（通信与信息系统专业论文）超宽带多址系统性能分析及接收机的设计.pdf

南京邮电人举硕：l ：研究生学位论义 摘要 摘要 超宽带脉冲无线传输技术是国际上最近几年正在蓬勃兴起的一稀无线透信麴革命性 传输技术。由于其优良独特的技术特性，可缓解日益紧张的频带资源需求，非常适合室内 复杂多径环境下高速无线局域网的应用，并且芷越来越受到通信学术界和产业界的重视， 必将获得闩益广泛的应用。但是当超宽带系统中用户数较多时，多址干扰将成为抑制系统 性能的重要因素。而传统的r a k e 接收机作用于多用户系统中时，其误码性能会随用户数 的增多而明显恶化。嚣此如何有效抑制超宽带系统孛的多址干扰成为超宽带系统中的关键 技术之一，而接收机的设计成为抑制多址干扰的重要组成部分。 本文首先介绍采用不同调制方式的超宽带系统，并分析多址干扰对系统备方面性能的 影响，进而比较两种调制方式抗多址干扰的能力；然后贪绍多用户检测技术的基本原理及 几种常用的多用户检测算法，并对超宽带系统中r a k e 接收机的误码性能进行了理论推导， 在此基础上将相关文献所提出的隐序列的概念应用到r a k e 接收机的加权系数探测中，并 给出具体的数学模型，通过数学分析表明了该方法可以有效的解决大量发送训练序列造成 的频谱资源紧张问题，从而提高频谱资源利用率；之后文中提如一种可以有效抑制多址干 扰的改进的接收机模型，并进行了性能仿真，仿真表明这种接收机的抵抗多址干扰的能力 明显优于传统r a k e 接收机。文章的最后作了总结，对有待进一步研究的问题做了归纳。 南京邮电人学硕士研究生学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n di sa t e c h n o l o g yr e l a t e d 瓤氇w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt h a th a sb e e nt h r i v i n gi n t h er e c e n ty e a r s o w i n gt oi t sd i s t i n c t i v eq u a l i t yf e a t u r e s ，i tc o u l db eu s e di nr e l i e v i n go ft h e g r e a td e m a n df o rf r e q u e n c yr e s o u r c e s f u r t h e r m o r e , m o l ea n dm o r ec o n c e n t r a t i o ni sp a i do ni t 。 w i t hal a r g en u m b e ro fa c t i v eu s e r s ，m a ib e c o m e sat h r e a tt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e f a c e d 晰t hm u l t i u s e rc o n d i t i o n ，p e r f o r m a n c eo fr a k er e c e i v e rd e g r a d e sg r e a t l y a sar e s u l t ，t h e d e s i g no f r e c e i v e ri st h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yi nd e a l i n g 蜮mm a ii nt h eu w b s y s t e m f i r s to fa l l ，u w bs y s t e me m p l o y i n gd i f f e r e n tp a t t e r n so fm o d u l a t i o n ，s u c ha sd sa n dt h u w bi si n t r o d u c e d , a n dt h e nt h eb a s i cp r i n c i p l ef o rm u l t i u s e rd e t e c t i o ni sd e s c r i b e d 诚氇s o m e c o m m o na l g o r i t h m sf o ri t ，a n dt h eb e rp e r f o r m a n c ef o rr a k er e c e i v e ri nu w bs y s t e mi s d e r i v e dw 氇m a t h e m a t i c a lf o r m u l a s n e x t , m a k i n gu s eo ft h ec o n c e p to f h i d d e ns e q u e n c e ” p r o p o s e di nat h e s i s , an o v e ls u g g e s t i o nf o rd e t e c t i o no fc o e f f i c i e n to ft h er a k er e c e i v e ri s p r o p o s e ds oa st os o l v et h ep r o b l e m ，w h i c h ，t r a i n i n gs e q u e n c eo f t e nl e a d st oaw a s t eo f f r e q u e n c yr e s o u r c e s i nc h a n n e ld e t e c t i o na n di ti s j u s t i f i e d a n dd e m o n s t r a t e dh h r o u 馥 m a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o n s a saf u r t h e rs t e p ，am o d i f i e dr e c e i v e ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sa b l et o m i t i g a t eal a r g ea m o u n to fm a i ，a tt h es a l t l et i m e , s i m u l a t i o nr e s u l t sf i r eg i v e nt oj u s t i f yt h e p e r f o r m a n c ew h i c ho u t d o e sc o n v e n t i o n a lr a k ei nm u l t i u s e ru w be n v i r o n m e n t 。l a s tb u tn o t l e a s t ，s o m e t h i n gl o o k i n gf o r w a r dt om o r ep r o f o u n ds t u d yi sc o n c l u d e d 1 1 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 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： l 虱金日期：塑z ：鱼f 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：! 蜀坌 导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作 题 2 0 0 4 级研究生周金指导教师邵世祥 目：超宽带多址系统性能分析及接收机的设计 英文题目：p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fm u l t i p l ea c c e s sa n dt h ed e s i g n o fr e c e i v e rf o ru w bs y s t e m 主题词：超宽带直扩 多用户检测 b p s k跳时p p m多址干扰 r a k e 接收机 k e y w o r d s ： u w bd s b p s kt h - p p mm a i m u h i u s e rd e t e c t i o nr a k er e c e i v e r 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文 第一带绪论 第一章绪论 在过去二十年间，无线通信技术得到了长足的发展，然丽现代社会对各种无线通信业 务的要求增长迅猛。超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，简称u w b ) 脉冲无线传输技术是国际上最近 惩年正在蓬勃兴起的一种无线透信的革命性传输技术。出于其优良独特的技术特性，可缓 解日益紧张的频带资源需求，非常适合室内复杂多径环境下高速无线局域网的应用，并且 藏越来越受到通信学术界和产业界的重视，必将获得网益广泛的应用。 1 1u w b 背景与现状 超宽带通信可追溯到1 0 0 年前马可尼试验无线电遴信获得成功，这可看作早期的原始 的脉冲无线电。1 9 4 2 年，d er o s a 提交了随机脉冲系统的专利，但因为二战的影响直到 5 0 年代才予以发表。1 9 6 0 年以后，学术界才逐渐认识到用作无线传输和雷达的信号不一 定必须具有近似正弦函数的时阕变亿规律。超宽带信号在科学研究、仪器和检测领域在上 世纪6 0 年代开始应用，并在7 0 年代受到雷达信号处理领域的研究人员的关注。8 0 年代 通信领域的研究入员开始研制超宽带脉冲无线电通信系统，由于受到当时技术条件的限 制，未能得到快速的发展和广泛应用。9 3 年r 。a s c h o l t z 在国际军事通信会议发表的论文 论证了采用冲激脉冲进行跳时的多址技术，从而开辟了将u w b 脉冲作为无线电通信信息 载体的新途径，其具有的优越性使其网益受到重视。 超宽带信号的优异传输特性决定了它在军事安全领域的地位，所以在1 9 9 4 年以前 u w b 领域的早期研究，特别是冲激无线电通信领域的研究属予美国政府的机密计划。1 9 9 4 年以后，许多研究计划才取消了保密限制，加快了u w b 的发展速度。2 0 0 2 年2 月f c c 通 过了超宽带在民用领域应用的初步规范。2 0 0 3 年2 月f c c 又对该规范进行了确认。而且， 眦在此后一年至一年半内继续探讨u w b 的完善，著有可能进一步放宽超宽带应用标准值 方面的限制。 超宽带的研究涉及超宽带信号的产生、调制、辐射、传播、检测等诸多方面内容。目 前国外已研制出产品，例如英特尔公司在2 0 0 2 就宣布成功试制出了采用超宽带无线技术 的u w b 系统，系统最大数据速率为1 0 0 m b i t s ，通信距离为2 m ；2 0 0 3 年初，美国 x t r e 羯e s q e e t r u 擞展示了使用u w b 芯片组t r i n i t y 的无线传输系统，利用u w b 发送双路h d t v 信号，分别利用d l p 投影机和p d p 电视显示。 南京邮电火学硕上研究生学位论文第= 璧绪论 1 2 超宽带脉冲通信特点及应用 u w b 脉冲通信具有独特的优点： ( 1 ) 频带宽，传输速率高。超宽带脉冲信号和系统的频带极宽，一般在几百m h z 到几g h z 。 依据香农公式，系统的信息容量随带宽呈线性增长，置随着信嗓眈的增加里对数增长。 因为超宽带系统有极宽的带宽，因此非常适合高速率传输系统。比如，i e e e8 0 2 1 5 3 a 所建议的数据速率达到4 8 0 m b p s 。这与蓝牙系统的1 m b p s ，8 0 2 1 lb 的l1 m b p s 和 8 0 2 1l a g 的5 4 m b 系统相比是一个匿大的飞跃。 ( 2 ) 定位定时准确度高。这一特点使得r a k e 接收机技术在该系统中得以应用。r a k e 接收机通过均衡来自不同路径的信号来提高系统的性能。 ( 3 ) 功率小，功耗低。超宽带信号具有基地的辐射功率，且频带极宽，所以其功率谱密度 较低，使得超宽带通信系统具有低检测特性，不会对现有的常规通信系统产生不良的 干扰和影响，可与窄带系统实现共存，从焉使频带资源得到充分剥用。低功率又意味 着低功耗，非常适合移动通信设备的应用，大大降低对人体的有害辐射。 秘) 穿透力强。在具有褶同绝对带宽的无线逶信信号中，超宽带信号的频率分量最低，嚣 而它相对毫米波具有很强的穿透力。 综上所述，超宽带脉冲通信技术在下列领域其有缀大的发展能力：家庭和办公室等室 内高速多媒体无线网络，通过超宽带技术实现各个家电之间音视频多媒体信息的无限高 速传输；政府、军事、商业和个人的低截获检测概率通信；精确测聚合测高雷达：车辆 碰撞和障碍检测雷达：电子标牌；地瑟透视雷达；精确地理和地质定位系统；监视和入侵 检测系统等。 1 3 论文结构及意义 本文研究了超宽带系统中的多址技术，分别对多址干扰对d s 和t hu w b 系统性能 的影响作了深入讨论与比较：在此基础上引入了超宽带的多用户检测技术，在参考同行研 究成果的基础上，提出将隐序列技术应用于多用户r a k e 接收机进行信道探测以解决训练 序列造成频谱资源浪费的问题；最后提出了一种抑制多址干扰的多用户接收机。 全文分为七章： 第一章绪论，简单的介绍本课题的研究背景。 第二章介绍超宽带技术的基本概念，包括通信原理、调制方式等。 第三章研究跳时超宽带多址技术，分析多址干扰对系统各方蘸性能的影响。 2 煦塞堡垒盔堂堡：! ：型壅生堂丝竣壅 笙二黧堑堡 第四章研究直扩超宽带多址技术，并分祈多址干扰对系统各方面性能的影响。 第五章阐述多用户检测技术的基本原理及其在超宽带系统中的应用，特别引用了同行所 提出的隐序列的概念。 第六章分桥超宽带室内密集信道环境下r a k e 接收枧的性能，提出将隐序列应用到r a k e 接收机的信道探测中，并作出了频谱利用率的理论分析；最后提出一种新型干扰 抑制多用户r a k e 接收机，并进行性能仿真，证明该方法可以有效地抑制多址干 扰。 第七章对全文工作的总结以及展望。 3 南京邮电犬学硕士研究生学位论义 第章超宽带通信璀本原理 第二章超宽带通信基本原理 u w b 脉冲通信又称极窄脉冲通信( u l t r as h o r tp u l s e ) 、脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 等。u w b 脉冲通信和各种传统的无线透信孛基于信息对连续疆弦载波进行调制的传输技 术有着根本区别。在u w b 脉冲通信中，信息通过对超窄脉冲的位置、极性、相位或幅度 等参数进行调制来进行传输。 本章将对超宽带关键技术、通信原理及信道进行介绍，目的是为以后的研究与分析。 2 1 超宽带通信原理 依据美国联邦通信委员会( f c c ) 文件建议，超宽带信号可定义为其相对带宽大于2 0 或带宽大于5 0 0 m h z 。相对带宽的定义为 君，= 2 ( 磊- l ) 嶷( 磊+ 五) ( 2 。1 ) 厶和五分别表示1 0 d b 带宽的频率上界和下界。根据香农公式，通信系统的信道容量为： c = b l0 9 2 ( i + s n ) ( 2 2 ) 其中b 力信道宽度( h z ) ，s 力信号的平均功率( w ) ，n 为噪声平均功率( 聊。此式浼明；在 高斯信道中当传输系统的信噪比下降时，可用增加系统传输带宽的方法来保持信道容量不 变以实现信道内无差错通信。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大凡百倍甚至几千倍。 与超宽带脉冲逶信相比，扩频通信又是一种窄带通信体制，所以超宽带脉冲通信比扩频通 信的信道容量更大。香农还指出，在有限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳 信号是具有自噪声统计特性的信号，这是由予嵩斯自噪声理想的鸯稠关特性所决定的。 典型的超宽带通信系统如图1 所示。在发射端，输入数据流首先进行信源编码与调制； 信源编码的目的是增加信息的冗余度以减小错误概率。超宽带调制方式包括跳时和直扩两 种。调制后的信号与脉冲叠加，并送至发射天线进行射频发射。经过信道后，接收信号首 先被接收天线捕获，然后与脉冲波型进行匹配，通常接收端的脉冲波形要与发送端致； 最螽进行信号的解码与解调，其过程与发送端的编码与调制相反，并还原出原始数据流。 4 南京邮电大学硕七研究生学位论文 第二章超宽带通信慕奉原理 v l d a t as o u 眦h o a e rr p u l s e h s h a p i n g f i l t e rp r f g e n e r a t o r i d a t a s i n k hd e c 稠e r 卜 c o r r e l a t i o n s h a p i n gi l l t e r | r e c e i v e r 2 2 本文的系统方案 图l 典豫的超宽带通信系统 本文主要研究的是多用户系统中基于窄脉冲的超宽带接收技术及多址性能的分析，结 合性能分析的需要以及仿真条俘的限制，现给掰论文中采用的仿真系统方案和具体参数。 1 ) 研究系统：超宽带d s 系统及t h 系统。 2 ) 脉冲波形：高斯窄脉冲，脉冲宽度为0 3 n s ，脉冲因子为o 5 。发送端采用高斯单 脉冲，接收端采用高斯三阶脉冲。 3 ) 调制方式：d s 系统采用b p s k 调制方式，t h 系统采用b p s k 及p p m 调制方式。 4 ) 多址情况：多用户系统。 5 ) 信道模型：采用改进的超宽带s v 模型及a w g n 信道，具体信道模型将在下章进 行介绍。 6 ) 干扰源：系统中的主要干扰为多址干扰和高斯自噪声。 7 ) 接收机：匹配滤波器和r a k e 接收机。具体模型将在后面的章节进行分析。 5 南墩邮电大学硕：l ：研究生学位论文 第三带多用户州超宽带系统及性能分析 第三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 本章针对跳时系统，分别介绍了采用两种调制方式：t h p p m 及t h b p s ku w b 多 址系统的模型，并对系统误码率、数据速率、系统能容纳的用户数等性能进行了理论分析 和比较，本章最蜃给出了仿真结果。 3 1t h p p m m au w b 系统模型 3 。1 1 脉冲波形 超宽带通信经常使用到的三种脉冲，分别为：高斯脉冲、高薪单脉冲和高斯二阶脉冲。 高斯型脉冲的频谱结构中的直流成分较弱，有利于极窄脉冲的传输，接收端易予进行相关 检测与识别。高斯脉冲的形状服从高斯分布且经过线形系统后仍保持商斯分布；高斯单脉 冲式高颠脉冲的一阶导数；高斯二阶脉冲是高烧脉冲的二阶导数。高舞单脉冲及高斯二阶 脉冲的表达式分别如下。 怖扣悄卅 t ， w ：c ，= t 一4 刀( 舌) 2 e x p ( _ 2 万( 喜) 2 ) c 3 2 ， 其中r 是衰减常数，a 是脉冲幅度，脉冲持续时间等于2 x r 。 高额单脉冲的频域表达式为： 一。丢压纠一列l 俄3 ， ，。，ll一、，i 是中心频率，且力= l 2 n a r 。 6 南京岍n 学坝j - 研究学位论立 第= 章亭用户t h 趟宽带系统驶性能丹折 图 在 的高斯 叫r 式中l f m 凹33 高斯单脉冲序列图3 4 高斯单脉冲序列功率谱 由图可见，规则的脉冲序列产生的功率谱为梳状谱，已经很低的脉冲功率被扩展到梳 状谱中，此时脉冲就不再携带任何信息了。由于信号覆盖了很多通信频段，规则的梳状功 率谱很可能在短距离内影响现有的其它窄带无线电系统。为了确保通信的质量，可以通过 改变脉冲与脉冲之间的时间间隔来消除梳状谱。 7 南京邮电火举硕士研究生学位论文 第三镦多用户t 超宽带系统及性能分析 3 1 2t h p p m 调制方式 调制的茸的是使u w b 信号可以承载任何信息比特所包含的信息。超宽带调制方式 分为艇进制脉冲位置调制( m p p m ) 和m 进制脉冲幅度调制( m p a m ) 。使用m - p a m 调 制方式时，发送脉冲具有m 个振幅，且承载的比特数等于l 0 9 2 ( m ) ；对于m p p m 方式则 霈要将每个脉冲搬移到m 个不| 弱时闻位置( 即时隙) ，每个脉冲承载相同的信息量。本 文中我们只考虑曼进制调制方式。 使用傩p p m 调制方式，第k 个用户产生的超宽带信号表示如下： 吞( f ) = 河妻一歹弓t 不一叱，镌j 艿) 3 。4 ) 3 一 其中s a t ) 是用户露的发射信号，群是用户k 的发射能量，蝣( 幻是用户k 的脉冲波型， 我们在发送端采用高斯单脉冲。媳为每个数据# 匕特所包含的脉冲数，磊( 歹) 是用户k 的 跳时伪随机整数序列，均匀分布在 l ，心) 区间，是码片持续时间，钟是第k 4 用p 发送的二进制数据，万是p p m 调制指数，乃是脉冲重复周期，传输一个比特所需的时 间五= 虬弓，因此数据速率焉= l ，以弓。般的，弓 m 五从表达式可以看出，每个用 户的发射信号被划分秀媳恢，每个比特在发送端被重复螅次，每帧的持续时阂( 即赢簸 单脉冲重复周期) 为t ，第七个用户位于第歹帧的脉冲时延位罨对应于南( 歹) 曩用户k 使用t h p p m 调制方式发送比特0 和l 的超宽带信号示意图如图3 5 ，图中反，) 表示单高 赣脉冲。圈3 6 为产生t h - p p mu w b 信号的示意图。 o 矗 圈3 5t h b p p m 调制方式 8 粥京邮电大学硕i ：研岁生学位论文 第二三章多用户t h 超宽带系统及住能分析 重复编 二进制发送 码器廖列 一 编码 ( n s ，1 ) 0 ，1 ) 器 图3 6t h p p mu w 8 信号的产生 啼叵r u s e r b 仡( 知) 【0 ，m 一王l 【s c h o l t z ，9 3 】 仡( 知) 【，m 一王l 【】 h = n 如 圈3 。7 硼多址方式 图3 5 给出了t h b p p m 在一个比特传输时间内的调制信号示意图，假设数据流为二 进制 0 ，l ，蚕中第一个单脉冲承载发送比特1 ，第二个单脉冲承载发送比特0 。嚣个脉 冲在发射时间上有一定延时。图3 7 表示两个用户的t h p p m 多址调制方式，实线代表用 户a ，虚线代表用户b ，横坐标代表时闻，用户a 使用的跳时码为 2 ，l ，用户b 使用的 跳时码为 0 ，2 。 3 1 3i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型及本文所选信道参数 i e e e 8 0 2 1 5 。3 a 的超宽带信道模型描述的是一静在室内环境下的短距离可视或非可视 信道，它的多径成分成簇到达。该模型的多径分量呈对数分布，相位以等概率取 + l ，一1 。 傣道冲激响应为： h ( t ) = z z a ( t - r ) ( 3 5 ) 擀， 脚和z 分别是簇和射线的下标，是第用簇中射线，的多径增益，气和钿分别是第脚簇 及第f 路射线的到达时闯。假设一个脉冲被扩展的最大多径数为l 。不同簇到达时闻的闻 隔和同簇中不同射线龅到达时间闯隔服从泊松分布。针对发射机和接收机所处的不同位 置与环境，信道模型分别为信道c m i 、c m 2 、c m 3 、c m 4 。i n t e lsv 模型的路径分辨率 等于0 1 6 7 n s 。针对典型的室内信道，i e e e 。8 0 2 1 5 。3 a 根据实测数据绘出了相应的信道模 型参数，如表3 - 1 所示。 9 南京邮电大学硕l ：研究生学位论文 第三章多用户下h 超宽带系统及性能分析 表3 - 1i e e e8 0 2 15 3 a 僖遵模型参数 武slati嚣ics c m l ( 队4 mc m 2 ( m 4 mc m 3 ( 4 - - 10 m n l o s )c m 4 ( r e a l l y l o s )n l o s ) b a d ) m e a ne x c e s s 5 2 7 3 79 8 1 8 81 5 7 0 5 2 2 1 9 8 d e l a y ( n s ) r m s d e l a y ( n s ) 5 5 6 9 1s 。2 舛61 4 。7 9 21 9 8 3 5 n v ( 8 5 2 4 7 1 0 3 4 9 8 0 6 2 。4 6 0 9 9 8 6 e n e r g y ) 本文所用的离斯脉冲宽度等于0 3 n s ，而表3 1 由i e e e8 0 2 1 5 3 a 的信道模型的路径 分辫率等于o 。1 6 7 n s ，这样麓信道多径籍隔黠r a k e 接收枫来说是不可分离的，嚣为r a k e 接收机能分离的最小多径间隔等于脉冲宽度。为了保证实验的可靠性与合理性，本文采用 了改造薏的蕾道模型，箕多径分辨率等于0 3 n s 。 3 1 4 接收模型 假设系统孛霄k 个蔫户，用户王饺期望雳户，各震户经过u w b 信道寨离蓑蓿遒特 输后，接收信号必： j 【 o o _ - - 一 ，( ，) 拦乏如( f 一巧e 瓦一吒，心，一q ) 十栉( ，) ( 3 6 ) 其中砭表示到达接收端第k 个用户的能量，砭兰磷( ) 2 ，接收端县备精确功率控制 时，砭；鼹；l 鹾。( f ) 为接收端脉冲波形，我们敢做二阶高斯脉冲。胛( ，) 为高斯加 性自嗓声。采用珏配滤波器对用户i 第歹令毙特的售号进行检测，裁麸变量表达式如下： z = 篓翳峭蝴( r 獬 3 7 ) 其中粳关波形r e ( t ) 隽： 撰( 玲= p ( t - j t ：乏 ( 3 ，8 ) p f ) = w ( t ) - w ( t - 8 ) ( 3 9 ) 气为用户女相对乎期望用户韵时延，此时延出非同步发送引起，这里假设期望用户的发 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 黔f j + i ) t 压势啊谁) 1 刚， l 芝( 啪喁一砖耻”尹乃一t 量埘) | 出 p “叫 = 联? “ 薹”p 弓一c 曩卜。一p 誓一t 站一纠卜 ( 3 ) 一l = 艺( f 一歹弓一弓露一吨l , v s i - 毛) + 撑( f ) ( 3 。1 3 ) k - 2p ：o 3 2t h p p m m au w b 系统性能分析 3 2 。1 。信千比 根据线性接收机的输出信嗓比定义我们得到： s n r ：乓 e ( ) ( 3 。1 4 ) 经过简单的计算可以到： 舭峨f j t i j + + l ) t i + “厄窆j - - o ( ，一乃一t 聋一啦蚓) n 萎$ - i ( 卜p 誓一。巧卜 厄芝t = 0 ( 卜所一t 瓦一吼蚓) 篆( 卜p 墨一。墨一睨例础 = 凰( 2 ( ，渺一( 卜占) ( f ) = 凰( 1 ( ) ( 州 0 。1 5 ) 南京邮电大学硕= 1 ：研究生学位论文第三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 m 2 = 吃( 虬) 2 ( 1 一r ( s ) ) 2 r c o ) 是w ( ，) 的自相关函数，表示为 r ( s ) = ( ，_ 占) w 脚( r ) 出 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 因为以( ，) 服从均值等于零的高斯分分布，因此，经过线性接收机后的噪声项删( f ) 仍为服 从均值等于零的高斯随即变量；而且我们假设多址干扰也服从均值为零的高斯分布，因此 n a 为服从高斯分布且均值为零的独立变量。 其中 e ( 圮) ：争氐童砭+ l v s n o ( 1 一g o ( 占) ) ( 3 1 8 ) 1f k = 2 仃删2 = w 肼( f 一万) m ( ，) 田 由此可以得到输出信噪比的表达式为： 其中 ( 3 1 9 ) s n r ：矿掣延韭l ( 3 2 0 ) 学仃砭+ n s n o ( 1 一r ( s ) ) 上，k = 2 单用户情况下，输出信噪比变为： s n r = 筹”删 当接收端具有精确功率控制时，输出信噪比为： ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 叫胁州，h 等) - ix ( k - 1 ) - l 2 3 ， 在非精确功率控制时，输出信噪比为： 舢= 啼t ， - l + ( 繁心翻砭 - l 2 4 ， 1 2 嬲京邮电犬学硕士磷究生学位论文 第三带多用户t h 超宽带系统及竹微分析 3 2 2 误码率 使用p p m 调制方式时接收机的误码率公式表示为： 段乎) = 联连露)3 。2 5 ) 接收端具有精确功控时的误码率表示为： 荆端q 陋t 制，h 辔卜棚厂 够 接收端为非精确功控时的误码率表示为： 即瑚陋t 州， - l + ( 辔建砭，破厂积2 7 ， 单用户情况下，系统误码率为： 非瑚睁制，厂 2 8 ， 3 2 。3 数据速率 影响多用户系统的基本因素是用户数，s n r ( k ) 。势此我们定义一个与单耀户输出信 噪比及系统应满足的最低信噪比相关的变量 肇= l o l o g l o ( s n r ( k = 1 ) ，s n r )( 3 2 9 ) 该变量袭示第一个用户受到其它各个用户多址苄扰时，要保持满足系统误码率所需的最低 信噪比情况下的要发射的附加功率。s n r ( k = i ) 表为单用户情况下维持一定的误码性能系 统豹嫠噪爨：，s n r 表示系统孛有k 个用户情况下蘸信噪毖。 由式( 3 2 3 ) 可以得到非精确功控情况下数据速率表达式为： 心。( 1 - r o ( e ) ) 2 - 下( i - i 0 - 一肇： 。) ( 3 3 0 ) 拶删2 s n r 砭7 砭 从表达式可以看出，因为墨是劫的单调增函数，因此卸无限增大时，系统数据速率理论 上可以达到最大值，且最大值表示为： 1 3 南京邮电大举顶研究生学位论文 第兰章多用户t h 超宽带系统及性能分析 r 麟搿坐掣l 一 ( 3 3 1 ) 2 s n r 砭，砭 蠢1 2 当接收端具备耩确功控时数据速率及其理论上达到的最值分别为： 恐篇黯蹴挚 r b 粼 - 磊了( 1 - 磊r o ( 丽e ) ) 2 ( 3 3 2 ) ( 3 。3 3 ) 当系统输出信噪比s n r 为定值时，对于给定用户数的系统其数据速率仍存在上界， 因此我们在设计多用户系统时，应使其数据遽率不超过该理论值。 3 2 4 比特传输速率上界 信道答量弱种表达式是i e ) = w i q 9 2 ( 1 - 方p n r ) 3 4 ) 拶表示p p m 蔫号( 或离辫脉冲信号) 的3 d b 带宽；p n r = r , s n r 。在精确功率控制情况 下，当规定输出信噪比为给定值时，忍取最大值时用憾取最大值，且最大值为： 翮蕊等端 ( 3 3 5 ) 仃锄。( k u 在非精确功率控制的情况下，p n i ? 的最大值为： p n r = 生墅丝一 6 ) g r 2 p p m ( 砭，砭) 幽信道容量定义：信道辩量的最大值就是系统速率的上界，因此，精确功率控制的情况下， 数据速率静主界势； = l i r a s 兰南描 3 刁 在不耪确功控情况下，系统数据速率的上界为： = l i m 娴= 硒1 石0 丽- r o ( e ) ) 2 1 4 塑塞螋坐叁堂堡主婴窒生堂丝堡塞 笙三童墨旦皇望塑童堑蚕丝壁盐篮坌堑 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ h - _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ - _ i _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 。- _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ _ 。1 。一一 从表达式可以看出，在精确功率控制的情况下系统数据速率的最大值与脉冲波型的自 相关函数及用户数有关；蕊非精确功控时的数据最高速率则与信道衰减有密切联系。 3 2 5 用户数 利i n k ( 3 3 2 ) ，我们得到以肇为函数的系统可容纳的用户数的数学表达式表示为： 鬈：s n r - j ( 1 - 1 0 - 肇1 。) 蝉+ l ( 3 3 9 ) a ；晰r i 、 当劬趋于无穷大时，k 取得最大值，这爨寸褥到的k 就是善h p p m 多址系统可容纳的用户 数量的最大值。该值表示为： 天二。= s n r 叫羔! 昙警+ l ( 3 4 0 ) 从上面的分析可以看潞，对予系统要求达到的某一特定的输出信嗓比( s n r ) ，系统存 在着可以容纳的用户数上界，在实际的系统中，应该以该值为界线，不应超过该理论值， 这就是这些理论值对实际的指导意义。 3 3t h - b p s k - m au w b 系统模型 u w b 系统采用t h b p s k 调制时，第膏个用户的发射信号可以表示为： s ( f ) = 吒，魄 ( 卜j r j c 籀( - ) 耳) ( 3 - 4 1 ) 4 是脉冲发射序号，弓使脉冲重复周期，南是第膏个用户的跳时序列，每个用户分配不 同的跳时序列 c 麓( ) 来使发射脉冲获得不同的附加位移，以区分不同用户和减小用户闻 的碰撞。t h 码周期为，o 南( 歹) 姨，t h 码对每个脉冲的附加位移隽夏，对第歹个脉 冲的时移范围是o 南( j ) 冕sm 量t 吒，螈 一1 ，+ l 是已调b p s k 信号，用于控制脉冲极 性的变化，第七个用户发射的数据序列叱，心j 与该用户的数据信息吒，心j 的关系为： 叱。s 一时叱= q ，心j = 一1 时棼，赡j ；l ，y = o , l ，k = 0 , 1 ，k 接收端模扳是搬 = 。经过蘸文所述信道，不失一般性，假设用户发送的数据0 和1 1 5 南京邮电大学硕：t j 研究生学位论文 第三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 是等概率的，且用户l 为期望用户，则接收端的信号可表示为： ，( f ) = s ，( f ) $ 以 + 摊f ) 。一 ( 3 4 2 ) = 砝，魄j 卜玛一南( 歹) 叠+ 气) + 疗( d 其中砭= 露如) 2 ，露= l ，- ，k ，( ，) 为接收脉冲波形，露，露= 2 ，足是第露个用户信号相对 用尸1 援收机的时延，以，) 是双边功翠谱强度为n o 2 的加性商斯臼噪声。对第个比特迸 行相关判决，则相关器的数出判决变量可表示为： z = 钳j = oj j t i 蛾+ t 移。“栅( f 冲) 2 埘+ 劭 类似前文对判决后的变量进行定量分析，其中 小= 联? 咱瓜h 萎 - i 叱倒( r 一乃一t 曩) t 9 荟- 1 吨( r p 巧一t 巧) 卜 = 属现删4 j r t ，+ t ) z + 。笙j = o 芝p = o ( ，一乃一4 t o ) 一p 弓一乏渺( 3 4 4 ) = 洒现蚓瓦1 。心) 2 吒。冲 = 凰蚓虮唬( 壮 凼此有用信号经过市甘天器扁的剐望等于5 e = 互 溉，| j 撼咴善边 2 = 砭醒 吒( x 边 2 = 如联 上式剩用了等式吆( 工) 威= l ，即脉冲能量已经进彳亍了麴纯 = 翳“一f 窆p = o 蜘咖鳓卜 ( f ) = 砭吒，心( 卜j r ：一e 罨t ) + 靠( f ) k = 2j = o 记 麟= 联? “砸，x 篓吱”巧一c 毛) 魂 1 6 协 彤 乃 鼬 0 4 0 0 0 p 0 南京邮电火学硕士研究生学位论文第三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 因此 = 帅( f j * 1 ) t “i l 白kn 台a - i k 以蹦州乃一c 瑶吲) 艺p = 0 咄一孵一栩卜( 3 4 9 ) = 4 t l a l t ，t 7 n( 3 。5 0 ) 因为露( 黟服从高斯分分布，因此，经过线性接收机盾的噪声项丹 删( ，) 为服从均值等于 零的高斯随即变量。下面对该项变量进行定量分析，目的是通过以上分析确定信干比。 首先，露溉( ， = o ；该顼方差为： 0 - 2 以麟) = 层( ；麟( ) ) 一( w g n ( t ) ) ；层( 疗j 删( f ) ) ( 3 5 1 ) = 0 翳“砸) 陬p = o 卜咖懈) 盛 2 因为以o 是平稳随机过程，因此可以将积分区间转化为 o 弓 ，并将积分的平方化为二 重积分。得到下面的式子： 仃2 帆剃) = 虮e ff 雄) 姆) ( 删0 一m 仃2 ( 甜( ，) ) fr 6 ( ，_ f ) ( f ) w 脚( r ) d t d f( 3 5 2 ) 一华ff 即叫( f ) ( f 脚f 利用万函数特性砸知：警且仅娄f = f 时积分不为零，霹此噪声项方差等于： c r 2 2 筹f 哪冲 ( 3 5 3 ) ：丝丝 、 下面来计算多址干扰经过匹配滤波器后的输出因予的方差。如前所述，我们分 析的翦提是在用户数较多的情况下，认为多址苄扰服从均值为零的高额分布。因此多址 干扰经过线性滤波器后仍服从均值等于零的高斯分布。其方差计算如下： 玎2 t ，= 五 强2 嘲，；一层2 嚷御 = e 扣乞0 = e 联? ( 叁茗叱川c ，一乃一c 车一靠，) x 篓c 卜p 巧一棍，卜 2 积5 4 ) = m 巧峻 1 7 南京邮f 乜大学硕：t 研究生学位论文第三章多匝皇盟! 塑童堂墨缠毽地宣墅堑 其中仃淼是接收模板的囟相关函数平方的积分，写作： 爵献。e r 2 ( s ) d s 5 5 ) 鼢) = ( 一s ) o 碡 ( 3 5 6 ) 我们假设多址干扰与高斯白噪声为互相独立的离斯变量，因此两者经过相关器后总的方 差等于两者各自方差的代数加，表示为： 2 魄) = ( r i m i f ) + y 2 繇删) ：以巧- 露腻壹砭+ 盟璺 3 5 7 由于 口2 心) = 联弼) 一2 嘞) ( 3 5 s ) = e ( 嘭) 由此可以得到t h b p s km a u w b 系统的信干比应表示为： 跚一粥 。羔箧哥(359)k 憋巧，k 砭+ 半 、 。堡：丝_ 巧t 氐圭砭+ 孥 单焉户情况下，信于比表示为： s n r 。! 丛：丝 n o 接收端具备精确功率控制情况下( 砭= 砭，似- - 2 ，k ) ) ，信干比表示为： 洲矧净衰- i2 凄n o 3 。4t h - b p s ku w b 系统的性能分析 3 。4 。1 误码率 ( 3 6 0 ) ( 3 6 1 ) 如前所述，采用t b p s k 调制方式时系统的误码率可表示筠： 只= q ( 厕) ( 3 6 2 ) 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章多用户t h 超宽带系统及性能分析 国式可知，在不精确功率控制的情况下，误码率为： 尸( e ) = q( 警) 1 + 糙确功率控制的情况下，误码率为： l f 一 k 是砭砭 ( 3 6 3 ) 烨瑚( ( 警h 赤) 1 ) 。坨 卿 单用户情况下，误码率为： 3 4 2 数据速率 球瑚( 警) i ，2 ( 3 6 5 ) 影响多用户系统的基本因素是用户数，嬲( 。力此我们定义一个与用户数及信噪比 相关的变量 卸= l o l o g i o ( s n r ( k = 1 ) s n r )( 3 6 6 ) 该变量表示第一个用户受到其它各个用户多址于扰时，要保持满足系统误码率所需的最低 信噪比情况下的要发射的附加功率。可以得到非精确功控情况下数据速率表达式为： 也：塑芸l 一 ( 3 6 7 ) kt s n r 玖砭 k = 2 因为焉是却的单调增函数，因此印无限增大时，系统数据速率理论上可以达到最大值毙： 焉嗽= ( 3 6 8 ) 具备精确功控时数据速率及其理论上达到的最值分别为： 毛= 磊( 忑1 - 1 丽0 - 如 1 。) ( 3 。6 9 ) 仃：m ，) “i 反一l r 删= 磊i 丽1 丽 1 9 ( 3 7 0 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三带多用户t h 超宽带系统及仕能分析 当系统输出信噪比( 融硒为定值时，对于给定用户数的系统其数据速率仍存在上界。 3 4 3 比特传输速率上界 信道容量另种表达式是； c ( 矽) = w l 0 9 2 ( 1 + 旁燃) ( 3 7 1 ) 矿表示p p m 信号( 或高斯脉冲信号) 的3 d b 带宽；用峨黧& s n r 。在精确功率控制情况下， p n r 的最大值为搬s n r 取最大值时： 燃2 磊2 赤面( 3 7 2 )拶詹燃【k 1 ) 在菲精确功率控制的情况下，p n r 的最大值为： p n r ：