（计算机应用技术专业论文）超宽带系统的物理层仿真及其同步技术的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：移动通信与无线技术 作 者：翌堕级研究生 陈丽琴指导教师邵世祥 题目：超宽带系统的物理层仿真及其同步技术的研究 英文题目：t h es i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h es t u d yo f s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi nu w bs y s t e m 主题词： k e y w o r d s 8 0 2 1 5 3 a物理层s i m u l i n k 超宽带同步 脉冲捕获l s 估计相位跟踪定时同步 能量差 8 0 2 1 5 3 ap h ys i m u l i n k u w bs y n c h r o n i z a t i o n i m p u l s ea c q u i s i t i o n l se s t i m a t i o n p h a s et r a c k i n g t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ne n e r g yd i f f e r e n c e 堕室堂皇查兰堕主堕塞生望垡堕苎 塑墨 摘要 超宽带( u w b ) 技术近来被认为是解决高速率、短距离无线通信系统的有效方案。它 具有通信容量大，辐射功率密度低，抗多径干扰，结构简单和保密性好等优点。本文在对 u w b 系统协议i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准提案物理层进行仿真的基础上，着重研究u w b 系统中 的同步技术和整体同步方案。 本论文首先介绍了u w b 系统协议i e e e 8 0 2 1 5 3 a 的标准提案，并利用m a t l a b 工具 实现了对其物理层的s i m u l i n k 仿真，讨论和研究了其在不同编码方式、调制方式和信道 下的系统性能。在上述工作的基础上，对u w b 系统的同步技术进行了研究，以整体最优 为出发点，在考虑各种同步算法的性能和复杂度的基础上，提出了一套基于i e e e8 0 2 1 5 3 a 系统的同步方案。针对i r u w b 系统，提出了具有同步跟踪功能的系统同步方案；针对 o f d m u w b 系统，依据u w b 信道特有的多径分量独立性衰落的特点及其m b o a 联盟提 供的用于帧同步的特定前导格式，提出了一种新的能量差与门限值相比较的定时同步算 法。 堕堡堕皇查兰堡主塑塑竺兰篁堕塞 ， 垒! 堕坚 a b s t r a c t u l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e e nr e c e n t l yp r o p o s e da sas i g n i f i c a n ts o l u t i o nf o r l l i 曲s p e e ds h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o i m n u n i c a t i o ns y s t e m sa si t p o t e n t i a l l yc o m b i n e sr e d u c e d c o m p l e x i t yw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p ta n di m m u n i t yt om u l t i p a l f a d i n g i nt h i st h e s i s ，b a s e do ns i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e rd e f i n e di nt h ep r o p o s e di e e e s t a n d a r d8 0 2 15 3 a ，f o c u si sp u to ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n di t sw h o l es y n c h r o n i z a t i o n s c h e m ef o ru w b s y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r o t o c o l so ft h ep r o p o s e di e e e 8 0 2 15 3 aa n dd o e st h e s i m u l a t i o no ft h ep h yl a y e ru s i n gm a t l a b f u r t h e r m o r e ，w ed i s c u s st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mu s i n gd i f f e r e n tc o d i n g ，m o d u l a t i o na n dc h a n n e ls c h e m ea c c o r d i n gt ot h ei e e e 8 0 2 1 5 3 a p r o t o c 0 1 b a s e do nt h ew o r ka b o v e ，t h ep a p e rp u t se m p h a s i so nt h er e s e a r c ho ft h ec r i t i c a l t h e c h n o l o g yo fu w bs y s t e m w ep r o p o s ea ni n t e g r a ls c h e m eo fs y n c h e r o n i z a f i o nb a s e do nt h e p r o t o c o li e e e 8 0 2 1 5 3 aa i m i n ga tt h eb e r e ra l g o r i t h r na n dl o wc o m p l e x i t y f o ri r u w bs y s t e m ， w ep r o p o s ean o v a ls y n c h r o n i z i n gs c h e m ew i t hp h a s et r a c k i n g ，a n df o ro f d m u w bs y s t e m ， a c c o r d i n gt ot h ei n d e p e n d e n tf a d i n gp r o f i l eo fu w bc h a n n e lm u l t i p a t hc o m p o n e n t sa n dt h e s p e c i a lf l a m es y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c ep r o p o s e db ym b o a ，w ea t t e m p tp i n p o i n tt h ee x a c ts t a r t o ft h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) w i n d o wb yf i r s ta c c u m u l a t i n gm u l t i p a t he n e r g i e sa n dt h e n d i s c e r n i n gf o rf i r s ts i g n i f i c a n tm u l t i p a t hc o m p o n e n t st h r o u g ht h r e s h o l dc o m p a r i s o nb e t w e e n c o n s e c u t i v ea c c u m u l a t e de n e r g yd i f f e r e n c e s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超宽带无线通信技术的背景及相关概念 1 1 1u w b 技术背景和原理 如今随着数字视频技术的发展，家庭影院、数字化视频光盘播放器、数字电视、宽带 因特网接入等电子产品的消费迅速增长，这对高吞吐量( 1 0 0 m b i t s ) 、可靠、短距离数据链 路带来了前所未有的需求。对消费类产品来说，可携带、经济以及省电是新一代产品的最 重要的特性。超宽带无线通信是最有潜力解决所有上述问题的技术，这种传输技术有可能 成为无线局域网( w l a n w i r e l e s sl a n ) 、无线个域网( w p a n w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 、无线体域网( w b a n w i r e l e s sb o d ya r e a n e t w o r k ) 等未来网络应用的主流技 术。 超宽带通信技术的应用可追溯到马可尼，他在2 0 世纪利用电火花隙发射器产生非常 窄的脉冲信掣3 们。但是，电火花隙传输带来了宽带干扰并且不支持频率共享。为了便于频 率资源的共享和管理，通信领域后来选择了窄带无线传输方式而暂时放弃了宽带通信。 香农定理告诉我们，对信号衰减较小的短距离通信w p a n 而言，利用更大的带宽会大 大提高传输容量，由此激发了u w b 在短距离通信中的应用。此外，集成电路、信号处理 等技术的发展使超宽带技术变得易于实现。 美国联邦通信委员会( f c c ) 定义超宽带信号为基带带宽对载波频率的比值大于o 2 0 ， 或者带宽大于5 0 0 m h z 的信号。其中，超宽带带宽定义为：低于最高发射功率1 0 d b 的 截止频率间的带宽。在f c c 制定的规范中，超宽带技术在短距离( 小于1 0 米) 和低发射功 率( 平均e i r p 为4 1 2 d b m m h z ) 时有高达几个g b p s 的巨大的容量潜力。 自从1 9 世纪无线电技术的发明以后，近一个多世纪当中，无线通信传输理论基本上 都是建立在正弦波的基础上的。而u w b 信号是一种非正弦的窄脉冲，且不使用载波，对 传统的通信提出了新的挑战。u w b 系统工作的基本原理是发送和接收脉冲间隔严格受控 的高斯单周期超短时脉冲，并利用发送脉冲信号传送数据。每秒可发送多至1 0 亿个代表0 和1 的脉冲信号，这些信号被分散在一个很宽的波谱范围内，在任何一个频段，u w b 脉 冲信号的功率都十分低，因此它们似乎仅仅是些背景噪音，不会对其他信号产生任何影 响，既不会影响移动电话通话，也不会影响广播。而接收端直接利用一级前端互相关器就 堕室! ! ! ! ! 皇查堂堡主鲨塞生堂垡兰墨 兰二里堕丝 把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，所以大大降低了设各复杂 性，节约了成本。 u w b 虽然是一种无载波通信系统，但为了更好的收发u w b 脉冲信号，仍需调制。例 如，u w b 采用p p m 调制( 脉冲位置调制) 单周期脉冲来携带信息和信道编码，脉冲宽度 一般为o 1 1 5 n s ，重复周期为2 5 。1 0 0 0 n s 。之所以采用这种调制方式，是因为在实际的通信 系统在时域中使用一长串的脉冲，时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化，导致频 谱中出现了强烈的能量尖峰，这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，且这种规 则的脉冲序列也并未携带多少信息。只要打破脉冲序列的规则性，就可以降低或消除强烈 的能量尖峰，并可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间6 来表示 特定的信息。由于调制前脉冲的平均周期和调制量6 的数值都极小，所以调制后在接收端 需要用匹配滤波技术才能正确接收。经过p p m 调制后，降低了频谱的尖峰幅度，但仍不 够十分平滑。为了改变这种情况，可以让重复时间的位置偏移量6 大小成随机性变化。可 以对一个相对长的时间内的脉冲串按位置调制进行编码，如果采用伪随机序列编码，这就 实现通信系统的码分多址。但接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。 1 1 2u w b 的五大优点和关键技术 u w b 技术可实现以单一技术同时满足不同类型的短距离通信，使其在8 0 2 1 5 x 系列 标准中的应用成为必然。与其他宽带技术相比，u w b 具备- f y u 优点2 ，3 】： ( 1 ) 抗干扰性能强。u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将 微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接 收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与i e e e8 0 2 1l a b 和蓝牙相比， 在同等码速条件下，u w b 具有更强的抗干扰性。 但) 传输速率高。理论上一个宽度为0 的脉冲具有无限的带宽，u w b 理论上速率可达 到1 g b s 。u w b 使用的带宽在1 g h z 以上。 ( 3 ) 消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时要连续发射载波会消耗一定电 能。而u w b 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波直接按0 和1 发送，并且只在需要时发 送脉冲电波，因此消耗电能小。 f 4 ) 保密性好。u w b 保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频技术，接收机只有 在已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传 统的接收机无法接收。 2 堕重些里查堂堡圭型翌生堂竺兰= ! i ! ； 一 塑二蔓塑堡 把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，所以大大降低了设备复杂 性，节约了成本。 u w b 虽然是一种无载波通信系统，但为了更好的收发u w b 脉冲信号，仍需调制。例 如，u w b 采用p p m 调制( 脉冲位置调制) 单周期脉冲来携带信息和信道编码，脉冲宽度 一般为o1 1 5 n s ，重复周期为2 5 - 1 0 0 0 n s 。之所以采用这种调制方式，是因为在实际的通信 系统在时域中使用一长串的脉冲，时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化，导致频 谱中出现了强烈的能量尖峰，这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，且这种规 则的脉冲序列也并未携带多少信息。只要打破脉冲序列的规则性，就可以降低或消除强烈 的能量尖峰，并可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间6 来表示 特定的信息。由于调制前脉冲的平均周期和调制量6 的数值都极小，所以调制后在接收端 需要用匹配滤波技术才能正确接收。经过p p m 调制后，降低了频谱的尖峰幅度，但仍不 够十分平滑。为了改变这种情况，可以让重复时间的位置偏移量6 大小成随机性变化。可 以对一个相对长的时间内的脉冲串按位置调制进行编码，如果采用伪随机序列编码，这就 实现通信系统的码分多址。但接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。 1 1 2u w b 的五大优点和关键技术 u w b 技术可实现以单一技术同时满足不同类型的短距离通信，使其在8 0 21 5x 系列 标准中的应用成为必然。与其他宽带技术相比，u w b 具备下列优点 2 7 1 ： ( 1 ) 抗干扰性能强。u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将 微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接 收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与1 e e e8 0 2 1 l a p o 和蓝牙相比， 在同等码速条件下，u w b 具有更强的抗干扰性。 f 2 ) 传输速率高。理论上个宽度为0 的脉冲具有无限的带宽，u w b 理论上速率可达 到1 g b s 。u w b 使用的带宽在1 g h z 以上。 r 3 1 消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时要连续发射载波会消耗一定电 能。而u w b 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波直接按0 和l 发送，并且只在需要时发 送脉冲电波，因此消耗电能小。 r 4 ) 保密性好。u w b 保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频技术，接收机只有 在己知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传 统的接收机无法接收。 统的接收机无法接收。 2 堕塞堂皇奎堂堡主堡壅皇兰堡笙苎 笙二里堕笙 ( 5 ) 发送功率非常小。u w b 发射功率非常小，通信设备用小于l m w 的发射功率就能 实现通信。低发射功率可使系统电源工作时间大大延长，减少电磁波辐射对人体的影响。 u w b 的关键技术有信号设计、传输技术、同步、抗多径、抗衰落和多用户检测等方 面。 1 1 3u w b 的应用前景 目前，业界正为开发标准u w b 无线平台而进行努力【2 8 1 。标准u w b 无线平台包括两 个核心“层”：u w b 射频层和融合层，该平台可作为不同应用的基本传输机制，这些应 用包括了无线u s b 、无线i e e e1 3 9 4 、新一代蓝牙以及通用即插即用( u p l l p ) 等。 u w b 技术可广泛地应用于无线个域网中，例如：用于取代目前数码摄像机、数码相 机和m p 3 播放机等移动数码产品与电脑或家电设备进行文件传输的线缆，让这些设备实现 无线连接；在电脑和电脑外设( 如打印机、扫描仪和外置存储设备等) 之间实现高速无线 u s b 连接；应用于新一代蓝牙设备，以及应用于电脑和家电之间的无线连接。 u w b 还可应用于电脑音屏视频家电设备间的无线节目传输。u w b 可以将挂在墙上 的等离予电视和卫星电视接收盒或d v d 播放机连接起来，u w b 同样将被应用于家电与电 脑及电脑设备的连接，如将数码摄像机上的节目无线传输到电脑进行视频编辑，或将数码 摄像机上的节目无线传输到l c d 显示器进行播放等。 1 2 本论文的主要内容和创新点 1 2 1 论文的主要工作及内容 f 1 ) 介绍了u w b 系统协议i e e e 8 0 2 1 5 3 a 标准提案，并利用m a t l a b 工具实现了对 其物理层的s i m u l i n k 仿真，讨论和研究了其在不同编码方式和调制方式下的系统性能， 考察了在各种衰落信道情况下超宽带系统的性能。重点对u w b 系统的同步技术进行了研 究，以整体最优为出发点，在考虑各种同步算法的性能和复杂度的基础上，提出一套基于 i e e e8 0 2 1 5 3 a 系统的同步方案。 ( 2 ) 针对i r 。u w b 系统中，u w b 特有的脉冲信号及其受多径的影响难以同步的特点， 通过对脉冲捕获、帧捕获及相位跟踪三个同步需求联合考虑，提出了具有同步跟踪功能的 系统同步方案。在使用锁相环电路捕获u w b 脉冲信号的基础上，进一步对帧进行捕获， 并通过类似于信道估计的方法l s 实现相位跟踪，达到u w b 信号接收的整体同步效果。 3 堕塞塑皇查堂堡圭竺塞竺堂垡堡苎篁二皇堕堡 最后通过m a t l a b 仿真证明了该同步方案在超宽带无线信道中具有良好的性能，是适合 i e e e8 0 2 1 5 3 a 系统的同步方式。 ( 3 ) 针对o f d m u w b 系统，依据u w b 信道特有的多径分量独立性衰落的特点及其 m b o a 联盟提供的用于帧同步的特定前导格式，提出了一种能量差f e d j 的定时算法来 解决o f d m - u w b 系统中符号定时同步的问题。这种算法重点在于利用帧同步序列的特殊 格式，首先累计多径能量，然后将两个相邻的累积能量样本之差与特定的门限值比较来辨 别出第一有效多径分量( f i r s ts i g n i f i c a n tm p c ) ，从而估计出f f t 窗口起始的准确位置。 最后利用定时估计的最小均方差( m s e ) 和同步概率来衡量估计的准确性。 本文共分为五章，各章内容安排如下：第一章简要介绍了超宽带无线通信技术背景及 相关概念；第二章详细讨论了u w b 协议i e e e8 0 2 1 5 3 a 及其物理层仿真；第三章介绍了 i r - u w b 的整体同步方案；第四章介绍了o f d m - u w b 的定时同步方案；第五章是结束语， 对毕设课题作出研究展望。 1 2 2 论文的主要创新点 利用仿真工具m a t l a b 对i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准提案的物理层进行s i m u l i n k 仿真， 讨论和研究了在不同调制方式、编码方式及其不同信道下的系统性能。以整体最优为出发 点，在考虑各种同步算法的性能和复杂度的基础上，提出一整套基于i e e e8 0 2 1 5 3 a 的改 进的同步方案。 ( 1 ) 针对i r - u w b 系统，对脉冲捕获电路进行改进，提出了一种改进的方案。通过仿 真实现，与顺序搜索法进行比较，在性能上优于顺序搜索法。 f 2 ) 针对i r u w b 系统，在相位跟踪中引入l s 信道估计方法，使整体同步性能更优。 f 3 ) 针对i r - u w b 系统，对脉冲捕获、帧捕获及相位跟踪三个同步需求联合考虑，提 出一套新的具有同步跟踪功能的整体同步方案。通过仿真分析与比较，得出该方案在性能 上更优于顺序搜索法的结论。 ( 4 ) 针对o f d m u w b 系统，提出一种能量差( e d i 的定时算法来解决o f d m - u w b 系统中符号定时同步的问题。 本同步方案具有计算量少，实现结构简单的特点，满足突发性通信环境下迅速实现同 步的要求：计算机仿真结果表明，该同步方案在超宽带无线信道中具有良好的性能，适合 于i e e e8 0 2 1 5 3 a 系统。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 5 3 a 协议及其物理层仿真分析 第二章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及其物理层仿真分析 2 1i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议 2 1 1 背景介绍 近年来，随着各种短距离无线通信技术的发展，人们提出了一个新的概念无线个 域网( w t a n ) 。在网络构成上，w p a n 位于整个网络链的末端，用于解决同一地点终端与 终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等。w p a n 是基于计算机通信的专用网，是在个人 操作环境下需要相互通信的装置构成的一个网络，无需任何中央管理装置。对于单个设备 而言要求既能提供主控功能又具有从属功能的能力，除此之外，还要求设备能够很容易地 接入或离开现有网络。该系统还要求能运行图像、m p 3 和视频剪辑等多种类型的文件。 w p a n 所覆盖的范围一般在1 0 m 半径以内。蓝牙无线系统就是一种最先出现的解决w p a n 应用的技术，它的主要特点是功率消耗低，系统小型化且成本低。 1 9 9 8 年i e e e8 0 2 1 5 工作组成立，起初叫无线个人网络( w p a n ) 研究组，1 9 9 9 年5 月变为i e e e8 0 2 1 5 w p a n 工作组。主要致力于研究个人区域网络和短距离无线网络标准 化问题；目前8 0 2 1 5 工作组下设五个任务组，其中t g l 负责制定i e e e8 0 2 1 5 1 ，处理基 于蓝牙v 1 x 版本的速率为1 m b i t s 的w p a n 标准；t g 2 负责制定i e e e8 0 2 1 5 2 ，处理在 公用i s m 频段内无线设备的共存问题；t g 3 负责制定i e e e8 0 2 1 5 3 ，这个任务组的目标 在于开发高于2 0 m b i t s 速率的多媒体和数字图像应用；t g 3 a 负责研究高于11 0 m b i t s 速率 的多媒体和数字图像的传输：t g 4 主要负责制定i e e e8 0 2 1 5 4 ，这个任务组研究低于 2 0 0 k b i t s 数据传输率的w p a n 应用。 2 1 2i e e e 8 0 2 1 5 3 协议简介 2 0 0 3 年8 月，新标准i e e e8 0 2 1 5 3 被美国电气电子工程师学会( i e e e ) 批准并发布， “高速率无线个人局域网( w p a n ) 的无线媒体接入控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范”。 该标准允许2 4 5 个无线用户设备同时在几厘米到1 0 0 米的范围内以最高达5 5 m b p s 的速率 接入网络【2 9 1 。为固定和移动设备提供在2 4 g h z 频段上的高速率无线连接。 i e e e8 0 2 1 5 3 规定了5 个原始数据速率，即：l l ，2 2 ，3 3 ，4 4 和5 5 m b p s 。所选择的传输 速率将会影响到传输距离，如：距离为5 0 米时传输速率为5 5 m b p s ，距离为1 0 0 米时传输 5 堕室塑皇查兰堡主型窒兰兰焦堕苎 蔓三童! ! ! ! ! 堡：! ! ：! ! 垫坚墨基塑堡星堕塞坌堑 速率为2 2 m b p s 。较高速率( 如5 5 m b p s ) 可以提供低延迟，多媒体连接和大文件传送等业 务，较低速率( 如1 1 ，2 2 m b l ；) s ) 可以提供音频设备间长距离的连接。 该标准包含了可靠q o s 所需的所有元素，使用t d m a 技术分配设备问的信道，以避 免冲突。依据i e e e8 0 2 1 5 _ 3 所建立的网络可以与其它i e e e s 0 2 1 5 xw p a n ( 如蓝牙系统) ， 以及i e e e s 0 2 1 1 无线局域网( 如w i - f i 系统) 共存。特别是作为企业8 0 2 1 1w l a n 的补 充。企业用户可以在办公区漫游不用担心丢失数据连接。l a n p a n 结构还可扩展公共移 动网在建筑物内的覆盖。该标准的诞生为多媒体，数字成像，高质量音频和其它需要低损 耗、低功率和高速率及高业务质量的高带宽w p a n 应用开启了大门。 2 1 38 0 2 1 5 3 a 协议物理层两大标准提案比较 i e e e8 0 2 1 5 3 的目标在于得到更高的数据传输率，取得低成本和低电能消耗，同时还 与蓝牙兼容。高速w p a n 适合于大量的多媒体文件、短时间内流视频和m p 3 等音频文件 的传送。传送一幅图片，高速w p a n 只需1 秒钟，而蓝牙约需1 分钟。此外，t g 3 a 工作 组进行i e e e8 0 2 1 5 3 超高速w p a n 物理层可选标准的制订工作，用以替代高速w p a n 的 物理层。超高速w p a n 可支持11 0 4 8 0m b s 的数据率。超宽带( u w b ) 技术目前为其主要 考虑的技术。自2 0 0 2 年端到端的u w b 设备被允许限于低功率使用后，t g 3 a 确定了u w b 用于8 0 2 1 5 _ 3 标准，先后有多家厂商提交了标准技术，目前陷入d s u w b 和o f d m - u w b 两种方案竞争的僵局之中。2 0 0 4 年以来，以英特尔和t i 为首的多频带o f d m 联盟( m b o a ) 提出的多频段正交频分复用( m b o f d m ) 技术和f r e e s c a l e ( 前摩托罗拉半导体部门) 提出的 直接序列码分多址技术( d s - c d m a ) 在标准上的分歧和争执成为关注的焦点。 为了避免u - m i ( 无需许可证的国家信息基础设施) 干扰，d s u w b 采用了低频段( 3 1 4 8 5 g h z ) 、高频段( 6 2 9 7 g h z ) 和双频带( 3 1 4 8 5 g h z 和6 2 9 7 g h z ) 3 种操作 方式 9 1 。低频段方式提供2 8 5 m 4 0 0 m b i t s 的传输速率，高频段方式提供5 7 8 0 0 m b i f f s 的传输速率。d s u w b 在每个超过1 0 h z 的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用2 4 脉 片符号的直接扩频( d s s s ) 实现编码增益，与o f d m u w b 相比有较好的频率利用率。 o f d m u w b 的核心思想是把频段分成多个5 2 8 m 的子频带，每个子频带采用时频交 织正交频率复用( t f i o f d m ) 方式，数据在每个子带上传划1 0 】。传统意义上的u w b 系 统使用的是周期不足l n s 的脉冲，它的带宽高达几个g 。而o f d m u w b 通过多个子带来 实现带宽的动态分配，增加了符号的时间。长符号时间的好处是抗i s i ( 符号间干扰) 能力 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 153 a 协议及其物理层仿真分析 较强，但是o f d m 方式提高了收发器的复杂度，增加了对i c i ( 子信道间干扰) 的处理 对功放器件的线性度要求也更高了。 d s u w b 和o f d m u w b 主要技术参数如表2 - 1 所示： d s - c d m ao f d m u w b 频带数量 2 1 0 ( 第一代系统为3 ) 频带带宽 1 2 6 8 g ，2 7 3 8 g 5 2 8 m h z j 子频带 频率范围a 群：3 1 4 8 5g h za 群；3 1 6 8 4 7 5 2g h z b 群：6 2 9 7 g h zb 群：4 7 5 2 6 0 7 2g h z c 群：6 0 7 2 8 1 8 4g h z d 群：8 1 8 4 1 0 2 9 6g h z 复用方式c d m a时频交织( t f i ) 调制方式 b p s k q p s k ，d s s st f i o f d m ，q p s k 纠错编码 卷积码卷积码 编码率 1 2 卷积码 1 ，3 卷积码 5 3 3 m b p s & 1 0 6 7 m b p s 5 5 m b p s & l1 0 m b p s & 2 2 0 m b p s 11 3 2 卷积码 5 5 m b p s & l1 0 m b p s 3 ，4 卷积码 5 0 0 m b p s & 1 0 0 0 m b p st ，2 卷积码 8 0 m b p s & 1 6 0 m b p s & 3 2 0 m p p s l 卷积码 6 6 0 m b p s & 1 3 2 0 m b p s 5 8 卷积码 2 0 0 m b p s & 4 0 0 m b p s 3 4 卷积码 4 8 0 m b p s 码元宽度 7 3 1 p s ( 低带) ，3 6 5 5 p s ( 高带) 31 2 5 n s o f d m 符号 链路余量 6 7 d b 1 0 m l1 0 m b s 5 3 d b 1 0 m 11 0 m b p s 1 1 9 d b 4 m 2 0 0 m b p s1 0 d b 4 m 2 0 0 m b p s 1 7 d b 2 m 4 8 0 m b p s 11 5 d b 2 m 4 8 0 m b p s 表2 1d s u w b 和o f d m - u w b 主要技术参数比较 d s u w b 和0 f d m u w b 的最主要区别在于带宽的分配方法，由此衍生了各种性能上 的差异。d s u w b 子信道间的干扰( i c i ) 受影响小。定位准确，耗电量小，适合作为对 鲁棒性要求和覆盖率要求大的系统。o f d m u w b 与其他无线系统( 如w l a n ) 能够灵活 共存，符号周期长，对时间抖动不太敏感，但设备复杂度高。 当然，u w b 不仅仅指的是d s c d m a 或m b o f d m ，他们仅仅是处于u w b 完整构 架的最底层。如图2 1 所示，d s - u w b 或o f d m u w b 相当于物理层，位于整个构架的最 底层，它还分两个子层，即物理层( p h y ) 和媒体接入层( m a c ) 。在其上面是w i m e d i a ( 无 7 堕塞塑皇奎兰堡主堕塾竺兰壁堡苎 墨三兰! ! ! ! ! ! ! ：! ! ：i ! 坐望墨茎望里墨堕塞坌堑 线多媒体) 的汇聚层，有点类似于链路层或事务层，介于物理层和应用层的中间。在w i m e d i a 汇聚层的上面就是应用层面的无线u s b 、无线1 3 9 4 和其他的应用环境，这些层多已被 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 确认。 2 2 物理层概述 图2 1u w b 系统架构图 物理层有3 个部分：物理层管理层( p l m e ) 、物理层会聚协议( p l c p ) 和物理介质 依赖子层( p m d ) 。 p l c p 子层将m a c 层信息映射到p m d 子层，使m a c 层对物理介质的依赖性减到最 低。p m d 子层在p l c p 下方，p m d 支持两个或多个工作站之间通过无线介质实现物理层 实体的发送和接收。p m d 需直接面向无线介质( 大气空间) ，并对数据进行调制和解调。 p l c p 和p m d 之问通过原语通信，控制发送和接收功能。 2 2 1 调制方式 在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同 的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。 对于单个脉冲调制，脉冲的幅度，位置和极性都可以用于传递信息。经典的单脉冲调 制技术包括：脉冲幅度调制( p a m ) 、脉冲位置调胄t j ( p p m ) 、二相调制( b p s k ) 和开关键控( o o k ) 等。图2 2 是四者的时域波形示意图。其中b p s k 和o o k 是p a m 的特殊形式，以下对这 几种基本的调制方式作一介绍。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 5 ，3 a 协议及其物理层仿真分析 2 2 1 1p a m 调制 斗卜t 十寸 斗卜扣似 小卜卜抖 斗卜卜寸古 图2 - 2 数据流( 1 ，0 ，1 0 ) 的四种u w b 调制方法波形对比图 ( a ) o o k ( b ) p a m ( c ) b p s k ( d ) p p m 脉幅调制p a m 是u w b 信号的一种典型波形，其模型为 ( ，) = d j , f t 一巧) ( 2 一1 ) 其中，嘭是信息序列，弓是脉冲重复周期，以f ) 是脉冲波形。当假设乃是独立同分 布的随机变量时，该信号的功率谱密度为； 垂c 门= 雩1 w c 州2 + 等砉1 w c 号，降，一号， 甸 其中，w ( ，) 是似f ) 的傅氏变换，司和约分别为数据的方差及均值。 由此可见，p a m 信号的功率谱密度由连续谱与离散谱两部分组成。为了不影响其它使 用同频段的系统，必须对u w b 信号的功率谱密度加以限制。于是离散谱的存在就会导致 u w b 的总发射功率下降，所以应尽可能减小离散谱，最好使之为零。由( 2 - 2 ) 式知，离散谱 线的幅值与数据d ，的均值成正比，故应尽可能减小心。 根据d 的不同取值，可将p a m 调制方式分为以下几种： ( 1 ) o o k ：发送数据为1 时，u w b 信号的幅度为：d ，= 1 ， 发送数据为0 时，u w b 信号的幅度为：嘭。0 。 ( 2 ) p a m ：发送数据为1 时，u w b 信号的幅度为：d ，= 崩， 发送数据为0 时，u w b 信号的幅度为：d ，= 屈：且o 0 ( 2 - 7 ) 其中第聩葵中第k 条路径的幅度为岛，服从r a y l e i g h 分布，且 膨= p 2 ( o ，o ) e x p ( 一乃f ) e x p ( 一a )( 2 - 8 ) p 2 ( o ，0 ) 是第一簇中第一条路径的平均功率。 图2 - 3 ( a ) 和图2 - 3 0 0 ) 分别描述了信道冲激响应和双指数模型。s - v 模型符合i n t e l 模型 测量的信道参数，然而测量数据表明多径幅度服从对数正态( 1 0 9 n o r m a l ) 分布。a - k 模型 川与s - v 模型的不同之处在于k 模型是单指数衰减，而s v 模型是双指数衰减。虽然k 模型能够很好地拟合测量数据，但是因其单指数衰减，不能同时拟合l o s 和n l o s 信道 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第z - 章i e e e s 0 2 1 5 3 a 协议及其物理层仿真分析 的平均延迟及均方根( r m s ) 延迟扩展。s v 模型引起双指数衰减，能够符合l o s 和n l o s 情况下的信道参数。 、丽 j i 图2 - 3 ( a ) s - v 信道冲激响应 图2 3 ( b ) 双指数模型 根据超宽带多径信号成簇到达的特点，i n t e l 提出了一个与s v 模型很相近的改进信道 模型吲。对于该信道的多径增益幅度，使用对数正态分布代替r a y l e i g h 分布，能够更好地 拟合测量数据。此外，假定每一簇以及簇中的每一条路径都是独立衰落的。多径模型的冲 激响应为： l ，k = 工吼，j ( 卜z 一吒，) ( 2 - 9 ) ，a 0k = o 式中，a k ，一多径的增益系数；巧、靠f 、a 、五定义同前； x 一对数正态阴影( 1 0 9 n o r m a ls h a d o w i n g ) ； 三一多径信道的簇数： k 一每簇中的路径数； 6 ( t ) - - d i r a cd e l t a 函数。 上述模型有如下定义：，= 0 。 信道系数有如下定义： 2p k ，缶孱。 ( 2 1 0 ) 上式中，p k ，为以等概率取+ 1 和一1 的离散随机变量，当反映了第埔的衰落，屏，则 为第，簇中第k 条路径的衰落，服从对数正态分布： 2 0 l o g l 。皤反，) n ( t k , t , 砰+ 司) ，或峰肛，j = 1 0 一 ”。 ( 2 11 ) 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 21 5 3 a 协议及其物理层仿真分析 式中，n l n ( 0 ，拜) 和n 2 n ( 0 ，吒2 ) 是独立的，分别对应于每一簇和每一条射线( 路径) 的衰落。其中： e i 缶反j 2 = q 。e 一日，r e 一，7 ( ：。：) 式中，q 。是第一簇中第一条路径的平均能量。 式( 2 - 1 1 ) 的均值胁，如下定义为： 凤f 2 l o l n ( f 2 0 ) 一l o 霉f l o t k ，y 0-7+0-；)tnoo) t r i oo ) 2 0 ( 2 1 3 ) 注意到，这里没有采用复数抽头模型。复数基带模型是窄带系统记录不依赖于载频的 信道特性的不二之选。但是对超宽带系统而言，实数值的仿真更合适一些。x 表示多径总 能量的对数正态阴影，该阴影有如下特征：2 0 l o g i o ( 工) n ( 0 ，吒2 ) 。 2 2 2 3 信道实现 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 的u w b 等效信道模型7 i 描述的是一种在普通办公室或家庭环境下的短 距离可视或非可视信道。有四种不同的射频环境：c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 。具体参数 如表2 2 和表2 3 所示。 c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 各种信道的离散时间冲激响应分别如图2 3 ，2 4 ，2 - 5 ，2 - 6 所示，信道条件最恶劣的是c m 4 信道模型，从图2 - 6 中我们可以看出，其多径时延扩展不 超过2 5 n s 。 信道模型参数 c m lc m 2c m 3c m 4 a ( 1 n s e c ) 0 0 2 3 30 40 0 6 6 70 0 6 6 7 五( 1 n s e c ) 2 5o 52 12 1 1 17 15 51 4 0 02 4 0 0 ，4 36 77 9 1 2 盯( d b ) 3 3 9 4 l3 3 9 4 13 3 9 4 l3 3 9 4 l 0 2 ( d b ) 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 1 吒( d b ) 3333 表2 - 2 不同信道模型的参数 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 53 a 协议及其物理层仿真分析 信道模型 c m lc m 2c m 3c m 4 代表环境 l o s ( o - 4 m )n l o s ( 0 - 4 m )n l o s ( 4 - 1 0 m )极端n l o s 情况 额外时延n s 5 0 51 0 _ 3 81 4 1 8 ( 无定义) 均方根时延n s5 2 8 8 0 31 4 2 82 5 表2 - 3i e e e 8 0 2 1 5 3 a 典型信道模型 图2 - 3 c m l 信道冲激响应 图2 - 5 c m 3 信道冲激响应 2 2 3d s u w b 方案物理层仿真 2 2 , 3 1d s u w b