（通信与信息系统专业论文）iruwb中的多址接入和相关技术研究.pdf

南京邸电夹学硕士研究生擎伎论文 摘要 摘要 随着个人用户电子设备的增多，用户对于短距离、高速率、低辐射的光线组网的要求 越来越强烈。因此，未来家庭办公环境无线网络具有广阔的市场空闻。i r u w b 技术是一 种用纳秒、强纳秒级的窄脉冲而非传统的正弦载波来承载信息的，由于具有高速率、低功 耗和高精度测距能力，成为多种应用物理层的最佳解决方案。在i r u w b 系统中，基本脉 冲波形、脉冲的调制方式和多址接入方式多用户干扰都会对系统性能产生决定性的影响。 论文根据f c c 对u w b 信号的频谱规范，分析了基本脉冲波形应该具有的特性和相应波 形设计原则。并以高斯脉冲波形为例，研究了三种信号波形设计方法：改变脉冲形成因子、 调节高斯脉冲阶数和对高簸芷交基丞数进行线性组合。论文总结了两种常用超宽带无线信 道模型：s c h o l t z 模型和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信道模型工作组最终确定的基于i n t e l 公司提出 的僖道模型( 简称为i n t e l 模型) ，并对西种典型i e e eu w b 信道模型信道冲激响应和功率 延迟特性进行了仿真实现和分析比较研究。论文重点研究了i r u w b 的调制方式和多址 性能，推导趱在给定误符号率时，传输距离和速率之间的关系式，并对结论进行了仿真实 现。论文中提出了标准高斯近似( s g a ) 假设条件，并在基于s g a 的假设条件下，对p p m t h m a 和p 趟一善h m a 两种方式中多用户干扰( 髓王) 对系统性能影响进行分析研究，并根据分析结 果用m a t l a b 对i r u w b 的典型应用场合w p a n 中的多用户之间的干扰进行了仿真实现，根 据仿真结果可以看出无线蜀域曜中系统的误符号率与信噪比和潮王数的关系，这一研究成 果对于如何进行i r - u w b 的调制方式的选择，如何提高基于i r - u w b 的w p a n 的系统容量有 很大的参考价值和借鉴意义。 关键词：i r - u w b ，t h m a ，p p m ，p a m ，m u i ，w p a n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t l ru w bt e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n c e dp e r f o r m a n c e sc a m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，s u c ha sh i g h e rd a t ar a t e s ，l o w e rc o n s u m e dp o w e r , l o w e rc o s t a n d t h ec o m p a t i b i l i t y 、访搬t h eo t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 弧i sp a p e r m a i n l ys t u d i e dt h es e v e r a l k e y 。t e c h n o l o g i e so l lt h ei r - u w b ：t h ew a v e f o r mo fp u l s e s ，t h em a i nc h a n n e lm o d e l a n dt h e p e r f o r m a n c eo fi r - u w b a tt h ec o n d i t i o n so fm u i f o rt h e w a v e f o r m so fp u l s e ，b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h eg a u s s i a np u l s e ，h a st h ec o n c l u s i o n s ：w ec a no b t a i nt h ep u l s e sb yt h ef c c o r d e ro f u w b ：c h a n g et h ep u l s es h a p i n gf a c t o r , d e r i v a t i v e t h e g a u s s i o nf u n c t i o n ，a n d m a k et h e c o m b i n a t i o n so ft h eb a s ef u n c t i o n s a f t e ri n t r o d u c i n gt h ei e e eu w bc h a n n e lm o d e lb a s e do n i n t e lm o d e la n dt h et w ob a s em o d u l a t i o n so nt h eb a s ew a v e f o r mo fp u l s e s ，t h ep a p e ri m p o r t e da s t a n d a r dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nm o d e l w h i c hi su s e dt od e s c r i b et h ed i s t r i b u t i o no fa l lt h e i n t e r f e r e ds i g n a l si nt h er e c e i v e r i nt h ei r - t h m a - u w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do nt h e s t a n d a r dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nm o d e l ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fm u io f p p m t h m aa n dp a m t h m a f i n a l l y , t h ep a p e rm a k et h eu s eo ft h es o f t w a r em a t l a bt o s i m u l a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h ea b o v ec o n c l u s i o n ，a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h er e s u l t o fs i m u l a t i o n , t h i sp a p e rm a k eac o n c l u s i o n k e y w o r d s ：i r 一1 9 y h b ，t h i d a ，p p m ，p a i d ，m u i ，w p a n i i b p m ：b i p h a s em o d u l a t i o n 缩略语列表 b p s k ：b i - - p h a s es h i f tk e y i n g b w a ：b r o a dw i r e l e s sa c c e s s d a r p 焘：d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y 二相调制 二相移相键控 宽带无线接入 美国冒防高级研发署 d s - c d m a ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a d i n g “c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 直接序列扩频码分多址 e t s i ：e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e欧洲电信标准协会 e s d ：e n e r g ys p e c t r a ld e n sit y f c c ：f 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 g p s ：g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m h d t v ：h i g h _ 。d e f i n i t i o nt e l ev i s i o n 王r ：i m p u l s e - r a d i o i s t ：i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g y i t u ：羔n 专e r 转a t 主o n 8 王t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n l o s ：l i g h t o f s i g h t l s a - p d p ：l a r g es c a l ea r e ap o w e rd e l a yp r o f i l e m a c ：m e d i aa c c e s sc o n t r o l 醛8 ( 摅：m u l t i b a n do f d ma 1 1 i a n c e m i p ：m u l t i - - p a t hi n t e n s i t yp r o f i l e i 掰王：m u l t i - u s e r 王羚t e r f e r e 致e e n l o s ：n o n 。l i g h t o f - s i g h t o f d m ：o 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 e x i n g o o k ：o n o f fk e y i n g p a m ：p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p d p ：p o w e rd e l a yp r o f il e p d u ：p a c k e td a t au n i t p l ：p a t hl o s s p p m ：p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n p s d ：p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y i i i i 能量谱密度 ( 美国) 通信委员会 全球定位系统 高清晰电视 冲激无线电 欧盟信息社会技术 国际电信同盟 视距传输 大范圉的平均功率时延 媒体接入控制 多带o f d m 联盟 多径强度特性 多用户干扰 无视距传输 正交频分复用技术 开关键控 脉冲幅度调制 功率延迟特性 分组数据单元 路径损耗 脉冲位置调制 功率谱密度 南索邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词表 r m s ：r o o tm e a ns q u a r e s g a ：s t a n d a r dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o n s i r ：s ig n a li n t e r f e r e n c er a t e s s a p d p - s m a l ls c a l ea r e ap o w e rd e l a yp r o f il e t h m a ：t i m e ”h o p p i n gm u l t i - a c c e s s u s b ：u n iv e r s a ls e r i a lb u s w i f i ：w i r e l e s sf i d e li t y u w b ：u l t r a w id e b a n d 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 w s n ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i v 均方根时延扩展 标准高斯近似 信嗓比 小范围平均功率时延特性 跳时多址 i n t e l 公司开发的通用串行总线架构 基予i e e e8 0 2 1l b 标准的无线局域网 超宽带 无线个域网 无线传感网 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 i 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，论文中不包含其他入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。 研究生签名：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：导师签名： 嚣期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类的生存需要自己的空间，但同时又需要与他人进行交流沟通，因此又必须克服空 间带来的不便。从狼烟预警到飞鸽传书，特别是1 9 世纪由于麦克斯韦以及赫兹等杰出科 学家的伟大发现，人类步入了无线电时代。经过一个世纪众多杰出的科学家、发明家、工 程师和企业家的共同努力下，在通信领域出现了百花齐放，百家争鸣局面，同时无线 频谱资源也成为地球上最贵的资源。特别是移动蜂窝网和互联网的发明普及，使得社会由 原来的信息不对等的社会变得信息对等起来，让社会更加趋于民主，让地球变成了一个 村。可以这么说，没有这些信息技术，就不会有现在的全球化。 纵观通信的发展史，经历了从宽带到窄带再到宽带的发展过程，特别是近几年在无线 短距离通信成为研究的热点，由于个人电子产品的丰富，通信电子终端的丰富还有信息家 电的加入，他们和计算机终端有通信传输数据的需要，特别是家居和办公环境的应用场合， 摆脱有线的束缚趋势越来越明显。同时无线电频谱作为一种独一无二的宝贵资源，必须要 很好的规划和利用，尽量提高利用率。由于各种电子产品的移动性和能量有限，要求他们 做到体积小、功耗低、工作时间长，同时在多媒体时代，数据量大，这就要求速率高、吞 吐量大。由于是数据传输是无线广播式的，这就要求安全性也得到一定保障。通信发展的 终极目标是实现在“任何人在任何地方以任何方式向任何人传递任何信息”。 在这样的需求驱动下，有别于传统载波通信的超宽带技术( u l t r aw i d e b a n d ：简记为 u w b ) 由于它有效满足了这一需求，从各种短距离无线通信技术如蓝牙、w i - f i 、z i g b e e 等中脱颖而出，引起了研究机构和各个i t 巨头的注意，并且成为无线通信领域研究开发 的一个热点，被美国有线新闻网( c n n ) 评选为2 0 0 4 年最有影响的十大热门技术之首。另外， 由全球w i m e d i a 联盟和北京天地互连公司共同主办的2 0 0 6 全球w i m e d i a ( 超宽带) 高峰 i 会议己于2 0 0 6 年1 0 月1 2 日在北京成功举行。 这次会议为了推动我国超宽带无线通信技术的研究、发展和应用，促进产业界各方之 间的交流合作，推广宣传超宽带技术，本次大会特邀请国家相关主管单位领导、学术界专 家、各种非政府机构的代表，行业精英就u w b 技术、产业当前现状及未来发展、技术标准 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一苹绪论 的情况、国家频谱管理及分配政策、u w b 技术应用等等问题进行深入分析和探讨。超宽带 作为当代最具有争议的技术之一，它的应用看来没有止境，具有卓越的性能。本章将综述 超宽带这一技术的发展历程、国内外的研究现状和动态，相关的标准化规范以及超宽带技 术特性和应用空间。 1 2 超宽带技术概述 1 2 1 超宽带的发展历程 天地万物皆有其源，超宽带技术的历史可以追溯到一百年前波波夫、马可尼发明越洋 无线电波的时代。实际上马可尼在1 8 9 7 年演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线 电的含义，因为马可尼所用的火花隙发射器的信号占据了很宽的频带。真正现代意义上的 超宽带无线电，又称为冲激无线电( i r ：i m p u l s er a d i o ) 技术，出现于2 0 世纪6 0 年代，还 可以追踪到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统的专利。这项技术长期应用仅限军事、 灾害救援搜索和雷达定位测距等场合。到1 9 6 3 年美国s p e r r y 研究中心的r o s s 博士以u w b 信号作为分析工具来研究微波网络的特性犯1 ，之后r o s s 博士又进一步开发了一种用于短 距离探测目标或障碍物的室内雷达阳。1 9 7 4 年m o r n y 申请了一个采用超宽带技术的地面探 测雷达系统的美国专利n 1 ，这个系统可以探测地下几米的地貌，并取得了商业成功。1 9 7 8 年r o s s 博士在i e e e 会刊文章1 中以“时域电磁学 为标题对超宽带技术作了比较全面的 概述，论述了超宽带信号波形的产生技术，时域处理方法与时域特征分析技术，相关的天 线技术以及基带雷达技术等。8 0 年后，时域电磁学的研究成果开始应用于无线通信，特 别是在密集多径环境下的短距离通信。s c h o l t z 详细描述了这种被称为“冲激无线电技 术的应用嘲以及该技术的优缺点。文章论述了在同一个区域中冲击无线电通信系统可以容 纳大量的用户，而且这种冲击无线电超宽带信号具有比窄带信号更强的抗多径能力，从此 超宽带在无线通信中的应用引起了业界的广泛关注。 超宽带技术历史上又被称为基带脉冲，无载波技术，冲激无线电等。它的定义经历了 以下几个阶段：第一阶段，1 9 8 9 年前，u w b 信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术 广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。第二阶段，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 处的绝对带宽大于 1 5 g h z 或分数带宽大于2 5 ，则这个信号就是超宽带信号。第三阶段，2 0 0 2 年美国联邦 通讯委员会( f c c ) 颁布了u w b 的频谱规划，并规定只要一个信号在l o d b 处的绝对带宽大 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 于0 5 g h z 或分数带宽大于2 0 ，则这个信号就是超宽带信号。 1 2 2 超宽带的技术特性 理论上，一个宽度为0 的脉冲具有无限的带宽，因此，脉冲信号要想发射出去并有足 够带宽，必须有足够陡峭的上升下降沿和足够窄的宽度。u w b 脉冲民用时，脉冲宽度一 般在纳秒级。纳秒为一秒的十亿分之一，这意味着如果一个脉冲代表一个数位，那么u 1 】| b 有能力在一秒内传送1 0 亿个数位，即i g b p s 的速率。若脉冲宽度降至0 1 纳秒，则速率 可达l o g b p s 。目前，u w b 网卡的实验速度在l o o m b p s 至7 0 0 0 m b p s 之间，但理论上有达到 i g b p s 以上的潜力。在频域上，它的频带很宽，必然会包括现有无线通信系统的工作频段。 因此，对超宽带技术的商业化民用，美国f c c 等相关组织对超宽带无线系统的频谱和发射 功率都作出了严格的规定口1 ，超宽带信号最新定义是指使用频段在3 1 1 0 6 g h z 内，l o d b 带宽超过5 0 0 m h z 的信号或者相对带宽大于2 0 的信号。所谓的相对带宽n ，是指信号带 i ， 宽与信号的中心频率的比值，即，7 = z 拿去，其中以和z 分别表示该信号l o d b 带宽 u h + ，1 ) 2 的上限频率和下限频率。 相对于传统的载波通信技术，u w b 技术主要有如下特性： 1 速率高由于它使用纳秒级的脉冲，信号带宽极宽，这使得超宽带无线系统适合 短距离高速率无线传输应用；数据传输速率范围可在几十m b i t s s 到几百 m b i t s s ，甚至上g b i t s s 。 2 抗干扰能力强根据香浓公式，极宽的带宽使得系统具有很大的增益，抗窄带干 扰能力强。通过进一步采用跳时技术或扩频技术，它比i e e e 8 0 2 i i 系列无线局域 网和i e e e 8 0 2 1 5 蓝牙等有更强的抗干扰能力。 3 多径分辨能力强有利于在密集多径室内环境下通信和精确测距定位方面的应 用，也具有比较强的时间分辨能力。 4 频谱利用率高与其它无线系统共享宝贵的频谱资源，从而提高频谱的利用率。 5 功耗低由于发射的是一系列占空比很小的极窄脉冲，功耗仅仅相当于传统的无 线通信系统的1 i o 到1 1 0 0 ，相当于一些背景噪声，具有很低的截获侦测概率， 这也是u w b 技术早期应用于军事保密通信的原因之一。对于能源有限的便携式设 备来说，低发射功率意味着延长了系统使用时间，同时也降低了对人体的辐射影 响。这对绿色环保观念日渐普及的今天显得尤为重要。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 6 成本低不需要载波调制，相对于传统的无线系统来说，系统元件少，实现相对 简单，因此成本较低。另外具有很好的穿透性能，可应用于探地雷达、穿墙成像 和医疗设备。 1 2 3 超宽带技术的主要应用 u w b i 的上述卓越性能决定了超宽带技术的广泛应用，广阔的商业前景。超宽带的应用 可以分为三大类：通信、雷达监视和定位。 在通信中的应用可以按速率可以分为：短距离( 1 0 米以内) 高速率应用和中等距离 ( 1 0 0 米以内) 低功耗低速率的应用。高速率应用包括：支持多媒体业务的无线个人局域 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 ) ，代替电缆线( 如无线u s b 和无线i e e e1 3 9 4 ) 以及穿戴式设备( 如无线h i - f i 耳机) 等。中等距离低功耗低速率应用包括：中长距离的 无线传感器网络( 如室内室外分布式的监控系统) 和代替蓝牙技术的应用。目前i e e e 正在制定的标准如：i e e e8 0 2 1 5 3 a 和i e e e8 0 2 1 5 4 a 都正在考虑把u w b 技术作为它们 的物理层标准。 u w b 技术除了传统的军用保密通信和雷达应用之外，由于u w b 脉冲具有厘米级的距离 分辨能力和很好的穿透性，所以它可以应用于高精度测距、定位和医疗成像等。 1 3u w b 技术的国内外研究现状与标准化进展 2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 发布了超宽带无线通信的规范，u w b 的可用频谱范围是3 1 1 0 6 g h z ，并且这一范围平均发射功率不超过一4 1 3 d b m m h z ，从而有条件的解除了该技术 在民用领域的限制，可以说是u w b 发展史上的一个里程碑。从此成为了这几年学术界和产 业界的一大热点。 1 3 1 超宽带技术国内外研究现状 i n t e l 公司早在2 0 0 2 年就推出了速率高达1 0 0 m b p s 以上的u w b 传输链路演示系统。 新加坡资讯通信研究院的u w b 实验系统速率更是达到了5 0 0 m b p s ，传输距离为4 米。 m o t o r o l a 收购x t r e m e s p e c t r u m 后成立f r e e s c a l e 公司，期间多次进行了同时有微波炉、 蓝牙系绕、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 、蜂窝通信系统和无绳电话在同一地区工作的条件下传输两 路不同高清晰度数字电视( h d t v ，h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 影视节目的演示。其它 4 童室坚皇奎兰堡主婴窒竺堂垡堡奎翌二至丝堡 如t i m e d o m a i n 、w i s a i r 和a t m e l 等公司都发布了u w b 芯片。 全球许多著名的大学和研究机构如斯坦福大学英特尔无线实验室等都成立了专门的 实验室，取得了重要的成果。还有美国南加州大学的s c h o l t z 教授等学者成立的u l t r a l a b 实验室是世界上超宽带通信系统技术的一个重要研究机构1 。他们和美国t i m e d o m a i n 公 司率先联合研制跳时扩频u w b 技术在通信中的应用，最先开展对超宽带系统中的信道特性 的测试和理论研究，给出了初步信道特性描述，大大地推动了u w b 技术的理论研究。 2 0 0 2 年5 月，i e e e 召开了u w b 科学与技术第一次专业国际会议u w b s t 0 2 ，之后i e e e 每年都召开了u w b 专业性国际会议。2 0 0 2 年底，i e e e 权威学术刊物j o u r n a lo fs e l e c t e d a r e ao nc o m m u n i c a t i o n s 出版了第一本u w b 专题集嘲，发表了大量的研究成果。 我国在超宽带无线技术领域的研究起步较晚，但得到了广泛地重视。国家8 6 3 计划和 国家自然科学基金等已经设立超宽带技术的研究项目啪3 ，目前在国内东南大学、北邮、哈 工大走在前列，南邮也申请了一些项目。但总体来说投入产出很有限。在实用系统研发和 相关技术的研发标准制定等方面与业界巨头相比差距很大。t j w b 技术作为当前的一个热点 技术，同样存在很多热点研究方向，主要包括： 1 ) 超宽带无线通信系统的信道建模。 2 ) 高速多媒体超宽带无线通信系统及其性能的研究，主要包括：超宽带通信系统 的高效编码、调制方式、多址方式与m a c 协议的研究、跳频码、直接序列扩频 码、跳时码的设计。 3 ) 超宽带信号的产生，超宽带波形，频谱的优化与控制技术。 4 ) 超宽带射频电路和天线的研究设计。 5 ) 超宽带信号接收检测和处理算法，如多用户检测、空时信号处理、接收机结构 和算法，同步定时算法等。 6 ) 超宽带在雷达、透视检测成像、无线传感网络和高精度定位等方面的应用技术。 7 ) 超宽带无线通信系统与其它窄带系统的共存性研究。 8 ) u s b 、i e e e l 3 9 4 的无线替代应用研究。 9 ) 基于u w b 的a d - h o c 网络设计 1 。3 2 帅的标准化进展 由于u w b 技术的广阔市场空间和利益争夺，造成了超宽带技术的标准之争异常激烈， 到目前为止还没有一个统一的标准。目前国际上主要的一些标准化组织如i e e e 、e t s i 和 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 i t u 都在进行超宽带标准化工作。u w b 无线物理层规范是由i e e e 8 0 2 l a n k a n 标准委员会进 行开发。i e e e8 0 2 1 5t g 3 a 任务组已经对采用u w b 技术的高速无线个域网( w p a n ) 的m a c 层提出了指导性的规范。对3 1 1 0 6 g h z 频段u w b 信号的传播特性与信道模型提案经过 了评审，建立了以i n t e l 公司信道模型为基础的典型应用场合信号模型口们；在先后征集到 的众多物理层提案中，再经过任务组多次的反复评审率选合并修改后，目前主流方案集中 在两个有载波超宽带方案上，一个是以美国i n t e l 、t i 公司为首的多带o f d m 联盟( m b o a ： m u l t i - - b a n do f d ma l l i a n c e ) 所提出的多带o f d m ( m b o f d m ：m u l t i - - b a n do f d m ) 方案； 另一个是以美国m o t o r o l a 公司为主导的双子带直扩码分多址( d s c d m a ：d i r e c ts e q u e n c e s p r e a d i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方案。 m b o a 的主要宗旨摒去脉冲无线电的超宽带方案，力推多带o f d m 方案，即将f c c 开 放的从3 1 - - 一1 0 6 g h z 的7 5 g h z 的频带分成十几个5 0 0 , - - 6 0 0 m h z 左右的子频带，然后在每 个子带上采用o f d m 技术实现超宽带无线通信。尽管这种方案支持的厂家很多，但还没有 获得绝大多数的支持( 7 5 的选票) ，成为标准。目前飞思卡尔和英特尔都演示了速率高 达4 8 0 f o i t s 的产品，正在向高达1 g b i t s 速率迈进。在征集和评审提案的过程中，i e e e 8 0 2 1 5 3 8 任务组要求各个提案必须满足以下基本要求： 1 可以在短距离内传输高速率数据，在距离增加时，速率可以适当减小，当距离为 1 0 米时，要求系统可以提供1l o m b i t s s 的数据速率；当距离为4 米时，速率可 达2 0 0 m b i t s s ；如果距离进一步减小，速率可达4 8 0 m b i t s s 。 2 性能要求：对于1 0 2 4 字节的帧，误帧率小于8 ；容量大，要求最少能够支持4 个p i c o n e t 同时传输，其中每一个p i c o n e t 的最小有效数据速率至少达到 5 0 m b i t s 。 3 能和现有无线系统兼容，能够与i e e e8 0 2 1 5 、b l u e t o o t h 蓝牙系统，i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网，i e e e 8 0 2 1 6 宽带无线接入( b w a ) 等系统共同工作而不造成明 显的干扰。 4 功耗要小，要求速率为l l o m b i t s s 时，消耗的功率应小于l o o m w ，速率为 2 0 0 m b i t s s 时，消耗的功率应该小于2 5 0 n 唧，具有节能模式。复杂度与蓝牙相当。 e t s it g 3 1 a 任务组参考借鉴美国f c c 和i e e e 的规范与标准化工作，欧盟信息社会技 术( i s t ：i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g y ) 计划也启动了超宽带音视频娱乐系统 u l t r a w a v e 项目n 日和致力于a d - h o c 网络的u c a n 项目“幻，并将u w b 技术纳入欧盟i s t 第六 框架的研发计划中。国际电信联盟i t u 也开展了u w b 技术的全球性标准化工作，目前也还 在起步阶段，主要由i t u rt g l 8 任务组根据美国、欧洲、日本等主要国家地区的规范和 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 标准化工作进行。 1 4 论文主要工作和章节安排 i r u w b 是一种新兴的短距离无线通信技术，它是使用纳秒级的窄脉冲来传递信息的。 本文主要对i r u w b 通信系统多址接入性能和相关技术进行分析和研究。要对i r u w b 系统 进行任何的系统性能分析和设计，都必须以脉冲波形和信道模型为基础。本文的主要工作 和贡献如下： 1 首先根据美国f c c 公布的u w b 室内实用的频谱规范，分析和研究了脉冲波形的 i 应该具有的特性和设计原则。通过对u w b 中常用脉冲高斯脉冲做了具体分析得 出结论，为了设计产生符合f c c 频谱规范的信号波形，可以通过改变脉冲形成 因子，对高斯脉冲进行微分和综合利用前面两种脉冲波形进行多脉冲线性组合 的方式来实现产生所需要的波形。 2 对i e e eu w b 公布的四种典型信道的冲激响应和对应的冲激响应的功率延迟特 性( p d p ) 进行了仿真，对u w b 信道的多径功率分布和时延分布进行了分析和 比较，该结论对于设计u w b 分集接收机可以提供一些参考价值。 3 分析了在给定误符号率的条件下，有效传输距离和速率之间的关系。通过4 2 中的仿真结果可以得知，在误符号率一定的前提下，对于i r u w b ，随着通信 速率的增加，有效传输距离减小；对于m p a m 调制方式而言，同样的数据速率， m 值越大，有效传输距离越小；而对于m p p m 调制方式来说，同样的数据传输 速率，m 值越大，有效传输距离越远。这一结论为i r - u w b 通信中如何通过通 过调节速率来实现调节有效传输距离提供参考依据。 4 论文中主要研究了超宽带中的调制方式和多址方式，论文提出了标准高斯近似 ( s g a ) 假设模型，基于s g a 的假设模型条件，研究多用户干扰( 删i ) 对接收 机性能的影响，分别对基于t h m a - i j w b 的两种二进制调制方式p p m 和p a i d 进行 了详细的推导分析研究。由于u w b 通信技术主要应用于具有广阔市场前景的无 线个域网( w p a n ) 。这里把无线个域网根据网络的规模即用户设备数的多少， 把w p a n 分为三种情形：小型的w p a n ，中型的w p a n 和设备较多时的w p a n 。这 里根据多用户干扰的研究结果，对上面三种情形用m a t l a b 进行了仿真实现， 并得出一般性结论：当v p a n 中，干扰用户较少时，两种调制方式的误符号率 一直是随着信噪比的增加而下降，也就是说对于接收端的干扰源热噪声和m u i ， i 热噪声对系统误符号率的影响占主导地位，此时w p a n 中随着发射信号功率的 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 增加，p a m 的性能越来越优于p p m 方式的性能。当w p a n 中用户数增加时，即 中型的w p a n 情形，二进制p p m 和二进制p a m 两种调制方式的误符号率随着信 噪比的增加，逐渐趋于一个常数，也就是说到后来，通过提高发射信号功率， 对系统性能提高作用不明显，在仿真结果中当信噪比大于2 0 d b 以后，对系统 工作性能其主要影响作用的不再是热噪声而是m u i ，此时在相同的信噪比条件 下，p a m 的误符号率要比p p m 低2 个数量级。当进一步增加w p a n 中用户设备 时，即大型的基于i r - u w b 的w p a n 情形，由于m u i 的影响，在相同的信噪比条 件下，在系统误符号率稳定时，p a m 的误符号率要只比p p m 低1 个数量级。通 过对比还发现，采用二进制反极性p a m 的大型的w p a n 的系统误符号率和采用 二进制p p m 的中型的w p a n 中的系统误符号率相当，也就是说采用二进制反极 性p a m 的w p a n 的网络容量要比采用二进制p p m 的w p a n 的网络容量大得多，抗 多用户干扰性能强。这一研究成果对于如何进行i r u w b 的调制方式的选择， 如何提高基于i r u w b 的w p a n 的系统容量有很大的参考价值和借鉴意义。 全文的具体内容和结构安排如下： 第一章首先对u w b 技术做了概述：介绍了发展历程，i r u w b 技术的特性和主要应用， 标准化进展情况，当前国际上最新研究热点。 第二章对超宽带脉冲信号波形做了分析和设计，根据f c c 对u w b 信号的频谱规范，分 析了脉冲波形应该具有的特性和波形设计原则。并对常用的高斯脉冲从三个方面：改变脉 冲形成因子，改变高斯脉冲阶数和对基函数波形进行线性组合来设计符合频谱规范的波 形。 第三章详细介绍了两种常用超宽带无线信道模型：s c h o l t z 模型和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信 道模型工作组最终确定的基于i n t e l 公司提出的信道模型( 简称为i n t e l 模型) ，这是对 所有提交给任务组的各种u w b 物理层提案进行评估时所采用的标准信道模型，并对四种典 型i e e e u w b 信道模型信道冲激响应进行了仿真实现。 i 第四章是全文的创新点和重点。首先研究了i r - u w b 的常用调制方式，并具体研究了 具有多址性能的两种二进制调制方式p p m - t h u w b 和p a m - d s u w b 的调制结构，信号产生过 程，还给出了相应的已调制信号时域波形。接着对超宽带无线电链路预算进行分析研究， 推导出在给定接收机误码率时，传输距离和速率之间的关系式。这是i r - u w b 应用于无线 电测距定位的基础。并对分析的结论进行了仿真实现。最后，对超宽带中的多址方式做了 研究，引入了标准高斯近似( s g a ) 假设模型，并对基于s g a 的假设模型条件下的多用户 干扰( 删i ) 对接收机的性能的影响，分别对基于t h m a - u w b 的两种二进制调制方式p p m 8 南京邮电大学硕士研究生学位笙奎 一墨三堡l ! ! 皇! 一 _ - - _ 一一 和p a m 两种情形进行了详细的推导分析，之后根据分析结果用m a t l a b 进行了仿真，并对 结果做了分析，这一结论对于如何提高基于i r u w b 的w p a n 中的容量有很大的参考价值。 第五章是对全文的工作进行总结和展望。 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章超宽带脉冲信号波形分析与设计 第二章超宽带脉冲信号波形研究与设计 目前超宽带无线传输技术按信号形式可分脉冲无线电传输和连续载波传输两种类型。 前者是把信息调制在离散脉冲信号上传输，而后者则像传统窄带通信一样，通过把信息调 制在连续载波上传输。这主要是因为f c c 只对u w b 信号带宽和发射功率做了要求，而未对信 号波形做出规定。本文主要讨论研究的是传统的超宽带无线电技术，也i t l i r u w b 。而对 i r - u w b 技术进行分析和研究，基本脉冲波形的设计和选择是进行其他一切工作的基础前 提，这也是和传统的通信技术最根本的区别。可以说基本脉冲波形的性能决定了整个系统 i 的性能。符合频谱规范要求的脉冲波形该如何选择、如何设计产生呢，这将是本章主要研 究的内容。 2 1 脉冲波形设计原则 由于要与现有的一些通信系统共用频谱，为了不对现有系统造成干扰，美国f c c 对 u w b 发射频谱做了严格的限制。如图2 1 所示，为美国f c c 针对u w b 在室内使用的频谱规 范要求，图中可知在0 到9 6 0 m h z 频段和3 1 g h z 到1 0 6 g h z 频段有相同的发射功率上限 - 4 1 3 d b m m h z ；而在9 6 0 m h z 到1 6 g h z 频段，为了减小和全球定位系统( g p s ) 的干扰， - 7 5 i 一一 l i n e l o o rl i m i ti 一p a r t1 5l i m | t 1 0 01 0 f r e q u e n c yi ng h z 图2 1 美国f c c 对于u w b 在室内使用的频谱规范 l o o 5 0 5 0 5 o 4 4 击 啼 刁 gm口c一一mmcols萌一e山正世一山m乏5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章超宽带脉冲信号波形分析与设计 对辐射功率更严格限制，要求不超过- 7 5 d b m m h z ：对于1 6 g h z 到2 o g h z 频段，为了避免 和现在的移动通信系统的干扰，辐射功率要求不超过一5 3 d b m m h z ：而对2 o g h z 到3 1 g h z 频段，由于2 4 g h z 为各国公共免许可频段，存在很多应用，如，8 0 2 1 l b 等，辐射功率 规定不超过- 5 1 3 d b m m h z 。 脉冲波形的选择和设计是i r - u w b 通信系统中的一个基本课题。u w b 脉冲波形设计首 先要满足f c c 的频谱限制模板，图中发射功率上限为- 4 1 3 d b m 姗也可以换算成功率为 7 5 n w 删z 。在f c c 规定的u w b 频段内包含了u - n i l ( 未经国家许可的信息基础设施) 频段， 在美国是5 1 5 - 5 8 2 5 g h z ，在日本是4 9 - 5 0 9 1 g h z ，所以在进行u w b 脉冲波形设计时要避 免对此频段内的服务造成干扰，也就是说u w b 脉冲波形的设计还要满足各地区不尽相同的 频谱限制，这就需要设计的脉冲具有良好的灵活性，能根据不同地区频谱限制的需要以及 今后u w b 系统发展的需要灵活地调整频谱特性。在u l m 系统要实现多址多用户通信，这时 多个用户同时共享一定的无线频谱资源。多址通信带来的问题是需要减小用户间的干扰， 所以在进行脉冲波形设计时还要考虑脉冲的正交性，正交脉冲使多址通信、高数据率传输 得以实现。为了最大限度地提高能量效率，就希望设计的脉冲波形的频谱越接近f c c 的频 谱模板越好，这也是脉冲波形设计的目标之一。此外，由于发射天线对信号的影响可等效 于微分作用，所以要求设计的脉冲波形在微分作用下仍能保持良