器，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 接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，u w b 系统结构的实现比较简单。 ( 2 ) 高速的数据传输：民用商品中，一般要求u w b 信号的传输范围为1 0 m 以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达5 0 0 m b i t s ，是实现个 人通信和无线局域网的一种理想调制技术。u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速 第一章u w b 系统概述 的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线 技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截 获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。 ( 3 ) 功耗低：u w b 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短， 一般在o 2 0 n s1 5 n s 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高 速通信时系统的耗电量仅为几百u w 几十m w 。民用的u w b 设备功率一般是 传统移动电话所需功率的i 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的1 2 0 左右。军用 的u w b 电台耗电也很低。因此，u w b 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于 传统无线设备有着很大的优越性。 ( 4 ) 安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于u w b 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，u w b 信号相 当于白噪声信号，并且大多数情况下，u w b 信号的功率谱密度低于自然的电子 噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲 参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 ( 5 ) 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或其 持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。 由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号 在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度 应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易 分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信 号多径衰落深达1 0 3 0 d b 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 d b 。 ( 6 ) 定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度。采用超宽带无线电通信 很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极 强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，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，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便 宜。 ( 7 ) 工程简单造价便宜：在工程实现上，u w b 比其它无线技术要简单得多， 可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这 些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。 1 4u w b 与其他短距离无线技术的比较 第一章u w b 系统概述 1 4 1 目前宽带无线技术的发展概述 宽带无线接入技术能通过无线的方式以与有线接入技术相当的数据传输速 率和通信质量接入核心网络，有些宽带无线接入技术还能支持用户终端构成小规 模的a dh o c 网络。因此，宽带无线接入技术在高速i n t e r n e t 接入、信息家电联网、 移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非常广阔的应用空间。 根据目前的技术标准和将来的发展，主流的宽带无线接入技术可以分为： 无线个人域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 技术，如蓝牙技术 ( b l u e t o o t h ) 和i e e e8 0 2 1 5 ： 无线局域网( w i r e l e s sl a n s ，w l a n ) 技术，如i e e e8 0 2 1i b a 和e t s i h i p e r l a n 2 ； 固定宽带无线接入技术( f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，f b w a ) ，如i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w m a n ) 技术。 虽然宽带无线接入技术的标准化历史不长，但发展却非常迅速，在无线通信 领域的地位越来越重要。因此，分析各种宽带无线接入技术的特点、应用前景和 发展趋势具有非常重要的意义。 开发无线局域网的目标是对有线局域网进行无线扩展，通过无线通信的方式 实现有线局域网的功能，并以比有线网络低廉的价格和更加方便、灵活的方式进 行网络安装和维护。目前，全球有三大类型的无线局域网标准，包括：美国i e e e 8 0 2 ，1 1 标准家族；欧洲e t s i b r a n 的h i p e r l a n 标准；还有日本a r i b 开发的 多媒体移动接入通信( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n ，m m a c ) 标准。 与上述三类标准相近的还有美国的h o m e r f 组织开发的共享无线接入协议 ( s h m 、e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，s w a p ) 。在上述标准中，i e e e8 0 2 11 系列 发展最为迅速，得到业界的支持也最为广泛。 与i e e e8 0 2 1 l 相近的其它标准包括：e t s i 的h i p e r l a n 2 ，a r i bm m a c 的h i s w a n 和美国的h o m e r f 。其中，前两者与i e e e8 0 2 1 l a 的物理层技术非 常相近，主要的区别在m a c 层，而h o m e r f 则和i e e e8 0 2 1 l b 工作于相同的 频段，但采用了不同的抗干扰通信机制。 w l a n 最初是作为有线l a n 的无线扩展开发的，可以适用于有线局域网适 用的场合，如高速i n t e r a c t 接入、企业网i n t r a n e t 、校园网等等。随着应用的推动 和w l a n 自身技术的不断发展，已经出现了w l a n 与电信网络融合提供公共 w l a n 服务的趋势。w l a n 技术另一个重要的优势是提供了a dh o c 网络的模式， 在很多没有基础网络设施可用的环境下具有巨大的应用空间。 蓝牙技术的初衷是电缆替代，目前，已经有支持蓝牙技术的移动电话、计算 第一章u w b 系统概述 机外设产品进入市场，其巨大应用空间正在逐步得到开发。虽然其发展速度比蓝 牙s i g 最初设想的要慢，但其巨大的潜力并没有消失，只是在时间上有些推后。 事实上，除了替代电缆连接多种设备外，蓝牙技术的重要优势是同时支持数据和 语音通信，其自动服务发现机制使得在家里、办公室、汽车、机场、体育场等场 合，可以以用户友好的方式在便携和手持个人设备间建立无线a dh o e 连接，实 现包括i n t e r n e t 接入在内的多种应用。蓝牙a dh o c 网络模式可以实现同一区域多 个a dh o c 网络共存，与传统的a dh o c 网络相比具有巨大的优势。这种通过一种 技术就能允许构成随着人们的移动而移动的人域网络，具有巨大的应用前景。 蓝牙技术是由蓝牙s i g 开发的工作于2 4 g h zi s m 频段的通用近距离无线通 信规范，其目的在于使智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字化的 信息设备能不再用电缆，而是用一种小型的、低成本的无线通信技术连接起来， 进而形成w p a n ，实现资源无缝共享。目前，蓝牙s i g 已经发布了蓝牙规范1 1 版。另一方面，i e e e 成立了8 0 2 1 5 标准化工作组开发w p a n 通信标准，下设4 个任务组，分别开展蓝牙p a n 、共存性、高速率和低速率p a n 标准的研究。值 得一提的是，蓝牙s i g 特别注意中国的参与，专门成立了中国工作小组( t f 9 ) ， 并计划在t f 9 的基础上成立中国工作委员会，推动蓝牙技术在中国的发展与应 用。 目前，蓝牙s i g 正在分析来自2 1 1 业界的反馈，针对规范的一些不足( 如： 数据率不高、覆盖范围小、不提供微微网之间的漫游机制、存在安全漏洞等) ， 制订新的支持更高数据率、更加安全、抗干扰性能更好的蓝牙新规范。同时，i e e e 8 0 2 1 5 的其它任务组也在沿着不同应用方向加紧开发相应的w p a n 标准。因此， 未来的蓝牙和相应的w p a n 技术将会以更加灵活的方式在更大的范围内得到应 用。 u w b 很长时间内主要应用于基于雷达的军事应用领域。除了技术上的原因 以外，有两个主要原因限制了u w b 技术的应用，一是由于它最先是用于美国的 军事应用：另一个原因是u w b 技术占用的带宽非常宽，人们担心它会干扰g p s 和蜂窝电话等窄带通信系统。2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦通信委员会f c c 授 权将u w b 用于雷达测距、金属检测和通信，从而为u w b 大规模民用敞开了大 门。在工业界，1 9 9 8 年成立了u w b 工作组( u l t r a w i d e b a n d g r o u p ，u w b w o ) ， 到2 0 0 2 年2 月，已经有包括厂商和大学在内的大约5 4 0 个成员。同时，相关的 标准化工作也已开始，有些公司已经提议i e e e8 0 2 1 5 工作组采纳u w b 技术作为 短距离无线通信技术标准。 第一章u w b 系统概述 1 , 4 2 宽带无线接入技术的几种方案对比 从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输距离只有1 0 m 左右，因此我们只拿 常见的短距离无线技术与u w b 作一对比，从中更能显示出u w b 的杰出的优点。 常见的短距离无线技术由疆e e 8 0 2 1 l a 、蓝牙、h o m e r f 。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 i l a 与u w b i e e e 8 0 2 ，1l a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，物理层速率在5 4 m b p s ， 传输层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可能达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在 1 0 m 左右。在短距离的范围( 如1 0 m 以内) ，m e e 8 0 2 1 1 a 的通信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1 1 a 的几十倍：超过这个 距离范围( 即大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性能就差很多( 目 前从演示的产品来看，u w b 的有效距离已扩展到2 0 m 左右) 。因此从总体来看， 1 0 m 以内，8 0 2 1 l a 无法与u w b 相比：但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 1 a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 l a 的功耗相当大。 ( 2 ) 蓝牙与u 吣 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技 术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 束负责该技术的开发和技术协议 的制定，如今全世界已有1 8 0 0 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它采用2 4 0 h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。从技术参数 上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就 不会再是优势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手，不是 没有道理的。 ( 3 ) h o m e r f 与u w b h o m e r f 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了8 0 2 1l 规范中支持t c p i p 传输的协议；而其语音传输性能则来自d e c t ( 无绳电话) 标准。h o m e r f 定义的工作频段为2 4 g h z ，这是不需许可证的公用无线频段。 h o m e r f 使用了跳频空中接口，每秒跳频5 0 次，即每秒钟信道改换5 0 次。收 发信机最大功率为1 0 0 m w ，有效范围约5 0 m ，其速率为1 m b p s 至2 m b p s 。与 u w b 相比，各有优势：h o m e r f 的传输距离远，但速率太低：u w b 传输距离只 有h o m e r f 的五分之一，但速度却是h o m e r f 的几百倍甚至上千倍。 总而言之i 这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着 相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说”u w b 要取代 第一章u w b 系统概述 某种技术”这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车 一样，各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下： 表1 2 几种方案参数比较 参数 u w b 蓝牙8 0 2 1 l ah o m e r f 速率( b p s ) 最l 苛1 丕1 g l m5 4 ml 一2 m 距离( 米) 1 01 01 0 一1 0 05 0 功率 l m w 以下 1 1 0 0 m w 1 瓦以上1 瓦以下 应用范围近距离多媒体家庭或办公室 电脑和 电脑、电话及移 i n t e r n e t 网关动设备 1 5 论文章节安排 论文的主要内容分为五章： 第一章：绪论。对u w b 进行概述，介绍现有几种宽带无线接入技术的研究 现状和发展趋势，并对整篇论文的结构安排进行介绍。 第二章：系统介绍u w b 系统的组成及技术细节，同时描述u w b 的无线信 道模型。 第三章：详细介绍分形理论的发展及其在通信领域里面的应用，引出分形插 值算法。 第四章：将在本掌中将分形理论及分形插值算法应用与u w b 信道的估计中 来，同时给出仿真结果。 第五章：总结与展望。对论文工作进行了总结，并对未来的研究进行了展望。 第二章u w b 系统工作原理 第二章u w b 系统工作原理 2 1u w b 系统工作机制 2 1 i u w b 的带宽 u w b 不同于以前的窄带技术，在信号的传输过程中通过信号频率或多信号频 率的传输波来进行信号调制。超宽带的传输将会把调制信息过程放在一个非常宽 的频率带上面进行，并且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率 范围。u 铿b 还提供了一些比窄带技术更优越的几个方面，其中最主要的不同在于 通道容量的重新确定。通道容量的大小直接关系到在r f 带中信息传输的快慢， 显然非常重要。通道容量的极限方程式表明增加通道容量同时需要线性增加带 宽。从香农公式中我们就可以知道为什么u w b 技术能够在具有更高数据传输率的 同时，保持很低的能耗。根据s h a n n o n 信道容限公式： c - 胁9 2 ( h 彘) c 2 m 式中b 为信道带宽，n 为高斯白噪声功率谱密度，p 为信号功率。由此式得知， 一是通过增加信号功率p 的方式，增加信道容量；另一种则是通过增大传输带宽 来实现。u w b 技术就是通过后者来获得非常高的传输速率，其原理与c d m a 相 同。另外，采用u w b 技术进行无线传输，具有如下优点：1 ) 低功耗，这是由于 传输带宽很宽，所以即使发射功率很低，也能够做到高速传输；2 ) 保密性好，是 由于能量分布在非常宽的频带上，功率低，使其具有低截获概率；3 ) 抗多径衰落， 因为u w b 通信采用窄脉冲信号，通常多径信号在时间上可分辨，不会出现多径 信号之间相互抵消中的情况，另外还可以采用r a k e 接收等方式合并多个路径信 号，来提高信号输出质量；4 ) 较低的系统复杂性和成本。因为通常采用无载波传 输，u w b 系统几乎可以做成全数字化；5 ) 对现有窄带通信系统有很低的干扰。 不过，u w b 通信系统由于带宽很宽，如果在室外无线环境中传输，信道条件复 杂，另外随着传输距离的增大，就会要求增大发射功率，这样也会对现有通信系 第二章u w b 系统工作原理 统( 包括现有的全球定位系统g p s ) 产生一定的干扰，所以u w b 通信主要用于 室内无线传输。 u w b 之所以拥有如此大的带宽，是因为u w b 是与手机和无线l a n 等现有 无线通信完全不同的方式。现有的无线通信为了划分频带而使用“载波”。载波的 频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而u w b 则不使用载波。它使用“脉冲”信号进行信息传输。所谓脉冲，就是指产生和消失 时间极其短暂的瞬间电流。而u w b 方面，其产生和消失时间仅为数百微秒至数 纳秒以下。l 毫秒是1 1 0 0 0 秒，1 微秒是1 1 0 0 0 毫秒，1 纳秒相当于1 1 0 0 0 微秒。 由于在1 纳秒的时间里光也只能传播约3 0 e m 的距离，可见这种脉冲非常之短。 如果将这种脉冲按频率来分析。则可以将其分解成多种频率的波( 正弦波) 段。 由于是肉眼看不见的电波，因此难以直观地进行把握，但正如可利用棱镜对光进 行分解、得到各种波长的光一样，也可以使用类似的方法进行分析。如果减小脉 冲的长度，那么频带宽度的增加将与时间成反比。在使用脉冲传送信号时，脉冲 长度越小，单位时间内传送的信号就越多。反过来说，带宽越宽就能够传送更多 的脉冲。不仅速度可以提高，而且还能有效地降低耗电量。由于加电时间极其短 暂，因此平均耗电量很低。传统方法单脉冲发生时所产生的u w b 波形图，通过 改变特性脉冲，在频率带中的能耗可能会被重新定义，在定义此频率带中的指定 能量填充时，还应该注意到三个参数。第一个参数是在定义计划带宽中的传输功 率；第二个参数是定义在指定范围内的最大能耗；第三个参数将会定义在此频宽 中心的能耗( 举个例子，如中心频率) 。以脉冲的持续时间，脉冲频率是一个能 够确定中心频率带传输能量的重要参数，同时脉冲的波形也可以确定在一段频率 范围内需要多少能量。在传统的无线电技术架构中，数据能够通过若干次脉冲而 被调制，其中包括振幅、相位等等。单脉冲架构也采用了相关较为简单的无线电 构思方案，不过为了更好的管理一个频宽，在此基础上还稍稍增加了一些灵活性。 举个例，为了更加随意的控制这段频宽，单脉冲技术还加入了如下功能：能够随 时针对不同地区的需要进彳亍自动调整，具备动态检测干扰信号的技术，能够终止 使用产生冲突的频率，能够在指定区域下共享频宽，自动为无需高带宽的设备使 用窄带频宽。 在现有的单脉冲架构上面提升性能是不可能的，如果需要提升性能的话，就 有可那能要完全重新设计，并且还要放弃向后兼容，这当然是不现实的，不过问 题总要有一个解决的办法，于是多段调制方案在英特尔的倡导下产生了。 2 1 ，2u 惦系统常用波形及功率要求 第二章u w b 系统工作原理 目前对u w b 系统的研究中，通常将u w b 系统的发射和接收天线建模为求 导运算操作，把高斯脉冲的一阶导数作为发射信号，二阶导数作为接收信号研究， 许多情况下，系统发射波形也可能是高斯脉冲的更高阶( n 阶) 导数，对应的接 收波形为高斯脉冲的n + 1 阶导数。高斯脉冲的n 阶导数( n = 0 ，1 ，3 ，1 5 ) 所对应的波形如下图所示，还可以通过发射相同脉冲宽度、相同带宽、相互正交、 不同n 值的脉冲波形实现m 元通信( 即m 元脉冲波形调制m p s m ) ，或者将这 些相互正交的脉冲波形分配给不同的用户，实现多用户通信。 吊冈圈田 圈田网田 圈罔田田 圈2 1 高新脉冲和它的前1 5 阶导函数波形 由此可见，在u w b 通信系统中，窄脉冲信号的产生非常关键，一般可以用 光导开关来完成，另外窄脉冲信号的波形对通信系统性能有重要影响，常用的窄 脉冲信号波形有高斯脉冲、一阶高斯微分和二阶高斯微分，其信号波形分别为 嘲= 巧等等e _ 3 z ( ( 2 ：) 舴何竺笋( 争e 书( 串 川) ：e ，、f 鄹8嘲争) 2 ( 孚矿2 【半p ( 2 。) 式中e 为脉冲能量，f 为脉冲宽度，毛为时移量( 这些参数后面会详细介 ， o