（信号与信息处理专业论文）基于mbofdm超宽带传输关键技术的研究.pdf

南京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 超宽带( u w b ) 无线通信以其高速率、高性能、低功耗、低成本等诸多优势，已成 为短距离无线通信的新亮点，是无线个域网( w p a n ) 的首选方案。u w b 技术解决了困 扰人们多年有关传输方面的重大难题，开发了一个具有干兆赫兹和高空间容量的新型无 线信道，尤其适用于室内密集多径等高速无线数据传输场合。有关u w b 技术的研究是 当前、乃至未来十年无线通信领域研究的热点课题。本文主要研究基于多带正交频分复 用( m b 0 f d m ) 超宽带传输关键技术。 论文从u w b 特点出发，深入分析了u w b 的应用潜力、国内外发展现状及其关键技 术，讨论了几种常见的u w b 信道模型，选用了修正的s v 信道模型作为评价物理层技 术性能的信道仿真模型，详细给出了修正的s - v 信道模型仿真参数选取过程与仿真步骤。 根据超宽带通信系统存在严重窄带干扰和m b o f d m 信号高峰均功率比的问题，结 合我国频谱资源分配现状和硬件可实现条件，论文提出了一种基于正交扩展与交织的 m b o f d m 超宽带( m b o f d m u w b ) 通信系统设计方案，包括信道划分方案、信号发 送形式、数据包结构、收发机实现框架等系统设计参数。该方案将子载波传输的编码比 特流扩展到相应子带的所有子载波上，然后再将扩展后的比特流在所有子带间进行交织。 一方面充分利用了系统子载波和子带间的频率分集性，增强了m b o f d m u w b 系统抗 窄带干扰的能力；另一方面，通过对传输数据进行正交扩展与交织，使得进入多载波调 制的数据趋于高斯分布，减小了传输数据自相关函数的旁瓣峰值，降低了o f d m u w b 信号的峰均功率比，同时还改善了信号的频谱结构。由于采用正交矩阵进行扩展，扩展 前后的数据传输速率保持不变。 在正交扩展与交织的基础上，论文又进一步提出了基于扩展与跳频的二级调制多址 接入技术。该技术将多载波码分多址和跳频多址相结合，构成一种新颖的多址接入技术 一正交频分多址( o f d m a ) ，实现多载波码分多址技术和跳频多址技术的优势互补。 理论分析和仿真结果表明，基于这种结构的超宽带通信系统在系统容量、误比特率 性能、抗干扰、信号峰均功率比等方面具有诸多优势。与常规基于m b o f d m 的u w b 系统相比，该系统通过正交扩展与交织可以能降低系统误比特率l 2 个数量级，改善信 号峰均功率比2 5d b ；基于扩展与跳频的o f d m a 多址技术方案在系统误比特率性能 上优于常规时频码方案4d b 左右。 南京邮电大学博士学位论文 a bs t r a c t u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) c o m m u n i c a t i o ni st h en e wb r i l l i a n c yi nt h es h o r t - r a n gw i r e l e s sa n d h a sb e c o m et h ep r i o rc a n d i d a t ef o rw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) d u et oi t sh i g hb i t r a t e ，g o o dp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n ds m a l lp o w e rc o n s u m p t i o n u w bo p e n su pt h en e w r a d i o c h a n n e lw i t ht h o u s a n d sm e g a h e r t za n dh i g hs p a c i a lc a p a c i t y i ts o l v e st h ei m p o r t a n tp r o b l e mi n t r a n s m i s s i o nt h a th a sp u z z l e du sf o rm a n yy e a r s u w bi sv e r ys u i t a b l ef o rh i g hd a t a t r a n s m i s s i o ni nd e n s em u l t i p a t hi n d o o re n v i r o n m e n t s t h et e c h n o l o g yo fu w bi sac u r r e n th o t r e s e a r c ht o p i co fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，p e r h a p ss od oi nt e ny e a r s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e d t h e k e yt e c h n o l o g y o fu w bs y s t e mb a s e dm u l t i - b a n do 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 i n g ( m b o f d m ) i ta n a l y z e dt h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa n dc u r r e n td e v e l o p m e n t sa sw e l la st h ek e yt e c h n o l o g y , d i s c u s s e dt h eu w bc h a n n e lm o d e l s t h em o d i f i e ds a l e h - v a l e n u e l a ( s v ) m o d e lw a sc h o s e n a n du s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fp h y s i c a l ( p h y ) l a y e r t h ef u n d a m e n t a lp a r a m e t e r so f t h em o d i f i e ds vc h a n n e lm o d e lw e r ec o n s t r u e di nd e t a i la n dt h es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ea n dm b - o f d ms i g n a l ，a n m b - o f d mu w b ( m b - o f d m u w b ) s y s t e mw a sp r o p o s e dt h a ti sb a s e do no r t h o g o n a l s p r e a d i n ga n di n t e r l e a v i n g i tt a k e dt h er u n n i n gs p e c t r u mo fc h i n aa n dt h eh a r d w a r ea tp r e s e n t i n t oa c c o u n t t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yr a n g e ，t r a n s m i t t e ds i g n a l s ，p a c k e tf o r m a t ，s y s t e m s t r u c t u r ew e r ed e s c r i b e da n dm o d e l e d i nt h es y s t e m ，b i ts t r e a m sa r c s p r e a do v e ra l l s u b - c a r r i e r sb yo r t h o g o n a lt r a n s f o r mm a t r i xa n di n t e r l e a v e da c r o s sa l ls u b b a n d s t h i sw o u l d m a k et h ef u l lu s eo ff r e q u e n c yd i v e r s i t ya c r o s st h es u b c a r r i e r sa n ds u b b a n d s ，a n de n h a n c et h e r o b u s t n e s st on a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e i te n a b l e st h ed a t at e n dt o w a r dt h eg a u s s i a n d i s t r i b u t i o n sa n dr e d u c e st h ep e a k si nt h es i d e l o b eo ft h ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n t h e r e f o r e ，i t d e c r e a s e st h ep r o b a b i l i t yo ft h eh i g hp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) i ta l s oi m p r o v e st h e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) o ft h em b o f d ms i g n a l d u et oo r t h o g o n a lt r a n s f o r m ，t h er a t e o ft h es p r e a ds i g n a li st h es a m ea st h a to fb e f o r es p r e a d i n g g r o u n do nc h a r a c t e r i s t i c so fm b - o f d m - u w bs y s t e ms t r u c t u r e ，am u l t i p l ea c c e s sb a s e do n s p r e a d i n ga n df r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) w a sp r o p o s e d i tc o m b i n e sm u l t i - c a r r i e rc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( m c - c d m a ) w i t hf r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ( f h m a ) a n df o r m sa i i 南京邮电大学博士学位论文a b s t r a c t n o v e lo 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 ea c c e s s ( o f d m a ) ，a n dt a k e sf u l lt h ea d v a n t a g e s o fm c c d m aa n df h m a t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm b o f d m u w b s y s t e mh a sm a m y a d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lm b o f d mu w bs y s t e mi nt h e c a p a c i t y , b i te r r o rr a t e ， a n t i - i n t e r f e r e n c e ，p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o t h es p r e a d i n ga n di n t e r l e a v i n gc o u l di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e1 - - 2e x p o n e n t i a lq u a n t i t yi nb i te r r o rr a t e ，r e d u c et h ep a p r2 5d b t h e o f d m ah a st h ea d v a n t a g e so v e rt i m ef r e q u e n c yc o d em u l t i p l ea c c e s sa b o u t4d bi nb i te r r o r r a t ep e r f o r m a n c e 南京邮电大学博七学位论文缩略词语注释表 a dh o c m a i u 、v b k 潮g n c d m a c n n c r l c u w b a n a l o g - t o - - d i g i t a l 缩略词语注释表 a n t i i n t e r f e r e n c em b o f d m u w b a d d i t i v ef 场i t eg a u s s i a nn o i s e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a b l en e w sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y c o n v e n t i o n a lm b - o f d m u w b 模数( 变换) 自组织( 网络) 抗干扰 抗干扰多带超宽带 加性高斯白噪声 码分多址 ( 美国) 有线新闻网 日本通信研究室 常规超宽带( 系统) c v s d c o n t i n u o u s l yv a r i a b l es l o p ed e l t a - m o d u l a t i o n连续变化斜率增量调制 d a d i g i t a l t o a n a l o g数模( 变换) d c td i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m离散余弦变换 d s - c d m ad i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s直接序列码分多址 d s s sd i r e c ts e q u e n c e - s p r e a ds p e c t r u m 直接序列扩频 d s - u w bd i r e c ts e q u e n c eu l t r a - w i d e b a n d 直接序列调制超宽带 a 2 e e v e r y b o d ya n de v e r y t h i n ga ta n yp l a c ea n d a n yt i m e实现随时随地 f c cf e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ( 美国) 联邦通信委员会 f c s f r a m ec h e c ks e q u e n c e 帧校验序列 f d m a f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s 频分多址 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o m快速傅立叶变换 f h f r e q u e n c yh o p p i n g 跳频 f h m a f r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s跳频多址 f i rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e有限冲激响应 g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 h c s h e a dc h e c ks e q u e n c e 头校验序列 i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶反变换 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 v 南京邮电大学博- t 学位论文缩略词语注释表 l p i d l o s m a c m a v m b o a m b o f d m m c c d m a n d s n l o s n b o f d m o f d m a p a p r p c t h p d a p h y p d f p s d p s q p s k r f r n s s i r s n r s p t d m a t f t h m a 1 r i l o wp r o b a b i l i t yi n t e r c e p t d e t e c t i o n l i n e - o f - s i g h t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m i c r o a e r o v c r t i e a l m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e m u l t i - b a n d o r t h o g o n a lf 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 i n g m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s n o n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m n o n e - - l i n e - - o f - s i g h t n a r r o wb a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p s e u d oc h a o t i ct i m eh o p p i n g p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t p h y s i c a ll a y e r p o w e rd e l a yp r o f i l e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y p a r a l l e l t o s e f i a l q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a d i of r e q u e n c y r e s i d u en u m b e rs y s t e m s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s e r i a l t o p a r a l l e l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ef r e q u e n c y t i m eh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s t e x a si n s t r u m e n t v i i i 低截获( 检测) 视距 媒体接入控制 微型飞机 多频带o f d m 联盟 多带正交频分复用 多载波码分多址 非线性动态系统 非视距 窄带 正交频分复用 正交频分多址 峰均功率比 伪混沌跳时( 码) 掌上电脑 物理层 功率时延分布 功率谱密度 并串( 变换) 四相移相键控 射频 余数域 信干比 信噪比 串并( 变换) 时分多址 时频( 码) 跳时多址 德州仪器 南京邮电大学博士学位论文 缩略词语注释表 t h s s 、肌a n 憎a n u w b t i m eh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m w i r e l e s sl c o a la r e an e t w o r k w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k u l t r a - w i d e b a n d 跳时扩频 无线局域网 无线个域网 超宽带 南京邮电大学学位论文独创性声明 本文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发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得南京邮 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。 研究生签名：! 坠丝 日期：三! ! ：丝：7 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挡，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。本人电子文挡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：! 丛丛 导师签名三整望互日期： 丝丝：垒：7 南京邮电大学 博士学位论文摘要 学科、专业： 研究方向： 作者： 指导教师： 信号与信息处理 通信信号处理 张士兵 张力军教授 题目：基于m b o f d m 超宽带传输关键技术的研究 英文题目：o nt h ek e yt e c h n o l o g yo fm b o f d m i ，t ra w i d e b a n ds y s t e m 主题词：无线通信；超宽带；系统设计；抗干扰；峰均功率l k ； 多址接入；扩展；交织 k e w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ；u l t r a w i d e b a n d ；s y s t e md e s i g n ； a n t i i n t e r f e r e n c e ；p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ； m u l t i p l ea c c e s s ；s p r e a d i n g ；i n t e r l e a v i n g 南京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e r n e t 、多媒体和无线通信技术的发展，1 0 1 0 0m 的短距离无线数据业务呈 现出巨大的发展潜力，特别是便携式电子设备与i n t e r n e t 之间的短距离无线通信数据业务 迅速膨胀。这种短距离无线数据传输得到了市场的认可，当仁不让地成为个人通信技术 发展的必然趋势。实现无线个域网( w p a n ) 的主要技术有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外线 ( i r d a ) 、h o m er f 等。现有的这些无线技术不是速率低就是成本高或者功耗大，无法 满足这些日益增长的短距离数据业务的需求。而超宽带( u w b ) 无线通信以它高速率、 高性能、低功耗、低成本的优点成为未来最富有竞争力的技术之一。 u w b 无线通信技术与传统的无线通信技术有着本质的不同，它不是去寻找可能存在 的新频谱资源，而是利用频谱重叠技术去充分分享目前正在使用的频谱资源。其特点是 高速率、高性能、低功耗、低成本、易数字化，很容易实现1 0 0m b p s 以上的高速宽带 无线通信【l 吲，轻松实现无线局域网( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) 中无线接口的互 联与接入。u w b 技术解决了困扰人们多年有关传输方面的重大难题，开发了一个具有千 兆赫兹和高空间容量的新型无线信道，尤其适用于室内密集多径等高速无线数据传输场 合。国际上已掀起了u w b 技术的研发热潮，众多研究机构将u w b 及其有关技术列为重 点科研攻关项目。业界认为，u w b 将是未来五年内全球最热门的通信技术之。2 0 0 5 年初，美国有线新闻网( c n n ) 公布了2 0 0 4 年最有影响的十大热门技术，u w b 荣登榜 首。 u w b 技术之所以成为无线通信领域关注的热点之一，是由用户需求和u w b 技术的 性能特点共同决定的。对于未来的理想通信系统，需要解决远距离、大容量、高速率、 多用户这四个方面的需求。现代无线通信的发展趋势是，一方面以牺牲通信距离为代价， 最大限度地改善其它三个方面的性能；另一方面通过网络覆盖来满足对通信距离的要求。 当前国际电信市场的一些变化也为研究、开发民用u w b 通信技术提供了巨大的动力。 这些变化主要体现在：( 1 ) 无线便携式设备的普及和与之相对应的大容量、大带宽、低 功耗、低成本的要求。( 2 ) 频谱资源有限，频段划分愈来愈拥挤，开发新的可用频谱资 源越来越困难。( 3 ) i n t e m e t 的高速普及与多媒体技术的飞速发展带动了公司、家庭以及 公共场所高速无线接入业务需求的迅速增长。( 4 ) 适合于高速信号处理的半导体器件成 l 南京邮电大学博士学位论文 一 第一章 者论 本和功耗的迅速下降。 u w b 自问世以来一直被看作是蓝牙技术的替代品，它可以让p c 、消费类电子产品 以及移动手机之间通过无线互连，传输速率高达4 8 0m b p s ，甚至高达几g b p s ，且能传 输1 0m 以上。与其他无线技术，如w l a n 、蓝牙等相比，u w b 具有一定的“相容 性和高速率、高性能、低成本、低功耗等优点，使得u w b 比较适合家庭无线消费市场 的需求。例如取代u s b 作为外设的接口，把d v d 机播放的视频流传输到隔壁房间的电 视或p c 机上，在小型公司内部进行数据传输等。i n s t a t m d r 公司预测，家庭网络市场 将于2 0 0 7 年增长至5 3 亿美元。在这个市场内，家庭多媒体无线网络技术将占据大约4 9 的份额，即2 6 亿美元。 1 2u w b 的基本概念 1 u w b 定义 最常见的关于“u w b 的定义来源于u w b 的雷达系统，它是指发送信号的相对能 量带宽大于o 2 0 o 2 5 。f c c 对u w b 的定义是指系统l od b 带宽与系统中心频率之比大 于2 0 或者系统带宽大于5 0 0 m h z 的通信系统【4 1 ，如图1 1 所示。 或者 即： 越 翻 魍 瓣 嚣 图1 1u w b 信号的定义 蚴 2 0 f c ( 厶一a ) 5 0 0m h z ( 1 2 ) 式中，局、五分别为相对峰值功率下降l od b 时所对应的系统上限频率和下限频率， 五为系统载波频率或系统中心频率 2 南京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 正= 半 ( 1 3 ) 显然，它不同于通常窄带通信系统所定义的3d b 带宽。 根据香农信道容量定理【5 】，一个通信系统可以通过增加传输信号功率或增大传输系 统带宽来提高系统容量。u w b 技术就是一种通过增大传输系统带宽来获得极高传输速率 的通信技术。它利用频谱重叠技术去充分分享目前其它窄带系统正在使用的频谱资源， 与其它窄带系统的频谱分配如图1 2 所示。 琦毫 喇 锑 囊 惜 蒋 1 o1 61 92 43 i456 7 s 9 1 0 6 朔事g l l 图1 2u w b 系统与其它窄带系统的频谱分配 频率( 骶) 图1 3f c c 对u w b 设备在室内环境下发射功率谱密度的规定 口 5 o 弓 o 5 o 5 r r 弗 专 嘲 彳 hm重粤v磷帮嚣胬荐蒙越塑厦担雌簌忙巾职事fl 南京邮电大学博士学位论文第一章绪论 u w b 在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3 1 1 0 6g h z 。在这一频谱范围内， 带宽为1m h z 的辐射体在3r n 距离处产生的场强不得超过5 0 0u a m ，相当于功率谱密度 为7 5n w m h z ，即4 1 3d b m m h z i 4 l 。美国f c c 对u w b 设备在室内环境下发射信号功 率谱密度的规定如图1 3 所示。 2 u w b 分类 上面对u w b 的定义是从信号带宽的角度来描述的。事实上f c c 没有指明u w b 实 现的具体方法和发送信号形式。迄今为止，u w b 的实现主要分为两大类，即基带窄脉冲 形式( 或冲激脉冲) 和载波调制形式。其中基带窄脉冲形式就是传统的脉冲无线电技术， 它利用基带窄脉冲序列携带信息，无需调制载波，适合于低速率、低成本、低功耗的应 用场合以及雷达、遥感测量中。载波调制形式适合于i e e e8 0 2 1 5 3 a 等高速应用场合， 根据调制信号的不同又分为单频带和多频带两种形式。单频带是将d s c d m a 信号调制 到相应的一个频带中进行传输：多频带采用o f d m 技术和多带方式，将o f d m 信号调 制到多个频带中进行传输。 1 3u w b 的特点与应用 1 3 1ir w b 特点 u w b 被认为是无线通信领域具有革命性的技术，与常规无线技术相比主要具有以下 特点2 3 】【6 】。 1 分辨率高、抗衰落、定位精确 、 多径衰落是无线通信中主要的信道损伤之一，特别是在高速无线通信中。传统的无 线传输技术容易受到建筑物内部及周围多径的影响，使得无线传输特性变差。u w b 由于 其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，不同路径的分辨率可降到n s 量 级，因此对信道多径衰落不敏感，特别适合使用在室内等多径密集的场合。u w b 非常窄 的波形使得它有可能从信道的多个反射中被独立地分辨出来，从而使得多径衰落的影响 大大减小，因而具有优良的抗衰落性能。实验表明对常规无线信号多径衰落深达1 0 - , 3 0 d b 的多径环境，对u w b 信号的衰落不超过5d b 1 】。 由于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。 4 南京邮电大学博士学位论文第一章绪论 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 ， 2 系统容量大、传输速率高 u w b 工作频带宽、携带信息量大，具有极高的数据传输能力。u w b 低功率特性使 得它的空间效率很高。如果利用a dh o e 进行组网，可以进一步提高u w b 系统的空间容 量。例如，利用多跳路由器，可以进一步减小u w b 发射机的发射功率和覆盖区域。也 就是说在个给定区域内，可以有更多的发射机同时工作，这样大大提高了信道空间利 用率，增加了系统容量和系统用户数量。若以每平方米比特率( b p s m 2 ) 度量，u w b 可 达lm b p s m 2 ，而i e e e8 0 2 1l a 为8 3 kb p s m 2 ，蓝牙为3 0k b p s m 2 ，i e e e8 0 2 1 l b 为l k b p s m 2 。 在民生应用中，u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，很容易实现1 0 0 m b p s 以上的高速宽带无线通信，并且不单独占用现已拥挤不堪的频率资源。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 率的数据传输。 3 干扰小、保密性好 u w b 抗衰落固有的鲁棒性，使得它的发射功率可以很低。根据f c c 的规定，在u w b 带宽内，u w b 信号的发射功率要小于o 5 6m w ，也就是说功率谱密度小于7 5n w m h z ( - 4 1 3d b m m h z ) 。这样，一方面u w b 功率低，不会干扰其它通信系统；另一方面， 可以设计有效的发送信号频谱，使得传输信号的频谱如同噪声频谱，并且在大多数情况 下，u w b 信号的功率谱密度可以低于自然的电子噪声，具有很好的隐蔽性，不容易被截 获，保密性好。 4 体积小、成本低、工作灵活 当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，而u w b 则可以不使用载波， 它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，只需一个简单的数字电路来产生数字调制脉冲， 完全可以集成到一个芯片上。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，从而不需要功率放大器与混频器。因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发 射器发射信号。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，完全可以实现全数字化的系统结构，设备的成本 可以做得很低。 5 低功耗，绝对的绿色环保产品 u w b 系统可以使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0 2 0n s 1 5 n s 之间，有很低的占空因子，系统耗电很小。在高速通信时系统的耗电量仅为几百p w s 南京邮电大学博士学位论文第一章绪论 几m w 。一般民用u w b 设备消耗功率是传统移动电话所需功率的百分之一左右，是蓝 牙设备所需功率的二十分之一左右。军用的u w b 电台耗电也很低。因此，u w b 设备大 大降低了对人体的有害辐射，成为真正的“绿色 手持设备，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。 1 3 2u w b 优势 u w b 技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同，它将会为无线局域网和个人局 域网的接入带来低功耗、高带宽并且相对简单的解决方案。u w b 技术解决了困扰传统无 线电技术多年的诸如信道衰落、高速传输时系统复杂、成本高和功耗大等重大难题。 作为一种新技术，国际上对u w b 的要求是：第一，不能影响既有的通信技术；第 二，受到既有通信技术影响的情况下，无权申诉。为了满足这两大要求，u w b 只好采用 小功率在小范围内传输，因此它的传输距离只有1 0m 左右。但是，与常见的短距离无线 技术( 蓝牙、i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b ) 相比，u w b 更能显示出其杰出的优点，如 表1 1 所示。 从表1 - 1 中可以看出，对于u w b 而言，高速数据传输正是其“杀手锏 。让我们从 具体例子来看u w b 的速度到底有多快。比如，同样下载1 2 8m b 数码相机存储的数据， 蓝牙( o 7m b p s ) 需要2 4 分，8 0 2 1 l a ( 1 lm b p s ) 需要9 3 秒，u w b 低速模式仅需9 3 秒，而u w b 高速模式只要2 1 秒。因此超宽带技术将使未来家庭电子产品消费者的生活 变得更加简便和快捷。 表l 一1u w b 与常见的短距离无线技术的特点比较 u w b 蓝牙 8 0 2 1 l a8 0 2 1 l b 速率( m b p s ) 最高达1 0 0 0l5 41 l 空间容量( k p s b m 2 ) 1 0 0 03 08 31 距离( m ) l o1 01 0 l o o1 0 0 信道带宽( m h z ) 5 0 0 7 5 0 012 52 5 r f 信道数 l 1 57 91 2 ，8 ，4 3 功耗( m w ) 1 0 0 0l 一5 0 0 应用范围探测、多媒体家庭或办公室电脑与网关电脑、移动设备 6 南京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 3 3ir w b 应用 早在1 9 6 5 年，美国就确立了u w b 的技术基础。在后来的二十年内，u w b 技术主 要用于美国的军事领域，其研究机构仅限于同军事相关的企业以及研究机关、团体。u w b 技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，它的优越性日益受到重视。在此 情况下，为探索u w b 技术在民生领域中的应用可行性，f c c 于2 0 0 2 年4 月公布了u w b 设备在三类民用领域应用的初步规范，规定了其工作频段、功率限制、开放范围和使用 对象，从而为u w b 的大规模民用敞开了大门。 从大的领域上讲，u w b 的用途主要可分为军事和民生两个方面。虽然u w b 技术原 本是为军事目的而开发的，但巨大的民用市场使得u w b 被批准对民用开放后迅速成为 民用通信的研究热点。 1 军事领域 以军事为目的是u w b 开发研究的源头，在海、陆、空等军事领域，u w b 通信和 u w b 雷达有着广泛的应用。 ( 1 ) 军事通信 近年来，军事通信的要求呈现大容量、低截获( l p i 仍) 、高速率的特征。数据传输 速率要求从低速率的c v s d 数字话音到高速率的实时视频图像，通信范围要求从近距离 ( 1 , - - 2k m ) 的“战术型”到远距离( 1 0 0k m ) 的“战略型 ，而u w b 所具有的独特性 能恰好可以满足这些需求。例如利用u w b 技术构建l p i d 内部无线通信系统、l p i d 战 术手持电台网络通信系统、超视距l p i d 地波通信、无人驾驶飞行器和地面战车的通信 链路等。 u w b 具有很高的分辨率和穿透性，非常适用于高多径密度、高复杂室内环境下的数 据传输。高精度的定位测距、低截获率和抗干扰性使得u w b 在军事通信和战场侦察领 域的a dh o e 网络中具有特殊的应用价值。u w b 技术的精确测距定位性能可使终端用户 准确掌控监控区域中a dh o c 网络节点的位置信息，实现高性能传感网络。 ( 2 ) 军事雷达与导航 对于军事雷达，一方面要求检测分辨率高，另一方面又要求体积小，特别是在小型 飞机和移动战车上更是如此。例如，用于在城市建筑物( 群) 之间( 如狭窄的走廊) 等 复杂障碍环境中执行侦察任务的微型飞机( m a v ) 必须装配微型雷达以进行高精度的测 量和防撞传感工作，这时对微型雷达系统的基本要求是重量轻( 2 0 0 m b p s 平均发射功率竹 d b md b m 发射天线增益g 7 - 0d b i 0d b i 信号中，f i , 频率石 h zh z im 处的路径损耗p l id bd b d ( m ) 处的路径损耗儿d 2 0d b0 0m ) 1 2d b ( 4 m ) 接收天线增益g r 0d b i0d b i 接收信号功率p r = p 7 + g r + g r + p l l 一儿d d b m d b m 接收噪声带宽w h zh z 平均每比特噪声功率= 一1 7 4 + 1 0 * l o g l o w d b md b m 接收噪声系数坼 7d b7d b 平均每比特接收噪声功率尸= + 坼 d b md b m 处理增益尸g d bd b 接收机最小信噪比e b n o ( r b ) d bd b 电路实现损耗( i ) d bd b 链路余量m = p r + _ p - r b i d bd b 建议的最小接收灵敏度 d b md b m 2 1 南京邮电大学博士学位论文第二章u w b 电波传播特性与建模 2 3 多径传播模型 2 3 1 多径信道的统计特性 u w b 通信系统的特点是在发射机和接收机之间存在多条传播路径，信号在传播过程 中会产生多个经过不同时延和衰减的信号，因此u w b 信道是一个典型的多径信道。多 径信道的统计特性往往用平均功率( 时延) 分布( p d f ) 来描述。它是一个基于固定时 延参考量( l o s 分量到达时间) 的附加时延函数，常以相对接收功率图的形式表示。将 接收到的瞬时功率时延分布取平均就可以得到平均功率分布图。平均功率分布的主要特 征参数有平均过剩延迟( e x c e s sd e l a y ) 、均方根时延扩展( d e l a ys p r