（通信与信息系统专业论文）空时码在超宽带通信系统中的应用.pdf

摘要 超宽带f u w 鳓是一种以较低的能量来高速发送数据的技术。脉冲无线电是超 宽带的最主要形式，它使用脉冲宽度级数为几百皮秒的短脉冲进行通信。由于具 有较短的脉冲宽度，相比于传统的窄脉冲通信，它在接收端具有更多的可接收的 多径分量。因此，它是多径环境下短距离通信的可行后选者。 众所周知，在多径情况下，m l m o 系统能够改善系统的性能。特别地，能够 利用发送天线和接收天线之间的多径分量来抵抗信道衰落影响，并且改善通信链 路可靠性。通过使用空时编码技术，m i m o 系统能够同时提供空问和编码增益， 因此获得较高的谱效率和明显的性能改进。 为了要利用u w b 和m l m o 的优点，提h 了u w b 空时编码方案。全文的工 作总结如下： 首先介绍了m e eu w b 信道模型，调制和多址接八方式，几种不同的r a k e 接 收机。具体地给出了分组空时码，分层空时码的编码技术。 提出了u w b 分组空时码方案并推导了最终统计判决结果。使用e eu w b 信道模型进行仿真，比较了单天线和两天线系统的性能。 提出了u w b 分层空时码方案及其译码算法，然后给出了u w b 级联分层空时 码方案，通过介绍串行级联码的迭代译码算法，推导了u w b 级联分层空时码的译 码算法，其中的外码为t u r b o 码。最后仿真比较了不同方案的性能。 关键词：超宽带l e e e 信道模型分组空时码分层空时码迭代译码 a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) j ss e e nt ob eat e c h n o l o g yf o rd e l j v e f j n gv e r vh i l 出d a t a r a t e sa tv e t yl o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t i e s t h em o s tc o m m o nf o mo fu w bi si m p u l s e r a d i o ，w h i c hc o m m u n i c a t e su s j n gv e r ys h o r tp u l s e s ，t y p i c a l l vo nt h eo r d e ro fh l l n d f e d s o fp i c o s e c o n d s d u et ot h es h o np u i s ed u r a t i o no ft t l ep u l s e s ，u w bs i 髓a l sh a v e s i g n i f i c a n t l ym o r er e s o l v a b l em u l t j p a t ha sc o m p a r e dt on a r r o ws i g n a l s t h e r e f o r e ，u w b i sav j a b l ec a n d i d a t ef o rs h o r tr a n 鼬c o m m u n i c a t i o n si nd e n s em u i t i p a t he n v i r o n m e n t s m u l t i p l e - l n p u tm u l t i p l e 一0 u t p u t ( m i m o ) s y s t e mi sw e l lk n o w nf o ri t sp o l e n t i a lo f i m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rm u l t i p a ms c e n a r i o s i np a n i c u l a r ，al a 唱en u m b e f o fp r o p a g a t i o np a t h sb e t w e e nt r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a sc a nb eu t i l i z e dt oc o m b a t c h a n n e lf a d j n ge 脏da n dg a i nl j n kr e l i a b i l i ty b vt h eu s eo fs p a c e - 1 1 m e ( s t ) c o d i n g t e c h n i q u e s ，i l m oc 锄p r o v i d eb o t hd i v e r s i t ya n dc o d i n ga d v a n t a g e ss i m u l t a n e o u s lv ， a n dh e n c ey i e j dh i 2 hs p e c t r a ie f r i c i e n c va n df e m a r k a b l eq u a i i t yi m p r o v e m e n t t 0e x p l o i tt h ea d v a n t a g e so f b o t hu w ba n dm i m os y s t e m s ，w ep r o p o s eu w bs t d e ds c h e m e 。a ut h ew o r kc a nb es u m m a r j z e da sf 0 1 l o w s ： t 1 1 ei e e eu w bc h a n n e lm o d e l ，t h ew a y so fm o d u l a t i o na i l dm u l t i p l ea c c e s sa n d s o m ek i n d so fr a k er e c e i v e r sa r ei n t f o d u c e dh e r e s p a c e t i m ec o d j n gt e c h n o l o g yf o f s p a c e - b l o c kc o d e sa n dl a v e f e ds p a c e - t i m ec o d e sa r eg i v e ni nd e t a i l b a s e do nt h es v s t e mm o d e i so fs i n g l e a n t e n n ad s u w b ，h o wt oo b t a i nm u l t i p a t h d i v e r s i t ya r eg i v e nw i t ht h ec o m b i n a t i o no ff sr a k er e c c i v e rw i t hm r c ( m a x i m u mr a t i o c o m b i n a t i o 蚺u w bs p a c e t i m eb l o c kc o d e ss c h e m ei sp r e s e n t e dw i t ht h ef i n “l v s t a t i s t i c a ld e c i s i o nr e s u l i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hi e e eu w bc h a n n e lm o d e la r e g i v e nt oc o m p a r et h es y s t e mp e r f b 加a n c eo fs i n g l e a n t e n n aw i t ht h a to ft 、v oa n t e n n a s t h es c h e m ef o ru w bl a v e r e ds p a c e t i m ec o d e sa r ep r o p o s e dw i t hi t sd e c o d i n g a k o r i t h m t h e nu w bs e r i a n vc o n c a t e n a t e dl a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e sa cp r e s e n t e d ， t h e nt h ed e c o d i n ga l 印r i t h mo ft h es c h e m ei se i v e nb yt h ei n t m d u c t i o no fi t e r a t i v e s o f t d e c i s i o nd e c o d i n 窟a l 印r i t h mf o rt h es e r i a l l yc o n c a t e n a t e ds y s t e m t h es i m u l a t i o n f e s u l t sa r eu s e dt oc o m p a r es v s t e mp e d b 册a n c e so ft h et w os c h e m e s k e y w o r d s ：u w bi e e ec h a 肋e im o d ds p a c e - t i m eb l o c kc o d e sl a y e m d s p a 代- “l 眦c o d e s i t e m h v ed e c o d i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究e 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；也不包含为获得西安电子科技大学 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地蜕明并表示了谢意。 本人签名： 全童同期：丛。 。缸 关于论文使用授权的说明 本人完伞了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制于段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：丝二里r f 期垡。 坦 铷虢巧雌 慨血么一幺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超宽带定义及其特点 u w b 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，又称脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 技 术，出现于2 0 世纪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。按照f c c 的规定，从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之问的7 5 g h z 的带宽频率 为u w b 所使用的频率范围。 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1 ，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。 从时域上讲，超宽带系统有j j l 】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f 几十n s l 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，据文献表明，u w b 信号的有效传输距离在1 0 m 以 内，故而在民用方面，u w b 普遍地定位于个人局域网范畴。 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。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 1 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l o 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 l 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 空时码在超宽带埔信系统巾的应用 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，可以利冯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 0 2 0 n s 1 ，5 n s 之问，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j l 百uw 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1 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 于自噪声信号，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阳j 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l o 3 0d b 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最 多不到5d 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，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 以给出相对位景，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。 m 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 2u w b 技术目前研究情况 如前所述，现代意义上的超宽带u w b 数据传输技术，又称脉冲无线电( i r 第一章绪论 i m p u l s er a d i o ) 技术，出现于2 0 世纪6 0 年代，当时主要研究受时域脉冲响应控制 的微波网络的瞬态动作。通过h j r r n u t l l 、r o s s 和r o b b i n s 等先行公司的研究， u w b 技术在7 0 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包 括探地雷达系统。到8 0 年代后期，该技术丌始被称为”无载波”无线电，或脉冲 无线电。美国国防部在1 9 8 9 年首次使用了”超带宽”这术语。为了研究u w b 在 民用领域使用的可行性，自1 9 9 8 年起，美国联邦通信委员会rf c c l 对超宽带无 线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意 见，在有美困军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍开放了u w b 技 术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前 景和巨大的市场诱惑力。 2 0 0 3 年1 2 月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的i e e e 有关u w b 标 准的大讨论。那时关于u w b 技术有两种相互竞争的标准，一1 方是以i n t e l 与德州 仪器为首支持的m b o a 标准，一方是以摩托罗位为首的d s u w b 标准，双方在 这场讨论中各不帽让，两者的分歧体现在u w b 技术的实现方式上，前者采用多频 带方式，后者为单频带方式。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。 虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已有了追随者，三星在国际消费电子展上展示了 全球第一套可同时播放三个不同的h s d t v 视频流的无线广播系统，就采用了摩托 罗拉公司的x 眦m es p e c t n l m 芯片，浚芯片组是摩托罗拉的第：代产品，目前已有 样片提供，其数据传输速度最高可达“4 m b p s ，而功耗不超过2 0 0 m w 。在另一阵 营中，i n t e l 公司近期在其) r 发商论坛上展示了该公司第一个采用9 0 n m 技术工艺处 理的u w b 芯片。在今年5 月中旬出i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组主持召开的标准大讨论 会议上对这种技术进行投票选举u w b 标准，m b o a 获得6 0 的支持，d s u w b 获取4 0 的支持，两者都没有达到成为标准必须达到7 5 选票的要求。因此标准 之争还要持续下去。 1 3 空时码在u w b 系统中的目前应用情况 由于无线信道的带宽受限和复杂的多径传播等诸多限制，使得无线环境下高 速数据传输困难重重，也成为实现上述应用目标必须解决的难题。提高无线数据 通信速率等效于提高无线通信信道容量，也等效于提高系统的频谱利用率。围绕 这一一问题人们做了大量的 作，从传输角度来讲，包括高级多址技术、有效的信 源编码技术、先进的调制技术和发送分集技术等。空时编码技术就是其中之， 它的特点是具有很商的频谱利用率和较好的通信质量，能够满足高速数据通信业 务要求。 空时编码技术是在m i m o ( m u l t i p l e1 1 l p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 天线系统基础上发展 4 审时码在超宽带通信系统中的应用 出来的，而m j m o 系统则是在3 g p p 的高速下行分组接入( h s d p a ：h j 曲s p c e d d o w n l j n kp a c k a g ea c c e s s ) 方案中提出的。m 1 m 0 天线系统引入编码重用f c d d e r e u s e ) 方法，用相同的信道码和扰码调制多个不同的数据流，同时在接收端使用多 天线和空间信号处理技术，在不增加码资源的基础上提高了数据传输速率。m i m o 系统的信道容量理论从信息论观点为成倍提高衰落信道的信道容量奠定了理论基 础。 多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集和时间分集的结合，可以抗同道 干扰和信号问干扰。因此如果采用合适的信道编码，利用多天线阵技术来提高系 统的传输速率和性能是可能的，这样导致了空时编码技术的产生。空时编码的基 本思想是利用多天线组成的天线阵同时发送和接收，在发送端将数据流分离成多 个支流，对每个支流进行空时处理和信号设计( 空时编码) ，然后通过不同的天线 同时发送出去。在接收端利用天线阵接收，经过空时处理和空时码解码，还原为 原发送数据流。空时编码技术真正实现了空分多址，是未来无线通信必然选择的技 术之一。 为了要充分利用u w b 和空时编码的优点，很多文献研究了如何把空时编码应 用到u w b 系统中。在文献【2 】中，受a i n o u t i 方案i 3 l 启发，提出了利用2 个发 送天线和s t b c 方案的p p m i r 系统。在文献【2 】的基础上，文献【4 】提出了提商数 据速率的组合正交脉冲和m i m o 1 r 的系统。在文献【5 】中，利用信道状态信息 ( c s i ) ，对文献f 4 】的方案做了进步修改；并且把传统的窄带s t l m 编码器应用 到脉冲无线电信号中。在文献【6 】中，基于t a r o k h 的实正交设计| 7 l ，提出了时跳( t h ) 和直接序列( d s ) u w b m i m 0 系统。文献【8 】中提出了空时频码( s t f ) 与多带u w b 系统结合的方案以充分利用空问和频率分集。文献【9 】中把v b l a s t 这一概念应用 到具有一个接收天线和多条可接收多径分量的u w b 系统中。文献1 1 0 】中讨论了应 用代数构造的分组空时码到u w b 系统的可行性。 1 4 本文内容安排情况 全文共分五章，其余章节具体安排如下。 第二章介绍了超宽带通信系统模型，具体介绍了正e eu w b 信道模型，调制 和多址方式，几种类型的r a l 【e 接收机。论述了分组空时码，分层空时码的编码原 理。 第三章首先介绍单天线d s u w b 通信系统模型，并给出了接收端的r a l 【e 接 收机如何利用最大比合并( m r c ) 来获得多径分集。然后提出了超宽带分组空时码方 案，通过仿真比较了单天线和两天线系统的性能。 第四章提出了超宽带分层空时码和级联空时码方案，详细介绍了串行级联 鹅一章绪论 系统的译码算法，推导了针对级联分层空时码的迭代译码算法。并给出了不同为 案的仿真结果。 第五章总结全文的研究工作并对今后的研究方向进行展望。 第，一章u w b 通信系统和空时编码技术 第二章u w b 通信系统和空时编码技术 本章主要介绍u w b 通信中的i e e e 8 0 2 1 5 3 a 惰道模型，调制和多址方式，几 种不同类型的r a k c 接收机及其优缺点；然后分别论述分组空时码( s p a c e - t i m eb l o c k c o d e s ) 、分层空时码( 】a y e r c ds p a c e t j m ec o d e s ) 的编码技术。 2 1u w b 通信系统 2 1 1l e 髓信道模型 对于系统设计来说，可靠的信道模型是至关重要的。为了找到合适的信道模 型，m e e 8 0 2 1 5 3 a 任务组已经评估了大量现行的室内信道模型，并利用u w b 脉 冲得到的实际信道测量结果来决定哪一个模型更好地符合u w b 信道的特点。首先 这种信道模型应该简单易用，方便物理层的提出者使用，其次能在较短的时间内 估计出典型操作环境中物理层的性能。最后，它能够反映实际信道的测量结果。 使用某个模型来表示所有可能的信道环境和特点是几乎不可能的，因此任务组选 择了能够反映多径信道主要特性的模型。其中主要特性包括： ( 1 ) 均方根延迟扩展f r m sd e l a ys p r e a d ) ， ( 2 ) 功率衰减曲线图( p o w e rd e c a yp r o f i l e ) ， ( 3 ) 多径的数目( 在峰值的1 0 d b 范围内到达的多径数日) 。 注意出这个模型产生的信道可能有许多峰值小于1 0 d b 的多径成分，但是上面的特 性主要是用柬和测量结果相比较的。 这里需要考虑三个丰要的信道模型：抽头延迟线的瑞利衰落模型， s a l e h v a l e n z u e l a ( s v ) 模型1 1 1 j ，k 模型，还有一些基于前面这些模型的能够 更好的反映信道特点的改进模型。每一个信道模型都可以被参数化，以满足上面 提到的信道主要特性。虽然有很多好的信道模型提议递交给任务组，但最终采用 的模型是能够很好地满足信道测量结果的修改s v 模型。特别地，测量结果表明 多径分量成簇到达，这就是u w b 脉冲所提供的优良性能。例如，多径到达是由室 内物体如墙壁、天花板、家具和人的反射而产生的，在传输距离上相差0 3 m 的多 径分量将会相差1 n s 到达接收机：当u w b 波形具有7 5 g h z 的带宽时，到达接收 端间隔大于1 3 3 p s 的多径分量可以被独立接收。 最初，s v 模型用来描述数量级为1 0 0 m h z 的宽带信道的室内模型，即使在这 么窄的带宽( 相对于今天的标准) 下，在信道中仍能观测到成簇到达现象。为了 能够反映这种现象，提出使用基于泊松到达的统计随机过程来描述多径到达时间。 换句话说，多径成分的到达时间间隔服从指数分布。多径到达可以分成两种不同 8 空时码在超宽带通信系统中的戍用 的类型：簇到达和每一簇中的径到达。这食模型使用四个主要的参数来描述不同 的信道环境。它们分另4 是攘到达率，簇中的径到达率，簇衰落因子，径衰落因子。 其中，簇和径的到达率是不需要说明的，衰落因子由观察得到的功率衰减曲线图 ( p o w e fd e c a yp r o f i l e ) 推导得出。总之，这四个参数方便了对不同信道环境的描述。 在最初的s v 模型中，认为多径分量的幅度统计量满足瑞利分布，而它的功率 是由簇和径的衰落因子决定的。然而u w b 信道的测量结果表明，幅度并不是服从 瑞利分布的；而对数正态分布或者n a k a g a m i 分布能更好的拟合测量结果。因此， 通过指定对数正态的幅度分布，把s v 模型修改为l e e e 信道模型。这个模型中也包 含一个阴影项来计算由于视距路线阻挡而产生的全部接收能量变化。以下对最终 采用的信道模型进行了具体描述1 1 “。 信道的离散时间脉冲响应为 ( 2 1 - 1 ) 其中 ，) 为多径增益系数， 巧f 表示第f 簇的延时，似，) 是相对于第f 簇的到达时 间( 五1 ) 的第胼至的延迟， 置) 表示对数乖态分布的阴影部分，f 表示第f 次信道实现。 采用的信道模型使用如下的定义： z ：第f 簇中的第一径的到达时间 a ：簇到达率 a ：径到达率，也就是每一簇中路径的到达率。 由以上定义，我们可以知道，= 0 。簇到达时间和径到达时间的分布由下式给 出， p ( 7 ；i 巧一。) = a e x p 【一人( 互一正一。) 】， o ( 2 1 - 2 ) p ( 苫oi i 1 ) ) = a e x p ( 一a ( 一r 忙一1 ) f ) ) ， 七 o ( 2 1 - 3 ) 信道系数如下定义： a “一p i 焉 ( 2 一1 1 4 ) 2 0 l 0 9 1 0 ( 岛反- f ) a ，研口，( 芦t ，田+ 盯：) ( 2 1 - 5 ) 或者k 风，| = 1 0 “一一2 心， 其中，q 。c o r 口f ( o ，西) ，n ：* d 啪n f ( 0 ，正) 是相豆独立的随机变量t 分别对应 于每一簇和每一径的衰落。 e 【1 导展，1 2 4 q 。e 一7 e 一“j7 7 ( 2 1 6 ) 其中7 ：是第z 簇的到达时间，q 。是第一簇第一径的平均能量，既等概取值于1 以 、， l k r一 互 一 o 6口 ；v 岛。y 矗 x i 、jo嚏 第一章u w b 通信系统和卒时编码技术 表示由于反射而产生的信号翻转。r 和y 分别是簇衰落因子和径衰落因子，地由 如下式子给出： ，= 燮坠器竿业一学( 2 ) 在上面的等式中，岛表示第，簇的衰减，鼠，表示第，簇中第k 径的衰减，注 意这里没有采用复抽头系数模型，复基带模型适合于窄带系统以得到独立于载波 频率的信道实现。但它并不适合于u w b 系统，当采用r f 时，实基带模型可能是 更加合适的。 最后，因为所有路径能量的对数正态衰落由x 项获得，对于每一个信道实现， 包含在 口：， 项中的全部能量归一化为l 。这个阴影项由下式表示： 2 0 】o g l o 皤。) 口硎口，( o ，)( 2 - 1 8 ) 注意，当使用这个模型时，为了与其它宽带和窄带的系统进行比较，多径实现的 全部平均接收功率一般都是归一化为1 ，归一化操作可以通过归一化每一个实现或 者通过在所有信道实现上归一化全部功率。 2 1 2 调制和多址接入方式 一直以来，u w b 通信系统都是基于脉冲无线电【1 3 j 【1 4 l 的概念，脉冲无线电涉及 到了一系列非常短的纳秒极的脉冲的产生。每个脉冲都有很宽的频谱，但一定 要遵循f c c 的功率谱要求。典型的超宽带系统传输时，只允许很低的功率，所以 任意发送脉冲都具有很低的能量。因此将很多脉冲组合起来以发送一个信息比特。 由于本质上是种基带技术，脉冲无线电具有很多优点。下面将分别介绍脉 冲无线电方案、多载波方案、各种不同的调制方案、时跳和直扩技术，重点将放 在脉冲无线电的调制方案。 由于u w b 脉冲在无线信道中能够很好地传输，这种类型的发送不需要使用额 外的载波调制。因此，u w b 技术是一种基带信号处理方法。这种无线电就定义为 脉冲无线电。为了抵抗噪声和干扰的影响，一个信息符号使用个脉冲来发送以 得到处理增益。这与扩展频谱系统所使用的方法类似。处理增益以d b 的形式表示 为 尸e * 1 0 l 0 9 1 0 ( j ) ( 2 1 - 9 ) 与扩展频谱系统不同，脉冲( 码片) 没有必要占据整个码片间隔。这意味着 占空比是很低的，接收机仅仅需要使用很少的一部分脉冲间隔时间来监听信道， 因此任何连续干扰源的影响被减弱了，当接收机试图检测脉冲时，干扰源才起作 用。从扩频系统减少干扰影响的角度来说，这种方式带来了处理增益。由于低的 窄时码在超宽带通信系统中的施用 其中乃是时跳帧长，l 是脉冲宽度。 整个处理增益p g 是两个处理增益之和【1 5 】。即 p g = 尸q + p g 2( 2 - 1 - 1 1 ) 脉冲重复时间一般是1 0 0 1 0 0 0 倍的脉冲宽度。符号速率可以按照用来调制 一个数据符号的脉冲数目来定义。 r 2 专2 赢 ( 2 。1 。1 2 ) 其中r 为符号速率，i 为符号时间，l 为时跳帧长，。为发送每一数据符号使用 的脉冲数目。 当时跳帧长保持不变时，如果数据速率减少，每一个数据符号所使用的脉冲 数目增加，这种情况导致了处理增益的增加。 发送的高斯脉冲为高斯函数的一阶倒数，其时域表达式【1 6 】为 啪“刈詈以川 ( 2 - 1 - 1 3 ) 其中，4 表示脉冲幅度，l 表示脉冲宽度，f 表示时间。 相应的傅立叶变换为 啪) 川，) _ 一j 竽序w ( 2 - l _ 1 4 ) 其中，表示频率。 图2 1 、2 2 中分别给出了对应于不同脉冲宽度的脉冲时域和频域波形。 标称中心频率和脉冲带宽依赖于脉冲的宽度。3 d b 带宽大约是脉冲标称中 心频率，o - v 乙的1 1 6 。例如，脉冲宽度为o 5 s 的脉冲，标称中心频率为1 3 3 g h z ， 3 d b 带宽为1 5 5 g h z 。高斯脉冲的频谱是非对称的，如图2 2 所示。 在最近的关于多带u w b 信号的提议【1 7 】中，幢e e 8 0 2 1 5 3 工作组使用了u w b 信号的混叠组，每一组具有大约5 0 0 m h z 的带宽。多带u w b 遵守了f c c 规定的 最小带宽需要，并且有效地使用了获得的频谱。 图2 3 出示了第一组超宽带信号的频谱分配方案；子带宽为4 7 0 m h z ，可以使 用很多带宽为5 0 0 m h z 的信号。这种方案允许和现有的通信系统共存( 例如w u m 系统) 。每一个o h ) m 符号产生1 叫b 带宽约为5 2 0 m h z 的子频带。 吣 o q 幺 g bm i粥 为盏增 理处的生产比空占 第：二幸u w b 通信系统和守时编码技术 4 _ 蠹警 ，、 ”蠢塞j 一- j ：、 i 、 l 、 j “ 、 ! 。 ! 。、 图2 1 离斯脉冲的时域波形 1 尹_ 1 ； 、，jj j i 凋 。b。cs ? 茁 鑫 ，： 图22 高斯脉冲的频域波形 图2 4 给出了第二组超宽带信号的频谱分配方案。它与第一组超宽带信号有 2 3 5 m h z 的频谱混叠。这种方案潜在地增强了系统的共存，干扰消除和多址接入能 力。 每一组超宽带信号被分成低频部分( 子频带l _ 8 ) 和高频部分( 予频带9 1 5 ) 。 在低频部分仅使用七个子频带，这意味着一个子频带避免使用。高频部分与低频 部分并行使用以增加比特传输速率。 图2 3 多带方案一a 组 f x 9 多带方案一a 组和b 组 u w b 系统使用了多种调制方案，可以使用的调制方法包括正交和反向两部 分。 典型的脉冲幅度调制( p a m ) 可以使用两个相反的高斯脉冲来表示，发送的 二进制基带脉冲幅度调制信息信号s p ) 可以表示为 0 io，1 4 4 j o b e)zo_$n*lm 空时码在超宽枯通信系统中的随甩 5 0 ) id 。w ( f ) ( 2 1 1 5 ) 其中，w o ) 表示发送的u w b 脉冲，d 一1 ，+ 1 1 对应发送比特为o ， + 1 对应发送比特为1 。 第二种调制方案是二进制( o o k ) ，仍然采用上面的表达式表示发送信号，其 中d o ，+ 1 ，o 对应的发送比特为o ，+ 1 对应的发送比特为1 。o o k 和h w 之间的主要区别在于当信息比特o 发送时，o o k 没有信号发送。 对于脉冲位置调制( p p m ) ，发送的信息比特影响u w b 脉冲的发送位置。当脉 冲从零时刻丌始时，表示发送的信息比特为o ，而比特1 由偏移量为6 的脉 冲表示。因此信号可以表示为 s ( f ) = w ( f 一6 d )( 2 - l 一1 6 ) 其中d o ，+ 1 ，0 对应的发送比特为o ，1 对应的发送比特为1 。 d 值可以按照脉冲自相关函数的特点来选择。具体选择准则见参考文献【1 8 】。 脉冲成形调制( p s m ) 使用正交脉冲来表示发送的信息比特0 和1 。发送 的脉冲可以表示为 s o ) = ( 1 一d ) w o o ) + 咖1 o )( 2 1 - 1 7 ) 其中d 如上定义，w 聊( f ) 、”p ) 分别表示对应于发送信息比特0 和1 时的 发送脉冲。 对于数据调制，首先产生脉冲序列，然后使用随机技术来分散脉冲序列的频 谱；最后使用数据调制来发送信息比特。用来随机化脉冲序列的两种主要方法为 时跳和直接序列技术。 对于一个u w b 通信系统，数据调制典型地基于使用t h u w b 为基础的p p m ， 这种方法允许在接收端使用匹配滤波器技术。t h p p m 脉冲在频带内扩展了射频能 量，减少了脉冲序列频谱大的毛刺。当使用伪随机码来确定跳帧时间内发送时刻 时，发送脉冲的频谱变成类似于白噪声的信号。时跳随机化了信号的时域和频域。 伪随机时跳也减少了多址接入系统中用户问的冲突，其中每个用户都有各自的 脉冲偏移类型。然而，伪随机时间调制导致的结果是接收端需要知道每一个用户 的伪随机码字。 在时跳模式中，脉冲的发送时刻是由伪随机码定义的。一个数据比特由多个 脉冲重复发送，由于脉冲的重复发送而得到了处理增益。当较低的发送占空比时， 也可以增加处理增益。 跳时扩频方法可以应用到p a m 、p p m 、p s m 中。然而，出于在发送信息比特 o 时，没有信号发送，o o k 不能利用跳时所提供的好处；并且它也会带来同步 方面的问题。 第一二章u w b 通信系统和空时编码技术 在p a m 调制中 在p p m 调制中， 第m 个用户的发送信号可以表示为 一。) 。荟磊呻一蝎一巧一h ) 盥冽帕 ( 2 。1 8 ) 第m 个用户的发送信号可以表示为 一( f ) 4 荟荟w ( 瓦一玛一( c w ) 靠唰( 2 小1 9 ) 在p s m 调制中，第m 个用户的发送信号可以表示为 一o ) _ 。善，o 一蝎一珥一p 。) ) ( 2 - 1 - 2 0 ) 对于p a m 、p p m 调制，信息比特0 或1 使用相同的时跳序列。而在 p s m 调制中，要使用两种不同的时跳序列。这导致了帧时间内单脉冲的不同分配 方案。 当使用d s 技术时，就像传统d s 扩展频谱系统，使用伪随机码把信息比特扩 展到多码片中。在d s u w b 系统中，脉冲波形所起的作用类似于传统d s 系统中 的码片。p p m 调制本质上是一种跳时技术，因为在发送时隙内由脉冲位置给出信 息比特值。使用d s 技术作为一种扩展方法将会产生。一种信号的混和d s 厂i h 配置。 第m 个用户的p a m 、o o k 信号可以表示为 s 忡1 ( f ) _ 。w ( f 一一j t 煳州哪 ( 2 1 - 2 1 ) 其中噍是发送的第k 个数据符号，( c ，) ，是伪随机码的第j 个码片，w ( f ) 是发送的 脉冲波形，表示每一个数据比特使用的脉冲数日，r 是码片宽度，伪随机码是双 极性的，取值为- 1 ，+ l 。发送比特时间为瓦= 暇= j l 对于p s m 调制，第m 个用户的发送信息信弓可以表示为 】 一( f ) ；。薹，( 乃一j 骐，) p ( 2 - l - 2 2 ) 其中文用来决定要发送的u w b 脉冲。 2 1 3r a k e 接收机 u w b 系统可以看作是传统扩展频谱系统的一种延伸。传统u w b 系统与s s 系统的主要不同在于它们使用不问的无线信道。u w b 系统具有丰富的多径分量， 能够组合的多径分量增加了接收信号的能量，不能够组合的多径分量成为系统的 干扰。由于u w b 系统具有很宽的带宽，因此就会有大量的可接收的多径分量，这 卒时码在超宽带通信系统中的应用 也意味着将会增加接收机的复杂性。 在多径衰落信遭中，通过使用分集技术，如f a j ( e 接收机能够增加接收信号的 能量。r a k c 接收机组合了信道中传输的不同路径成分，这种方式可以被看作为一 种时间分集。不同信号成分的组合将会增加信噪比，进而改善系统的性能。这里 我们将介绍三种类型的r a k e 接收机【1 9 j 。 通过使叉指的数目等于多径分量的数目，理想的r a k e 接收机能够获得所有接 收信号的能量，其中又指指的是r a k e 接收机的抽头。这种接收机被称为卜r a k e 接 收机。使用这种接收机的问题在于需要无限数目的r a k e 叉指，也就是需要无限数 目的相关器。因此，a r a k e 接收机是不可能实现的。 实际采用的i a k e 接收机为s f a k e 接收机，它仅仅采用l 条最强的多径分量， 在使用s - r a k e 接收机时，需要进行信道估计。当检测到最强多径分量时，s n r 值 达到最大。相对于单一路径的接收机，系统性能得到了改善。相对于a r a k e 接收 机，通过选择具有较大信号幅度的多径分量，s - f a k e 接收机的复杂性得到较大减少。 p _ r a k e 接收机是s r a k e 接收机的一种近似简化，它组合最先到达的l 个多径 分量。依据的原理是假设最初到达的多径分量是最强的，并且包含了大部分接收 信号功率。缺点是有可能p r a 】( e 接收机组合的多径分量不是最强的，因此不能达 到最佳的性能。 这里通过使用m r c 【2 0 j 来达到与a w g n 信道接近的性能。m r c 通过相关组合 所有的多径分量以达到最佳性能。但需要使用信道估计来得到信道信息。接收机 的延迟接收依靠于信号带宽。基于信道估计，大量的可区分传输路径在接收端是 可分的。在接收机的可分辨时间内到达的所有多径分量可以被看作为一个单独路 径。单独路径的能量是所有不可分路径能量的总和。 在理想条件下，a r a k e 接收机优于s r a k e 接收机的性能，而s - r a k e 接收机优 于p _ r a k e 接收机。然而，如果最强的多径成分出现在脉冲响应的开始处，p - f a k e 接收机和s r a k e 接收机将会具有相同的性能。在实际应用中，s r a k e 接收机需要 使用信道估计来得到强度最大的多径成分，特别是在非视距传输中，相对于p _ r a k e 接收机来说，增加的复杂性改善了系统的性能。 2 2 分组空时码 1 9 9 8 年，a l 狮o u t i f 3 】提出一种利用两个发送天线的发送分集方案，这种编码体 制支持最大似然检测，接收端采用线性处理技术。该方案在2 个发送天线和1 个 接收天线的条件下能够提供与1 发2 收的最大比合并接收( m r r c ) 相同的分集增 益。同时在2 个发送天线，用个接收天线的情况下，接收方先将2 发1 收时的合 并方案应用于每个接收天线，再将每个天线上合并后的信号进行简单的相加，就 一 垫三翌! 璺里堡堕墨竺塑! 堕塑型垫查 ! ! 可获得抽的分集增益。实际上，该方案的发送码矩阵是萨交的。分组空时码 ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ) 就是在此基础之上根据广义j f 交设计的原理提出的。 t a r o k h 受a l a m o u t i 的启发，利用f 交设计的原理寻找类似的采用多个发射天 线的编码方案。r a d o n 证明了只有当发送