（电磁场与微波技术专业论文）无线通信中的频谱兼容与干扰抑制关键技术研究.pdf

南京邮电犬学博士研究生学位论文 摘要 摘要 无线通信中的频谱兼容和干扰抑制是无线通信研究中的重要问题。 本文以超宽带系统为研究对象，研究了脉冲超宽带信号的频谱特性，对超 宽带系统与其他无线通信系统之间的频谱共存和干扰抑制技术进行了研究和分 析，通过软频谱适配方法进行了脉冲波形优化设计并作了仿真，研究了o f d m u w b 的串行干扰抵消技术。以上这些研究的目的是为了抑制干扰，实现频谱共 存。 论文的主要工作和贡献包括以下几个方面： 一、分析了f c c 的室内外u w b 通信系统频谱约束要求，对简单脉冲、调 制脉冲和组合脉冲等三类典型短时脉冲信号的时域和频域特性进行了研究，比 较了不同短时脉冲信号的优缺点，重点分析了高斯导数脉冲在室内环境中的传 播性能。 二、分析了基于p s w f 的u w b 脉冲优化设计，对p s w f 函数的多项式逼 近求解、数值求解以及近似解析求解做了研究，分别采用p s w f 数值解和近似 解进行了脉冲波形优化设计，并进行了大量的仿真，得到了一些有价值的结论。 三、研究了基于软频谱适配的脉冲波形优化设计方法，针对多带频率掩模 的情况，采用陷波技术进行了基于p s w f 脉冲的波形设计，对不同频率的陷波 情况进行了仿真。仿真结果表明，采用软频谱适配方法设计的脉冲均能很好地 避免干扰，实现频谱兼容和共存。 四、研究了高峰值传输速率时u w b 系统的多址性能，对一种o f d m 传输 方案进行了改进，提出了一种基于串行干扰抵消的两用户o f d mu w b 多址方 案。 论文的研究工作为无线通信系统的频谱兼容和干扰抑制提供了有效的方 法。 关键词：无线通信；频谱兼容；超宽带；脉冲波形设计；干扰抑制 南京邮电大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t t h es p e c t r u mc o m p a t i b i l i t ya n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na r ei m p o r t a n tp r o b l e m si nt h er e s e a r c ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h eu w bs y s t e mi st a k e na st h er e s e a r c ht a r g e ti nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fi r - u w bs i g n a li ss t u d i e d ，t h es p e c t r u mc o e x i s t e n c ea n d i n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nt e c h n i q u e s b e t w e e nu w ba n do t h e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r es t u d i e da n da n a l y z e d t h eo p t i m a lp u l s ew a v e f o r m d e s i g na n ds i m u l a t i o ni s c a r r i e do u tt h r o u g hs o f t - s p e c t r u ma d a p t a t i o n ，a n dt h e s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nt e c h n i q u eo fo f d mu w bi sa l s os t u d i e d t h e p u r p o s eo f a l lt h ea b o v er e s e a r c h e si st os u p p r e s si n t e r f e r e n c ea n da c h i e v es p e c t r u m t h em a i nw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h ef c c s i n d o o ra n do u t d o o rs p e c t r u mm a s kr e s t r i c t i o no fu w b c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s a n a l y z e d ，t h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so ft y p i c a ls h o r t - t e r mp u l s e ss u c ha ss i m p l ep u l s e ， m o d u l a t e dp u l s ea n dc o m b i n e dp u l s ea r es t u d i e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fv a r i e ds h o r t t e r mp u l s e sa r ec o m p a r e d ，s p e c i a le m p h a s i sh a sb e e ng i v e nt ot h e a n a l y s i so ft h ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c eo f g a u s s i a nd e r i v a t i v ep u l s ei nt h ei n d o o r e n v i r o n m e n t 2 t h eo p t i m a lu w b p u l s ed e s i g nb a s e do np s w f i sa n a l y z e d ，t h es o l u t i o n so f p s w f t h r o u g hp o l y n o m i a la p p r o a c h ，n u m e r i c a l m e t h o da n d a p p r o x i m a t e c l o s e d f o r ma r es t u d i e d ，a n da l s ot h eo p t i m a lp u l s ew a v e f o r md e s i g ni sc a r r i e do u t b yu s i n gn u m e r i c a la n da p p r o x i m a t es o l u d o no fp s w f v a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r e d r a w nw i t hal o to fs i m u l a t i o n s 3 t h eo p t i m a lp u l s ew a v e f o r md e s i g nm e t h o db a s e do ns o r - s p e c t r u m a d a p t a t i o ni ss t u d i e d ，w a v e f o r md e s i g nb a s e do np s w fp u l s ei sc a r r i e do u tb y a d a p t i n gt h ef r e q u e n c yn o t c h e dt e c h n o l o g ya i m i n ga tm u l t i - b a n df r e q u e n c ym a s k ， a n ds i m u l a t i o n sa r ca l s oc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ov a r i e dn o t c h e df r e q u e n c y 1 1 1 南京邮电大学博士研究生学位论文a b s t r a c t s i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ep u l s ed e s i g n e db yu s i n gs o f t s p e c t r u m a d a p t a t i o n m e t h o dc a l la v o i di n t e r f e r e n c ev e r yw e l la n da c h i e v es p e c t r u mc o m p a t i b i l i t ya n d c o e x i s t e n c e 4 t h em u l t i a c c e s sp e r f o r m a n c eo fu w b s y s t e mw i t hh i g hp e a l ( d a t ar a t e si s i n v e s t i g a t e d i np a r t i c u l a r , a ne x i s t i n go f d mt r a n s m i t t i n ga p p r o a c hi su p g r a d e d ，a n o f d mu w bm u l t i a c c e s ss c h e m eb a s e do ns u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni na t w o b s e rc a s ei sp r o p o s e d t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht ot h ep r o b l e m o fs p e c t r u mc o m p a t i b i l i t ya n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni nw 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 k e y 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 ；s p e c t r u mc o m p m i b i l i t y ；u w b ；p u l s e w a v e f o r md e s i g n ；i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n i v 南京邮电大学 博士学位论文摘要 学科、专业：工学、电磁场与微波技术 研究方向：无线通信与电磁兼容 作者：陆音 指导教师：朱洪波教授博导 题目：无线通信中的频谱兼容与干扰抑制关键技术研究 英文题目：k e yt e c h n i q u e sr e s e a r c ho ns p e c t r u mc o m p a t i b i l i t ya n d i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 主题词：无线通信；频谱兼容；超宽带；脉冲波形设计；干扰抑制 k e y 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 ；s p e c t r u mc o m p a t i b i l i t y ； u w b ；p u l s ew a v e f o r md e s i g n ；i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n 本论文得到以下基金项目资助： 1 国家自然科学基金重点项目( 6 0 4 3 2 0 4 0 ) ：超宽带高速无线接入理论 与关键技术 2 国家自然科学基金面上项目( 6 0 5 7 2 0 2 4 ) ：脉冲通信系统的频谱特性 与电磁兼容性研究 3 教育部博士点基金项目( 2 0 0 5 0 2 9 3 0 0 3 ) ：脉冲无线电通信的基础理论 与关键技术研究 4 江苏省自然科学基金项目( b k 2 0 0 2 0 3 1 ) ：无线电频谱资源管理工程 的电磁兼容性研究 南京邮电大学博士研究生学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和课题来源 无线通信是2 1 世纪全球信息产业最重要的发展领域之一，它具有跨越时空进 行信息沟通的灵活性，以及全球无缝隙覆盖的特性，从而成为最具吸引力的通信 方式之一。随着经济社会的发展，人们对移动通信及宽带无线接入业务的需求日 益提高。下一代无线通信技术要求在全球范围内实现无缝覆盖，同时可以进行语 音、文本、图像、视频等在内的高速多媒体通信和遥测、成像、定位等中低速感 知业务。伴随着无线通信技术的快速发展，无线频谱资源日趋紧张。目前各国无 线电管理部门主要采用的是固定频率分配机制，这加剧了频谱资源利用的不均衡 性。为了提高频谱利用效率，2 0 0 2 年1 1 月美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 发布了频谱政策特别工作组报告，该报告指 出：在许多频段上频谱接入是比频谱物理稀缺更重要的问题，如果对城市及乡村 偏远地区进行无线电频谱扫描，就会发现某些频段在大部分时间里是空闲着的， 一些频段只是偶尔会被占用，其他剩余频段则被过度使用，如图1 1 所示【1 ，2 j 。频 段的分配利用在时空上的变化范围从1 5 到8 5 不等，某些频段如蜂窝网络的频 谱是超负荷的，但是诸如业余无线电等其他频段却并没有得到充分的利用【3 j 。 e l 、【锵h e a v v0 s p a r s e ：s e m e d i h mu l llilr j 氮卜。i iii j墟l 南京邮电人学博：= 研究生学位论文第i 章绪论 业的热门话题之一，其主要思想是与现有无线通信系统共享可用的频谱资源，提 高系统的频谱利用率。 超宽带技术可以向前追溯到一百多年前的越洋无线电报时代，马可尼发明的 火花隙发射器发射的信号占据了很宽的频带。现代意义上的超宽带无线电出现于 上世纪6 0 年代，又称作为冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 技术。在冲激无线电 技术出现后的很长一段时间内，该技术仅限于军事、救灾、定位、测距等应用方 面。1 9 7 8 年，r o s s 在i e e e 期刊“时域电磁学 的文章里对超宽带作了比较全面 的阐述，介绍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、 相关的天线技术和基带雷达技术等i l 。由于超宽带系统能够与其他现有窄带系统 共享频谱资源，从上世纪8 0 年代开始，随着频谱资源的日益紧张以及人们对于高 速通信的日益需求，超宽带技术开始应用于无线通信领域中。s c h o l t z 在文献【5 】 中详细综述了“冲激无线电”技术的应用以及该技术的优缺点。s c h o l t z 认为在同 一个区域内冲激无线电系统可以容纳大量的用户，而且这种冲激无线电超宽带信 号具有比窄带信号更强的抗多径能力，因而使得超宽带技术在无线通信中开始受 到广泛关注。超宽带技术在历史上还有一些其他名称，如冲激雷达、基带脉冲、 无载波技术等，这是因为早期的超宽带信号通常是不采用正弦载波调制的窄脉冲。 超宽带通信利用p s 甚至i l s 级的非正弦波窄脉冲传输数据，具有很高的时间 分辨率和很强的抗多径干扰性能，其最大数据传输速率可以达到几百m b p s ，所 占的频谱范围很宽，高达g h z ，这与此前的无线通信截然不同。f c c 对于u w b 信号的定义为信号带宽与中心频率之比即相对带宽大于2 5 ，或者是信号绝对带 宽大于5 0 0m h z 的信号l l ，同时要满足f c c 对于功率谱密度的限制要求。由于 u w b 的带宽非常宽，因此产生了u w b 与其它无线系统的频谱兼容性问题。 2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 发布了超宽带无线通信的初步规范，正式解除了超 宽带技术在民用领域的限制。在随后于4 月召开的会议中，f c c 明确了u w b 的 设计提案和规范，规定u w b 技术不能干扰已存在或是计划部署的无线系统，特 别是为安全服务的通信系统。这是超宽带技术走向商业化的一个里程碑，极大地 激发了相关学术研究和产业化进程。由于超宽带技术包含了任何可以使用超宽带 频谱的通信方式，超宽带信号在频域上覆盖了很宽的频带，包括现存的大多数无 线通信系统的工作频段，因此在超宽带技术的发展过程中，f c c 等有关组织对超 2 南京邮电大学博士研究生学位论文第l 章绪论 宽带系统的频谱作出了十分严格的规定，以避免对现有通信系统产生可能的干扰。 为了确保u w b 设备与其他无线通信设备共存而又不相互干扰，f c c 为u w b 设 备建立了三类不同的技术标准和操作规范，其中通信与测量系统的主要规范要求 u w b 系统的带宽限制在3 卜1 0 6g h z 的频带内，对相应的发射功率谱密度作出 了比f c cp a r t1 5 2 0 9 更为严格的限制，将其有效全向辐射功率限制在- 4 1 3 d b m m h z 以下。目前允许的超宽带应用中，大多数采用的是经过载波调制的信 号，或者通过波形设计以及滤波等处理后频谱符合有关要求的信号。 近年来，i t u r 研究组、欧洲电信标准组织( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s d a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 开展了对u w b 系统架构及频谱兼容的研碰1 2 。4 】。日 本和韩国也对u w b 相关规范进行了研究，并提出了本国u w b 发射标准的初步 建议【1 5 6 1 。中国和新加坡等多个国家和地区也先后发布了超宽带设备的频谱使用 规范。各国u w b 室内外频谱使用规范如图1 2 所示。 f 憎曝地r 印j n o i - i zf t 删 l e y 虮g h z 图1 2 各国u w b 室内外频谱使用规范 由于美国f c c 的功率谱规范发布得最早，而且也是国际上研究人员研究的重 点，所以很多研究人员均以f c c 的规范作为研究的参考依据。按照频谱使用规范 的要求，超宽带设备虽然占用很宽的频带，但为了保证不对现有窄带系统造成干 扰，其峰值功率谱密度却被限制得非常低。以f c c 的频谱使用规范来计算，即使 占满7 5g h z 的整个带宽，超宽带设备的发射功率也要小于l m w 。因此，为了有 效提高接收端的信噪比，降低接收机的设计难度，超宽带系统对于脉冲波形设计 提出了较高的要求。 目前，各国学者对于超宽带系统与现有窄带系统频谱兼容的研究主要集中在 u w b 脉冲波形优化设计盼1 9 1 、u w b 与窄带系统干扰分析2 0 彩1 以及u w b 系统收发 信机的设计与优化上1 2 4 。2 9 1 。 3 南京邮电大学博士研究生学位论文第i 章绪论 固定频谱分配政策在过去是非常有效地避免干扰以及规范频谱使用的手段， 但是伴随着高数据速率业务需求的增长，可供使用的频谱资源变得越来越少，如 果仍然采取固定分配的方式，将极大地阻碍无线通信技术的发展。为了解决一方 面可以使用的频谱资源越来越匮乏、另一方面很多频谱资源并没有有效利用这一 矛盾，1 9 9 9 年，j o s e p hm i t o l a 提出了基于动态频谱接入的频谱感知“认知无线电 的概念【3 0 】，打破原有的固定频谱分配政策，允许第二用户通过实时频谱感知技术， 找到那些没有被法定用户使用的频谱资源并加以利用，从而有效提高频谱的利用 率。 2 0 0 0 年，m i t o l a 在他的博士论文“c o g n i t i v er a d i o ：a ni n t e g r a t e da g e n t a r c h i t e c t u r ef o rs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 中提出了一种c r 的体系架构和c r 的循环 认知模型，并在论文最后提出了一种简单的c r 原型系统的设计实现【3 1 1 。对于认知 无线电的定义，f c c 强调认知无线电是具有感知能力的无线通信系鲥3 2 1 ，感知能 力即指无线电从无线环境中感知捕获信息的能力；这种能力不单纯是指功率监控， 而是包括了识别捕获无线电环境的时空变量，由此选择最佳频段和适当的操作参 数这样的能力；而s i m o nh a y k i n 和t h o m a s 将认知无线电的定义集中于认知无线电 的可重配置功能1 3 3 , 3 4 1 方面：可重配置即指无线电根据无线环境变化动态编程的能 力。认知无线电是一个智能的无线通信系统，它能够在不影响主用户的前提下智 能地利用空闲频谱并且实现随时随地、高可靠性地进行通信。数字信号处理、人 工智能、软件无线电、功率控制等技术的迅猛发展使得认知无线电系统的实现成 为可能。 般而言，不同用户对同一频谱资源的共享有三种模式：竞争使用，协作使 用，基于认知的使用。竞争使用模式在信息理论中已经得到充分研究，协作使用 尚研究不多，而基于认知的使用无论是研究还是应用则刚刚开始。将认知无线电 技术引入到u w b 系统的频谱兼容研究中，利用频谱感知技术提高频谱利用率和使 用灵活性，能够更加有效地抑制窄带干扰，实现与其他系统更好的共存。目前， 认知超宽带( c o g n i t i v eu l t r a - w i d eb a n d ，c u w b ) 系统的研究已经成为u w b 技术 后续研究的一个主要方向f 3 5 。j 7 】，这与u w b 技术及系统本身所具有的特点有关。首 先，u w b 系统与周围窄带系统之间存在着频谱兼容问题，利用认知无线电技术来 实现协作共存策略对于u w b 的大规模推广有很大帮助。其次，u w b 要求在满足一 4 南京邮电人学博上研究生学位论文第i 章绪论 定的频谱掩模要求下实现与传统的窄带非认知无线设备的共存，符合c r 相关要求。 国内对u w b 无线电通信系统和认知无线电的研究起步较晚，近年来，国家8 6 3 计划和国家自然科学基金开始立项支持这方面的研究。在国家自然科学基金委员 会2 0 0 4 年度项目指南的拟资助重点项目中，信息科学学部共列出6 项课题， “超宽 带高速无线接入理论与关键技术 是其中项。该课题提出5 项具体研究内容，分 别为：( 1 ) 超宽带小型化天线，及其与收发前端的联合优化设计理论；( 2 ) 超宽 带信号的传播特性，特别是在室内密集多径环境下的传播特性：( 3 ) 高性能接收 系统的理论与技术；( 4 ) 超宽带系统与其他通信系统的频谱共存、兼容技术；( 5 ) 基于超宽带技术的通信网络协议。该课题由哈尔滨工业大学、南京邮电大学和桂 林电子工业学院联合组成的研究团队获得，本人作为项目组成员，主要参与超宽 带系统与其他通信系统频谱共存、兼容部分子课题的研究。国家8 6 3 计划在2 0 0 5 年 首次支持了认知无线电关键技术的研究。目前的研究课题主要集中于认知无线电 系统的跨层设计技术、空间信号检测和分析及q o s 保证机制等。国家9 7 3 项目在2 0 0 7 年支持了认知协同与网络容量优化理论的研究课题，研究内容包括网络资源感知、 异构融合与网络协同、无线网络资源优化配置以及频谱与容量理论等方面内容。 该课题由清华大学和南京邮电大学等高校组成的研究团队共同获得，本人作为项 目组成员参与了课题的研究。 从上述课题研究背景可知，超宽带系统与窄带系统之间的频谱兼容以及认知 无线电的研究内容是相当丰富，也是充满挑战的。论文的研究内容得到了国家9 7 3 计划项目课题( 2 0 0 7 c b 3 1 0 6 0 7 ) “认知协同与网络容量优化理论 ，国家自然科学 基金重点项目( 6 0 4 3 2 0 4 0 ) “超宽带高速无线接入理论与关键技术 ，国家自然 科学基金项目( 6 0 5 7 2 0 7 5 ) “脉冲通信系统的频谱特性与电磁兼容性研究 以及 教育部博士点基金项目( 2 0 0 5 0 2 9 3 0 0 3 ) “脉冲无线电通信的基础理论与关键技术 研究 的资助。 1 2 国内外研究现状 目前u w b 无线通信系统主要有单频带和多频带两种体制。单频带体制以冲 激无线叫4 卅，又称脉冲无线电( p u l s er a d i o ) 最为典型，采用持续时间非常短的 脉冲波形来代替传统传输系统的载波，相对于传统的通信技术将信号从基带调制 5 南京邮电大学博士研究生学位论文 第l 章绪论 到载波上，脉冲u w b 通信技术则是通过对具有很陡的上升和下降时间的时域窄 脉冲进行直接调制，并发送出去，这样单周期超短窄脉冲( 脉宽一般为o 2 一1 5 n s ) 就决定了信号具有g h z 量级的带宽。同时，脉冲宽度的降低更有利于对抗多径干 扰和实现高精度测距定位。调制载波的多带超宽带形式大多采用正交频分复用 ( 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 f d m ) 技术，其接收信号处理方 法与一般通信系统采用的方法相类似【3 8 矧，而窄脉冲u w b 系统直接在射频段处 理基带问题，存在较多的研究课题4 0 4 2 1 。 除非特别说明，本论文中的“超宽带 都是指基于窄脉冲实现的超宽带，即 冲激无线电系统。由于冲激无线电系统采用窄脉冲作为携带信息的载体，因此脉 冲波形应该满足什么要求、何种脉冲波形能够最好地满足要求、如何设计得到这 些满足要求的脉冲波形就成为超宽带系统的一系列关键问题。根据美国、日本、 欧盟以及中国等多个国家和地区先后发布的超宽带设备的频谱使用规范，一方面， 超宽带系统对于脉冲波形提出了具有较高功率利用率的要求，另一方面，又对脉 冲波形提出了如下要求：得到多个相互正交的脉冲波形以实现正交多址接入或者 是正交波形调制；能够在发射端对由天线引起的失真进行预补偿以进一步提高接 收端的信噪比；能够实现动态频谱接入以降低窄带系统对超宽带系统的干扰；脉 冲波形设计方法易于实现以降低收发信机的复杂度等。 在研究超宽带系统频谱兼容性问题的时候首要考虑的是超宽带系统是一个功 率受限制的系统，而不是传统意义上频带受限制的系统。因此，超宽带系统的应 用首先要遵守其平均功率谱密度不能高于有关规定，但为了保证超宽带系统本身 的可靠通信，必须保持一定的传输功率。为此，应该考虑在一定发射功率的情况 下，对超宽带信号的功率谱进行优化设计，使得其平均功率谱密度在满足一定指 标要求下尽可能低以满足共存性的需要，同时满足可靠通信。超宽带信号的频谱 范围及成分特性对于u w b 通信系统的设计起着举足轻重的作用，有关超宽带信 号功率谱的研究显得十分重要。 对超宽带信号的功率谱密度的研究是基于随机理论进行的【4 3 4 7 1 。早期的研究 集中在对于理想同步的脉冲信号的功率谱密度进行分析，理想同步的脉冲信号是 指固定的时间延迟，固定的发送时间间隔，采用简单的脉冲波形发送固定统计规 律的数据信号。文献 4 3 】分析了非理想带有时间抖动脉冲序列的功率谱密度 6 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y , p s d ) 的估计，文献【4 4 】采用非周期平稳假设进行了单用 户跳时扩频信号的频谱分析，文献 4 5 】推导并给出了带有时l h j 抖动的m 进制脉冲 序列的p s d 函数的通用表达式。文献 4 6 1 分析了不同脉冲波形对功率谱密度的影 响。文献【4 7 】对于满足f c c 要求下的跳时u w b 信号的功率谱密度以及伪随机序 列的影响进行了研究。 在脉冲超宽带系统中，对于脉冲波形的选择非常重要。但是，如何判断脉冲 波形的好坏却一直没有定论，因此在波形设计方面一直没有太大进展。直到2 0 0 2 年美国f c c 发布了对于超宽带系统所使用频段的报告，才使得众多研究脉冲波形 设计的学者找到了努力的方向。该报告批准超宽带设备可以非许可地使用频段， 只要该设备的发射功率谱密度满足给定的功率谱规范许可。 人们研究了采用高斯脉冲、r a y l e i g h 脉冲以及它们的高次阶脉冲来设计满足 f c c 频谱掩模要求的u w b 信号，但是其能量主要集中在某段频谱上，频谱效率 不高。高斯脉冲的能量聚集在低频段，而为了有效辐射，馈送给天线发送的脉冲 应该满足一个基本要求，即无直流分量，因此又提出了利用高斯函数的各阶导函 数作为发送的基本脉冲。文献【4 8 】分析了采用不同阶高斯导函数对多径条件下超 宽带系统性能的影响，但是该文所采用的高斯函数没有考虑符合f c c 的规范。文 献 4 9 】提出通过调整导函数的阶数刀、频率值尼和时间一尺度因子j r 来满足f c c 规 范的脉冲波形。解决高斯函数主要能量集中在低频端的另外一个方法是将其通过 载波进行搬移，因此在高斯函数的基础上，文献【5 0 】提出了利用调制高斯脉冲的 叠加来实现频谱的设计。但仅仅采用迭代运算的方法所得到脉冲的功率谱密度并 不能很好地逼近f c c 规范，因此不能提供很高的功率利用率。而采用最小均方误 差准则的方法虽然可以得到较高的功率利用率，但是在有些频段处却超出了f c c 规定的功率谱规范，因此需要进一步修正才能应用。由于使用高斯导函数的方法 所得到的满足f c c 功率谱规范的波形较少，因此文献 5 1 】提出了一种基于瑞利脉 冲的波形设计方法。 正交h e r m i t e 脉冲是超宽带系统中一种常见的正交波形集合，由h e r m i t e 多 项式和高斯函数的乘积构成，有的文献称之为h e r m i t e g a u s s i a n 函数【5 2 】。由于普 通h e r m i t e 多项式并不具有正交性，需要对其进行修正，得到正交的h e r m i t e 脉 冲。大多数文献在提到正交h e r m i t e 脉冲时都假定对应于不同的刀值，脉冲持续 7 南京邮电大学博上研究生学位论文 第1 章绪论 时间和频域带宽是近似相同的。但是实际上，随着 值的增加，正交h e r m i t e 脉 冲的时域持续时间是逐渐增加的，而频谱宽度也是随着阶数的增加而逐渐增加的， 这将影响正交h e r m i t e 脉冲的频谱利用率。为了克服这一不足，文献【5 3 】提出利用 幂函数的带核s c h m i d t 正交化方法设计得到时域持续时间和频域带宽近似相似的 正交波形。 在脉冲超宽带系统中希望在给定的带宽内脉冲波形具有最小的时域持续时间 以降低码间干扰以及提高数据传输速率，文献 5 4 5 6 提出了基于扁长椭球波函数 ( p r o l a t es p h e r o i d a lw a v ef u n c t i o n s ，p s w f ) 的脉冲设计方法。由于难于找到该函 数的闭合表达形式，采用离散化的方法得到离散形式的数值解。除了可以实现满 足f c c 规范的脉冲波形以外，一些文献也提出了利用p s w f 来实现满足动态频谱 接入要求的波形。文献 5 7 6 6 】将p s w f 函数与软频谱适配( s o f t s p e c t r t t m a d a p t a t i o n ，s s a ) 概念相结合，设计出了在3 1 - 5 6g h z 频段内不同阶数的p s w f 波形，证明了p s w f 可以应用于认知超宽带系统中，通过设计合适的脉冲波形来 解决u w b 系统与同频段共存的其它窄带通信系统间的相互干扰问题。文献 6 7 】 则给出了对应于不同中心频率、带宽为5 0 0 m h z 的正交脉冲波形集合以及中心频 率相同，带宽分别为1 5g h z 、2g h z 、2 5g h z 和3g h z 的四种p s w f 波形。文 献 6 8 给出了基于p s w f 的陷波波形设计，并分别设计了单一频点和对称双频点 的陷波波形。文献 6 9 7 1 提出了基于认知超宽带无线电的自适应波形，以期可以 在多个干扰频带的同时陷波。但是，由于p s w f 本身的功率利用率不是很高，因 此利用其设计得到的满足动态频谱接入要求的波形功率利用率也不会很高。当考 虑陷波时，脉冲持续时间取决于支撑频段最小的那个脉冲，这样会大大增加脉冲 的时域持续时间，从而增加多径干扰以及多用户干扰，而且陷波的深度也是不可 以控制的。 文献 7 2 7 3 提出采用陷波设计来规避系统间干扰的问题。文献【7 2 】给出了带 陷滤波器的设计，并结合u w b 脉冲波形进行了讨论。但是采用带陷滤波器也会 给系统实现造成额外的开销，更为直接的方法是在超宽带天线上实现带陷功能。 文献 7 4 7 5 中提出了一种超宽带天线实现带陷功能的方法。文献【7 6 】设计了一种 具有陷波功能的u w b 脉冲波形。 p a r k s m c c l e l l a n ( p m ) 算法是将滤波器设计的思想引入到波形设计中来，所 8 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 得脉冲的功率利用率相比于前面所提到的几种方法要更高一些。由于该算法是基 于最大最小意义下的最优，最终得到的波形是以最大逼近误差最小为准则的，这 与最小均方误差算法相似，在某些频率点上得到的功率谱会超出f c c 规范的限 制，因此需要在所得功率谱的基础上进行整体的向下平移才能得到满足f c c 规范 的脉冲波形【7 7 1 。文献【7 8 】提出了利用相位迭代的方法获得多个具有高功率利用率 的正交波形，同样采用滤波器设计思想的半正定规划算法来解决波形设计的问题。 国内的一些学者，特别是朱洪波教授团队的研究人员近年来在脉冲波形设计 方面也进行了广泛的研究，取得了较丰富的成果。 文献 7 9 8 1 采用不同阶数高斯导函数的线性组合进行脉冲设计。以满足f c c 辐射掩模为前提，采用两次迭代的方法逐步对脉冲波形参数进行优化，设计了一 种低复杂度、能够最大限度提高u w b 系统辐射功率的u w b 信号。采用函数逼 近的思路，通过多个不同阶数高斯导函数的线性组合，使得其p s d 逼近f c c 辐 射掩模。波形形状增加了一个自由度e ，作为各阶导函数的权向量，给波形设计 带来了很大的灵活性。该算法可根据系统要求，合理增加自由度，使得波形设计 更加灵活。还可通过选择合适的终止条件，达到在某特定频段实现陷波等特性， 实现方便。 文献 8 2 8 4 提出了一种新的改进型h e r m i t e 函数脉冲设计方法，采用该方法设 计的波形克服了修正h e r m i t e 脉冲含有直流分量的缺点，无需经过滤波和频谱搬移 直接满足f c c 频谱限制的要求；并且具有正交、脉宽可调、中心频率可控，微分作 用下保持恒定带宽等重要特性。同时，针对不同步、定时追踪以及收发间的相对 速率等因素所引起的时间抖动的客观存在，从理论上推导出时间抖动存在下系统 性能曲线的数学表达式，指出系统抗时间抖动性能主要取决于脉冲函数的自相关 特性之间的关系。结果表明当时间抖动不是很严重的情况下，新的高阶改进型 h e r m i t e 脉冲在相同的环境下相比于低阶改进型h e r m i t e 脉冲以及s c h o l t z 脉冲具有 更优的抗时间抖动性能并能有效地降低符号间干扰。 文献 7 6 ，8 5 8 7 提出了在变换域( 频域) 中设计最佳脉冲波形的方法。结合 u w b 系统的工作特点，对信道中信号的频谱特性进行分析，在变换域( 频域) 中设计出最佳脉冲波形，使得与周围电磁环境中含有干扰的变换域相互正交，从 而有效地避歼干扰。通过对环境的周期性重复采样，可使得u w b 成为一个自适 9 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 应抑制干扰的通信系统。仿真结果表明，设计的自适应抑制干扰脉冲比通常使用 的s c h o l t z 脉冲的性能更优，抗干扰能力更强。且此方法不需要在整个频段内降低 u w b 脉冲的功率谱密度，为提高u w b 脉冲发射功率，增大u w b 系统的通信距 离，提供了一种灵活易行的参考型方案。将t d c s ( 变换域通信系统) 技术的思 想应用到u w b 系统中，通过对系统周围电磁环境的谱估计得到干扰系统的工作 频点，从而灵活设计u w b 发射基本脉冲波形。这在解决u w b 系统的频谱共享 和系统共存问题上是一个技术创新。 文献【8 8 】提出了一种改进的h e r m i t e 函数脉冲设计方法，所设计的脉冲波形具 有正交性和不随阶数变化的恒定脉宽两个重要特性，从而提供了良好的防时间抖 动性能并有效降低符号间干扰；为了评估相关接收机的性能，对设计脉冲信号的 自相关和互相关函数的闭合表达式进行了推导；分析了跳时脉位调制超宽带系统 中脉冲波形在加性高斯白噪声、多址干扰、多径衰落信道等多种环境下的误码率 性能，探讨了时间抖动对系统性能的影响，并将仿真结果与高斯单周期脉冲进行 比较。分析结果表明该脉冲设计方案提供了一种灵活而系统的超宽带脉冲设计方 法，所设计脉冲既满足辐射功率谱限制又提供良好的系统误码性能。 文献【8 9 】提出了采用不同高斯波形的最佳叠加方法进行脉冲设计。基于高斯 波形叠加，通过非线性优化算法给出的优化波形，形式简单，便于物理实现，但 设计中要克服非线性优化算法的局部解缺点。基于滤波方法设计的脉冲波形，具 有方法简单和脉冲波形的特性可由时域参数控制的特点，既可以照顾到频谱利用 率又可以照顾到波形的时间持续特性，通过参数的适当选取可以给出更为理想的 波形。设计举例表明了这些方法的有效性。 文献【5 3 】提出了基于幂函数的带核s c h m i d t 正交化方法，给出一类可用于多元 调制超宽带无线通信系统的正交脉冲波形。这类正交脉冲波形克服了h e r m i t e 正 交脉冲波形持续时间长短不一致的缺点，且在频域上有比h e r m i t e 正交脉冲波形 频谱利用率更高的特点。 文献 9 0 9 2 提出了一种基于近似扁长椭球波函数( a p s w f ) 的脉冲设计方法， 分析了p s w f 函数的近似解，提出了用a p s w f 函数进行脉冲波形设计的方法。 a p s w f 函数具有简单明确的数学表达式，且将带宽与脉宽有机地结合起来，通 过调整带宽与脉宽的数值，可以设计出不同脉宽与带宽的脉冲波形，这对多带 1 0 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 o f d m 的脉冲设计十分有用。仿真表明用其设计的脉冲功率谱符合f c c 频率掩 模的约束要求。当频率掩模发生变化时，可方便地调整参数以产生新的脉冲。 1 3 论文结构与安排 在u w b 系统与其他窄带无线通信系统频谱兼容和干扰抑制研究的基础上， 根据目前的研究基础，论文的研究工作集中体现在脉冲超宽带信号的频谱特性及 解决超宽带系统与窄带系统频谱共存的方法上。论文的工作是通过理论分析和仿 真完成的，全文共分六章，具体内容及章节安排如下； 第一章详细介绍了论文研究工作的背景，具体阐明了研究工作的意义以及国 内外研究现状。第二章作为全文的基础，对于典型短时脉冲信号的时域和频域特 性进行了深入研究，研究了在满足f c c 频谱掩模要求的前提下设计u w b 脉冲波 形的方法，同时分析了高斯导数脉冲在室内环境中的传播性能。第三章研究了基 于p s w f 的u w b 脉冲优化设计，分别采用p s w f 数值解和近似解析解进行了脉 冲波形优化设计，对设计的脉冲波形进行了时域和频域仿真，并对结果进行了分 析讨论。第四章研究了软频谱适配频谱兼容技术，讨论了脉冲波形优化设计原则， 对软频谱适配脉冲设计方案和算法进行了介绍，对基于p s w f 的脉冲多址和调制 方案进行了分析，采用软频谱适配方法针对多带情况下的频率掩模进行了脉冲波 形陷波设计，对陷波波形进行了频谱仿真和分析讨论。第五章研究了高峰值传输 速率时u w b 系统的多址性能，对一种干扰抑制的o f d m 传输方案进行了改进， 提出了一种基于串行干扰抵消的两用户o f d mu w b 多址方案。最后一章系统地 总结了论文的主要工作，归纳出主要创新点，提出了后续工作的研究方向和目标。 在全文的研究工作中，主要算法的仿真验证均在仿真工具软件m a t l a b 上完 成。 1 4 参考文献 【i 】d j s c h a e f e r w i d ea r e aa d a p t i v es p e c t r u ma p p l i c a t i o n s c i e e em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s c o n f e