（通信与信息系统专业论文）iruwb系统中基于距离信息的中继节点选择算法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着各种无线技术的发展，人们对移动通信的需求也在日益提高。下一代无 线通信技术要求在全球范围内实现无缝覆盖，同时可以进行包括语音、文本、图 像、视频等在内的高速多媒体通信以及探测、定位、成像等中低速感知业务。脉 冲超宽带技术( m u w b ) 凭借其功耗低、成本低、传输速率高、抗干扰能力强等 独特优点在8 0 2 1 5 4 a 低速通信标准中受到广泛关注，在其他领域中也是研究的热 点。同时超宽带技术与其他的无线传输技术一样要面临恶劣的无线信道环境，而 且f c c 对超宽带系统有着严格的功率限制，限制了其系统的传输性能和覆盖率。协 作通信系统不需要在信源和信宿终端安装多付天线，通过节点间协同工作获得空 间分集增益，进而显著提高系统传输性能。因此，协作通信尤其适合在由低成本、 低功耗、小体积的超宽带节点设备组成的a dh o e 网络中应用。在各种协同通信方 式中，最佳中继选择方式凭借其在避免中继间碰撞和性能方面的优势，更加具有 吸引力。其中最佳中继节点的选择是决定系统性能的关键技术。本文对最佳节点 选择算法进行了研究，并且将协作技术引入到超宽带系统中以保证满足功率限制 的情况下扩大系统覆盖范围和提高系统性能。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 利用脉冲超宽带系统在精确测距定位方面的优势，提出了一种基于距离信 息的机会中继节点选择算法。该算法的基本思想是利用中继节点与信源和信宿之 间的距离信息( d 咿丸) ， 根据最小最大优化原理，选择与信源和信宿的距离均 较短的中继节点作为最佳中继节点。这种算法只需要知道中继节点的相对距离信 息，不需要估计信道，相比传统的o r s 算法更为简单易行。而与随机中继选择算 法相比，性能更可靠。 2 对提出的基于距离的中继节点选择算法在窄带系统和i r - u w b 系统中的性 能分别进行了仿真分析，并与已有的几种算法进行了比较。结果表明： 1 ) 与无协同的通信系统相比，在两种系统中，采用基于距离的中继节点选择 算法可以获得较高的分集增益。在窄带系统中，误码率为1 0 4 时，能够获得大约2 d b 信噪比增益；在i r - u w b 系统中，信噪比增益可达5d b 以上。 山东大学硕士学位论文 2 ) 在两种系统中，采用基于距离的机会中继节点选择算法均可达到与经典 o r s 算法近似的分集增益。而基于距离的中继节点选择算法具有复杂度低的特点。 而且随着可选择的中继节点数目的增加，各种算法的性能都有所提升。 3 在i r - u w b 系统中，考察了测距误差对中继选择的影响，并研究了误差对系 统性能的影响。当测距误差方差为1 0 。3 m 时，最佳中继节点的误选择率依然能达到 无错的状况。而随着测距误差方差的提高，最佳中继节点的误选择率也逐渐增加。 在测距误差方差为0 0 2 5 时，在误码率为1 0 巧时，与精确测距情况下的基于距离 o r s 算法相比，分集增益仅仅少0 3 d b 。而在测距误差方差达到1 0 m 的情况下基 于距离的中继节点选择算法系统性能在1 0 5 也比随机中继算法有近l d b 的信噪比 增益。 2 关键词：超宽带；i r - u w b ；协同分集：中继节点选择：测距 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fv a r i o u sw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，t h ed e m a n df o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa r ei n c r e a s i n g t h en e x t g e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s r e q u i r e sr e a l i z i n gs e a m l e s sw o r l d w i d ec o v e r a g e ，a tt h es a m et i m e ，e a r li m p l e m e n t h i g h - s p e e dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni n c l u d i n gv o i c e ，t e x t , i m a g e sa n dv i d e oa n d l o w - s p e e dp e r c e p t i o nb u s i n e s si n c l u d i n gd e t e c t i o n , p o s i t i o n i n g ，a n di m a g i n g i r - u w b t e c h n o l o g y , w i t hi t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l o wc o s t , h i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d , a n t i - j a m m i n ga n do t h e ru n i q u ea d v a n t a g e sa r o u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r ni nt h e8 0 2 1 5 4 a s t a n d a r dl o w - s p e e dc o m m u n i c a t i o n s i t sa l s ot h em a i nr e s e a r c ho b j e e ti no t h e ra r e a s h o w e v e r , u w bs i g n a l ss u f f e rf r o mh a r s hr a d i oc h a n n e le n v i r o n m e ml i k eo t h e rw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s a n df c cs e ts t r i c tp o w e rc o n s t r a i n t sf o ru w b s i g n a l s a sa r e s u l t , t h ep e r f o r m a n c ea n dc o v e r a g eo fu w bs y s t e m sa r e l i m i t e d s e r i o u s l y c o o p e r a t i v es y s t e m sp r o v i d es p a t i a ld i v e r s i t yg a i nw i t h o u tr e q u i r i n gt h ee s t a b l i s h m e n t o fm u l t i p l ea n t e n n a so nt h es o u r c eo rd e s t i n a t i o nn o d e s ，a n dt h e r e b yb o o s tt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y t h i si se s p e c i a l l ya t t r a c t i v ef o ru w ba dh o e n e t w o r k sw h e r et e r m i n a l sa r el o wc o s t , l o wp o w e ra n de x t r e m e l ys m a l li ns i z e a m o n g t h e v a r i e t yo fc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l s ，o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gi s m o r e a t t r a c t i v et h a no t h e r sd u et ot h ea v o i d a n c eo fc o o r d i n a t i o nb e t w e e nt h er e l a yn o d e sa n d i t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h ek e yp r o b l e mi no p p o r t u n i a i cr e l a y i n gi st h e w a yt o c h o o s et h eb e s tr e l a yo u to fa l la v a i l a b l er e l a y s t h i st h e s i sf o c u s e so np a r t n e rs e l e c t i o n a l g o r i t h m sa n de x p l o r e st h ec o m b i n a t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t hu l t r a - w i d e b a n dn e t w o r k st o e x p a n dt h ec o v e r a g ea r e aa n di m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c ei nt h ec a s eo fs a t i s f y i n gt h es t r i c tp o w e rc o n s t r a i n t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 m a k i n gu s eo ft h er a n g i n gc a p a b i l i t yo fu w bs y s t e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa d i s t a n c e - i n f o r m a t i o n - b a s e do p p o r t u n i s t i cr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h m i nt h i sa l g o r i t h m ， t a k i n gt h ed i s t a n c e sb e t w e e nt h es o u r c e ，i d l en e i g h b o r sa n dt h ed e s t i n a t i o na s ( 以j ，九) ， t h ep r o p o s e da l g o r i t h ms e l e c t so n eo ft h en e i g h b o rn o d e sw h i c hi sn e a rt os o u r c ea n d d e s t i n a t i o na st h eb e s tr e l a yb yu s i n gt h em i n - m a xo p t i m i z a t i o np r i n c i p l e t h ep r o p o s e d 山东大学硕士学位论文 a l g o r i t h md o e s n tn e e dt oe s t i m a t ec h a n n e lg a i n s ，b u tj u s tn e e dt ok n o wt h er e l m i v e d i s t a n c ei n f o r m a t i o no fr e l a yn o d e s ot h ep r o p o s e da l g o r i t h mi se a s yt oi m p l e m e n ti n c o m p a r i s o n 、析mt h ec l a s s i co r sa l g o r i t h m i nc o m p a r i s o n 、 ，i mr a n d o mr e l a ys e l e c t i o n a l g o r i t h m ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sm o r er e l i a b l e 2 1 1 1 ep e r f o r m a n c e so fp r o p o s e da l g o r i t h mi se v a l u a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h a to f t h ec l a s s i co r sa l g o r i t h ma n dr a n d o mr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h mb ys i m u l a t i o n si n n a r r o w b a n da n di r u w bs y s t e m s n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ： 1 ) c o m p a r e d 谢mn oc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，r e m a r k a b l ed i v e r s i t y g a i n sc a nb e o b t a i n e db yu s i n gt h ep r o p o s e dr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h m i nb o t l l n a r r o w b a n da n di r - u w bs y s t e m s i nt h en a r r o w b a n ds y s t e m , t h ed i v e r s i t yg a i ni s a b o u t2d bw h e nm eb i te r r o rr a t ei s10 q w k l ei n 0 u w bs y s t e mt h ed i v e r s i t yg a i ni s m o r es i g n i f i c a n t , s a ym o r et h a n5d b 2 ) i nb o t hn a r r o w b a n da n di r u w b s y s t e m s ，t h ep r o p o s e d d i s t a n c e - i n f o r m a t i o n - b a s e do p p o r t u n i t yr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h ma c h i e v e sa l m o s tt h e s a m ed i v e r s i t yg a i n sa st h a to ft h ec l a s s i co r sa l g o r i t h m i ti sw o r t hn o t i n gt h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h ml o w e rc o m p l e x i t y a n dt h ep e r f o r m a n c eo fa l lk i n d so fa l g o r i t h m si s i m p r o v e dsa sa l t e r n a t i v er e l a yn o d en u m b e ri n c r e a s e 3 i ni r - u w bs y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fr a n g i n gg r r o rt or e l a ys e l e c t i o na n dt h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e mi si n v e s t i g a t e d w h e nt h er a n g i n ge r r o rv a r i a n c ei sl0 _ 3m ，m e e r r o rr a t eo ft h eb e s tr e l a ys e l e c t i o ni sn e a r l yz e r o a n dt h ee r r o rr a t eo ft h eb e s tr e l a y n o d es e l e c t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e dv a r i a n c e w h e nt h er a n g i n ge r r o rv a r i a n c ei s 0 0 2 5 ，t h ed i v e r s i t yg a i n sw h e nt h eb i te r r o rr a t ei s10 i sj u s tl e s s0 3 d bt h a nt h a to ft h e s i t u a t i o n 晰ln or a n g h ge r r o r w h e nt h er a n g i n ge r r o rv a r i a n c ei slo m ，t h ed i v e r s i t y g a i n si sa l s om o r en e a r l yld bt h a nt h a to ft h er a n d o mr e l a ys e l e c t i o ns c h e m ew h e nt h e b i te r i o r r a t ei s1 0 一 k 呵w o r d s ：u w b ；i r - u w b ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；r e l a yn o d es e l e c t i o n ；r a n g i n g 4 鼹 a r a k e b p s k c c c m d f e g c f c c i r l o s m i m o m r c n l o s o f d m o i 毽 p r a k e s r a k e i 肿 t a n 0 a 7 九 r 山东大学硕士学位论文 符号说明付丐现明 a m p l i f ya n df o r w a r d 放大前传 a l lr a k e全r a k e 接收机 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g四相移键控 编码协同 信道模型 解码前传 f u a l d m b i n i n e x l u a lg a mc o m b i n i n g 等增益合并哥瑁盈百升 f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e美国联邦通信委员会 i m p u l s er a d i o l i n eo fs i g h t 脉冲无线电 视距 m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g n o n - l i n eo fs i g h t 最大比合并 非视距 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 正交频分复用 o p p o r t u n i t yr e l a y s e l e c t i o n p a t i a lr a k e s e l e c t i v er a k e u l t r a - w i d c b a n d w 硫l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 噪声功率 簇平均到达速率 径的功率衰减因子 径的平均到达速率 簇的功率衰减因子 机会中继选择 部分r a k e 接收机 选择r a k e 接收机 超宽带 无线个域网 5 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来无线通信技术得到迅速的发展。作为目前一种全新的无线通信技术， 超宽带技术凭借其功耗低、成本低、传输速率高、抗干扰能力强等独特优点成为 未来短距离无线通信的理想方式之一。超宽带技术( u l t r a - w i d e b a n dr a d i o ，u w b ) 工作于国际免费频段，因为功率接近噪声水平，可以与现存的通信技术良好共存， 而且其数据传输速率可达5 0 0 m b p s ，甚至g b p s 。i r - u w b 是超宽带技术的一种，应 用集中于低速超宽带技术应用，即利用窄脉冲超宽带信号的频谱及其对障碍物的 良好穿透性等特点来实现通信系统中的定位传感与成像监控系统等领域。利用 i r - u w b 信号在测距定位方面可以提供很高的精度这一特点开发的汽车防冲撞系 统以及医学成像系统已经得到了较好的认可。此外由于i r - u w b 系统有抗干扰、低 功耗、准确定位等特点，也被应用于无线传感器网络中。无线传感器网络广泛应 用于国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生等领域。 超宽带系统的传输可靠性和系统覆盖范围与设备的发送功率是成正比的。但 由于超宽带系统有极宽的频谱，为了避免对其他已有的无线通信系统的干扰，f c c 对超宽带系统有着严格的功率限制。同时超宽带技术作为无线传输技术的一种， 不可避免地面临恶劣的无线信道环境。因此如何在满足f c c 对u w b 系统的功率限 制条件下，尽可能的提高系统性能和覆盖范围，是u w b 系统面临的巨大挑战。分 集是抵抗多径衰落主要且有效的技术之一1 2 】，如多输入多输出( m i m o ) 技术通过 采用天线阵列，利用空间复用技术达到分集的效果提高带宽的利用效率。但是在 一些体积小巧、价格低廉的设备终端安装多付天线非常困难而且代价十分昂贵， 是不符合应用实际的。因此“协同通信技术 应运而生。协同通信技术是利用无 线网络中的节点相互协作形成虚拟的天线阵列来获得传统m i m o 技术的空间分集 增益【，协同通信的基本思想是使得网络中的节点通过一定的协同方式达到资源共 享的效果，从而提高系统的传输可靠性和覆盖范围。在各种协同通信协议中，最 6 山东大学硕士学位论文 佳中继选择协议凭借其性能好、能有效避免节点间碰撞的优势获得广泛关注。而 在最佳中继选择中，最佳中继的选择是关键的技术，对系统性能有很大的影响。 1 2 超宽带技术简介 1 2 1 超宽带技术的定义 u w b 技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的 冲激脉冲进行直接调制，使信号具有g h z 量级的带宽。美国联邦通信委员会( f c c ) 规定1 0 d b 相对带宽大于2 0 或者绝对带宽大于或等于5 0 0 m h z 的无线电信号为超 宽带信号5 1 。能量带宽由频率五和厶确定。如果该波形的绝大部分能量( 一般大 于9 0 ) 都落入以频率五和厶作为上下界的频段范围内，则称厶一五为能量带宽， 掣为中心频率。相对带宽定义为能量带宽与中心频率的比值，表达式如下： 相对带宽2 茬竞 煞( 1 - 1 ， l 2 ， f c c 还规定民用u w b 的工作频段范围从3 i o h z 至j j l 0 6 g h z ，同时要求其发射 功率低于美国放射噪音规定值一4 1 3 d b m m h z ( 换算成功率为1 m w m h z ) 【4 。对室 内、室外u w b 系统的辐射功率谱密度限制分别如图1 1 ，图1 2 所示。 1 2 2 超宽带技术的实现方式 f c c 仅规定了超宽带信号的带宽，并没有规定超宽带信号的具体实现方式。超 宽带信号的实现方式有多种，可以分为脉冲无线电和载波调制方式。前者是传统 的超宽带通信方式，后者是在超宽带无线通信标准化过程中逐渐提出来的。常见 的超宽带通信体制有三种：脉冲无线电( 吸) d 2 i ，直接序列扩频超宽带( d i r e c t s e q u e n c eu l t r aw i d e b a n d ) 以及多带正交频分复用( m b o f b m ) 【7 】【羽。其中 m b o f d m 是将频带划分成十几个5 0 0 - - 6 0 0 m h z 左右的子频带，在每个子频带上采 用正交频分复用技术来实现宽带无线通信的方案。 脉冲超宽带利用宽度在时域中为纳秒级甚至亚纳秒级的、具有极低占空比的 基带窄脉冲序列携带信息，不需要进行频谱搬移就可以直接辐射，是超宽带通信 7 最经典的实现方式。 3 7 5 山东大学硕士学位论文 1 0 a f r e q u e n c yi ng h z 图1 - 1f c c 对室内超宽带通信系统辐射限制 1 矿 f r e q u e n c y i ng h z 图1 - 2f c c 对室外超宽带通信系统辐射限制 l o 5 o 5 o 5 o 5 o 园 专 国 专 刁 矗 -等m墨c一一mi够j co一皤辨一p互m t芷一山蕾5 5 o 5 o 5 o 4 国 弓 国 专 刁 c-口c一一霉口一co一镰螗一暑址l暖一m5 山东大学硕士学位论文 1 2 3 脉冲超宽带的优势和挑战 脉冲超宽带具有很多吸引人的特性和特点，在军事应用、航空航天和民用以 及商用上都有巨大的潜力。另一方面，由于其频谱太宽，为了避免对其他现有无 线系统的干扰，f c c 对其的功率有着严格的限制。 脉冲超宽带通信技术在发射机与接收机之间采用非常窄的脉冲进行通信。与 传统的通信技术相比，u w b 无线通信的主要优点有以下方面： ( 1 ) 低成本、低功耗。 u w b 是一种无载波通信技术，它直接传输极窄的脉冲，不像窄带和宽带系统 需要将数据调制到具体的特定载波频率。因此u w b 远比其他无线技术简单，可以 集成在相对低廉的芯片中。而且u w b 仅需要毫瓦级的发送功率，是现有无线系统 的1 1 0 1 1 0 0 ，只要很低的电源功率就能维持正常工作，非常适合用于电池供电的 设备。 ( 2 ) 穿透能力强。 脉冲超宽带具有极高的穿透树叶和障碍物的能力，因此有可能被用来解决常 规信号在丛林中不能传播的难题；它还能实现隔墙成像，与同样具有g h z 带宽的无 线电技术相比，脉冲超宽带无线信号有更强的穿透力。 ( 3 ) 系统容量大、传输速率高。 超宽带系统中，信道带宽为5 0 0 m h z 一7 5 g h z ，根据香农信道容量公式 c = b l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ，能够看出u w b 系统的容量很大。u w b 可以在5 1 0 m 的范围内 提供1 0 0 m b i t s s 的数据速率，远远高于低能耗的蓝牙技术。 ( 4 ) 兼容性好。 由s h a n n o n 公式可知，在信道容量一定的情况下，带宽与信噪比可以互补。因 为超宽带系统的频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，因此u w b 系统发送的功率谱密度可以非 常低，甚至低于f c c 规定的电磁兼容背景噪声电平- 4 1 3 d b m m h z 3 】【1 5 l ，可以有效 地避免对其他系统的干扰，因此能够与现存的无线技术良好共存。 ( 5 ) 低截获、抗干扰、保密性好。 u w b 传输利用极窄的冲激脉冲，其在频域上跨越相当大的范围，而且发射功 率很低。发射信号在很大的频段范围内平均分布，因此功率谱密度很低，甚至低 9 山东大学硕士学位论文 于噪声电平，是很难被基于频谱搜索的电子侦测设备检测到的。此外，超宽带信 号的占空比极低，可以通过时间窗滤除干扰信号，从而增强系统的抗干扰能力和 提高系统的可靠性。 ( 6 ) 定位精度高、探测能力强 目前最常用的测距定位方式为基于到达时间( t u n eo f a r d v a lt o a ) 估计方式， 其估计的精确度由超宽带信号的时间分辨力直接决定，i r - u w b 信号具有很高的时 间分辨力，因此能够实现厘米级的定位精度。此外，极窄的脉冲宽度使得脉冲超 宽带信号具有很高的探测和成像能力【3 8 删。 同时超宽带技术作为无线传输技术的一种，同样要面临恶劣的无线信道环境。 而为了避免超宽带系统对其他现存无线通信系统的干扰，f c c 对超宽带系统有着严 格的功率限制，如何在满足功率限制的情况下，尽可能的提高系统性能和覆盖范 围，是u w b 系统面临的巨大设计挑战和难题。 1 3 协同通信发展现状 协同通信技术是一个崭新的研究领域。协同通信最早来源于中继信道的概念 1 0 l ，早在7 0 年代，m c o v e r 就是用信息论的方法研究了s ( 源) r ( 中继) d ( 目 的) 在高斯信道下的中继信道容量【1 1 】。m i m o ( ! 多输入多输出) 技术是支持协同通信 发展的一种技术。m i m o 技术就是在收发端装备多付天线，利用无线衰落信道中不 同传播路径的独立性，提高传输容量或增强通信可靠性。然而，在一些体积小巧 的设备上装备多付天线是很困难的，而且代价很昂贵，对于一些低端产品来说是 不实际的。这就限制了m i m o 技术的应用。如果能将处于一个区域内部彼此临近的 多个节点联合起来，形成一个虚拟的m i m o 阵列，就能够在不装备多付天线的情况 下获得传统m i m o 的传输效果【1 2 】。这就产生了协作分集技术。即每个用户在发送 自己信息的同时有义务为自己的伙伴用户发送信息。这样就产生了虚拟的多天线 系统，达到分集的效果，在不增加用户天线数目的情况下，提高系统的传输可靠 性。 最近几年，随着分集技术的发展，协同分集成为了当前无线通信中的研究热 点。因为无线信道中的衰落是随机的。如果s d 之问的信道正好处于深度衰落，通 1 0 山东大学硕士学位论文 信质量太差，而位于源节点旁边的伙伴节点与目的节点之间的信道状态可能处于 比较良好的情况，因此，源节点可以寻找伙伴节点作为中继，先把数据发给伙伴 节点，再由伙伴节点转发给目的节点。 近些年来，关于协作分集技术的研究很多，主要集中在以下几个方面：协同 的方式和协议，协同信息论，协同中的功率分配【5 】【6 】，差分协同以及与其他技术的 融合。此外，协作中继选择策略也是协作通信的一个重要研究方向，包括协作伙 伴选择与协作方式选择。协作伙伴的选择解决与谁合作从而使系统性能更好的问 题。协作方式的选择主要解决在什么情况下合作以及怎样合作的问题等。 本文利用i r - u w b 超宽带系统抗干扰能力强、高测距精度等特点，研究适合该 系统的最佳中继选择算法和协同策略，以提高系统性能和网络覆盖范围。并且与 一些经典的中继节点仿真算法进行了仿真比较。 1 4 本文的研究内容及章节安排 本文共分五章，各章主要内容如下： 第一章介绍脉冲超宽带技术及其优势和存在的问题。简要介绍了本文的研究 意义和内容安排。 第二章介绍了i r - u w b 系统原理与模型。为后续章节的展开作铺垫。 第三章首先对协同分集技术进行简要说明，介绍几种现有的中继算法，并提 出一种新的中继节点选择算法。并且对这几种中继选择算法进行了仿真比较。 第四章将第三章中介绍的几种中继节点选择算法应用在l r u w b 系统中，对这 几种中继选择方式在i r - u w b 系统中的性能进行了仿真比较。并且讨论了在考虑测 距误差的情况下的系统性能，以及测距误差对中继选择的影响。 最后一章对全文进行总结，概括了本文的工作，并提出有待进一步解决的问 题。 山东大学硕士学位论文 第二章脉冲超宽带系统模型 发送超宽带( u w b ) 信号最常用和最传统的方法就是发送在时域上纳秒级或 者亚纳秒级脉冲序列。这种传输技术称为“冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，简称为 i r ) 。脉冲波形是超宽带无线通信系统研究中的重要内容，合理的选择发射脉冲的 波形是使u w b 频谱符合频谱限制的重要途径。 u w b 目前采用的主要调制方式有：脉冲幅度调制p a m ；跳时脉冲调制 t h p p m ；通断键控调制o o k ；跳时直扩二进制移频键控调制啪s b p s k t 2 s l l 2 9 1 。 超宽带系统的多址方式主要有跳时多n r h m a 和直扩码分多：i ：f l ：d s c d m a 两种【3 们。 在多用户环境下，调制方式与多址方式相结合能够在减小用户间干扰( m u i ) 的同时 提高系统容量。合理的调制方式与多址方式相结合，不但可以有效地提高系统性 能、降低系统复杂度，还可以进一步提高系统容量。 下面详细介绍基于r 的超宽带系统模型。 2 1 超宽带脉冲波形 图2 - 1 基于i r 的u 船系统框图 由于脉冲超宽带系统是使用窄脉冲而不是传统的正弦载波作为携带信息的载 体，因此脉冲波形的选择是非常重要的。脉冲信号波形的合理选择直接影响整个 1 2 山东大学硕士学位论文 超宽带系统的性能【3 。在瓜u w b 系统中，为了保证能量的有效辐射，u w b 系统 中所用的脉冲必须具有一个特征，即脉冲p ( t ) 的直流分量为零： i p ( t ) d t = 尸( 厂= o ) = 0 ( 2 1 ) 其中p ( 力为p ( t ) 的频谱。除此之外，还要求其频率利用率要高，功率谱应满 足f c c 规定的辐射掩膜的标准；最后，它的频谱形状要尽量平坦，其理想的频谱应 当接近白噪声谱。且其幅值越低越好，避免对现有窄带无线通信系统造成干扰。 常采用脉冲信号波形一般有高斯单脉冲波形、基于载波的调制的成形脉冲、h e r m i t 正交脉冲等。而目前使用较多的无线载波脉冲为高斯单脉冲，表达式如下： p o ) ：；专p 一( 争：鱼p 一7 2 r 1 2( 2 2 ) x 2 z r t r 口 其中，盯2 是方差，口= 4 ，r t r 2 为脉冲形成因子，其数值影响脉冲的宽度和幅度。 图2 2 为持续时间为2 n s 高斯单周脉冲和它的前1 5 阶导函数的波形，由图中可以看出 虽然基本高斯脉冲并不满足直流分量为零这一条件，即公式( 2 1 ) 。但它的各阶导 数波形都是满足的。而且随着高斯脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信 号中心频率向高频移动，相对带宽逐渐下降1 3 1 1 ，这由显示这些高斯脉冲函数的能 量谱密度的图2 3 中可以得到验证。实际上，脉冲的频谱性能可以通过调整口的大 小和高斯脉冲的阶数得到提高。 山东大学硕士学位论文 臣匹匹 匝匪匪 n h fr u 8 川f卜 vy x10 - 1 0 卜 吖r 臣匪 r 刊 1 1 r i j l r 1 v i 川。 卜 505- 505 - 5 x 矿t i m e 【s 1 x 矿 图2 - 2 高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数波形 05 x10 - 1 0 1 4 图2 3 高斯脉冲的前1 5 阶导函数形式脉冲的e s d ， o 一 1 0 0 1 0 、】刁了=一qe 山东大学硕士学位论文 2 2 超宽带脉冲调制 第2 1 节所产生的超宽带脉冲本身并不携带信息，必须通过调制技术将数字信 息加载到脉冲上才能实现数据的传输。由于超宽带系统占用很大的带宽，利用纳 秒或者亚纳秒级的脉冲以很低的占空比传送数据，因此其调制方式也会同传统通 信体制有所不同。基本的调制方式有脉冲幅度调制( 弹州) 、开关键控( o o k ) 、 二进制相位调制( b p s k ) 、脉冲位置调制( p p m ) 、数字脉冲间隔调制( d p i m ) 、 脉冲波形调制( p s m ) 等，以及以上调制方式的结合。 1 脉冲幅度调制( p ! 圳) 脉冲幅度调制( p 枷) 是数字通信系统最为常用的调制方式之一，其采用不 同的脉冲幅度代表不同的调制信息。脉冲幅度调制的信号模型可表示为： 三 s ( t ) = 哜删，】p ( f 一弓) ( 2 3 ) ，= 其中p ( f ) 是系统所采用的发射脉冲信号，l 为每帧的持续时间，即脉冲重复 周期；r 为每比特中重复的脉冲个数；d j l ，】为经过映射后的第j f 个脉冲所代 表的信息，相应的映射准则根据具体的系统设计要求而定。 使用p a m 的优点在于它的物理实现比较简单，只需要一个匹配滤波器和一个 脉冲发生器，而且可以很方便的进行多进制调制，便于改变数据传输速率。但是 它的误码性能不是最好的。此外，在室内密集多径传输环境中，超宽带脉冲可能 受到衰落影响，这对于p a m 是很不利的应用场合。 2 开关键控( o o k ) 作为p a m 调制的一种特殊方式，在超宽带中也存在开关键控c o o k ) 调制， 并且与传统通信中的o o k 调制基本一致，差别在于传统通信系统中的o o k 调制是 正弦波的通和断，而超宽带系统中的o o k 则是脉冲信号的通和断。在超宽带系统 中的o o k 调制中，当调制数据为“l 的时候，发送脉冲信号；当调制数据为“0 的时候，不发送脉冲信号。 这种调制方式的主要优势是收发信机结构简单，射频电路仅需要一个开关器， 通过开关器根据调制数据控制是否发射脉冲，这种简单的调制方式很适合于低复 杂度的超宽带实现。但它也有缺点，当信号中出现持续一段时间的“0 时，很容 山东大学硕士学位论文 易造成接收机同步丢失。此外，这种调制方式的接收机对于噪声和干扰较为敏感， 在干扰信号的作用下容易发生误判。与p a m 调制一样，误码性能不是最好的，且 不适于在密集多径环境中使用。 3 脉冲位置调制 脉冲位置调制( p p m ) 采用不同的脉冲时延来代表不同的码元信息，是一种 通过改变脉冲在时间上的延迟实现调制的方式。这种方式是超宽带无线通信相比 于传统载波通信较为不同的一种调制方式。对于m = 2 ”进制的脉冲位置调制，在 一个符号周期内脉冲可出现的位置有m 个。经p p m 调制后的信号形式为： l s ( f ) = p o 一_ ，弓一咯删，】勺) ( 2 - 4 ) 一，= 。 其中，s 。是时间位移量，由用户发射信息经映射后形成的调制信息讲r 】控 制，其他参数与前面介绍p a m 调制方式相同。 p p m 调制的优点是信号的正交性容易得到保证，适合于多址和多进制调制。 根据0 与脉冲宽度f p 的关系，p p m 可以分为交叠p p m 和j 下交p p m 。8 p r 。时，称为正交p p m ，信号正交，常常被采用。p p m 的缺点是符号 问干扰( i s i ) 比较严重。在采用高进制的正交p p m 中，为了保持正交性，脉冲之 间的间隙可能在某些时刻比较小，所以更加容易受到多径干扰。所以在p p m 中， 为了减小符号间干扰的影响，数据传输速率有一个限制，一般比同样条件下的p a m 低。并且在室内环境下，密集多径的存在，会加剧相邻符号的i s i 的影响。此外， p p m 的实现比较复杂。 4 脉冲间隔调制( d p i m ) 脉冲间隔调制( d p m ) 和p p m 类似，都是通过改变脉冲在时间上的位置来传 输信息的。但是又有差别，p p m 改变的是脉冲在一个脉冲周期里的绝对位置来调 制信息的，而d p i m 是通过改变相邻脉冲之间的间隔来调制信息的，即在d p i m 中 脉冲周期是变化的。d p i m 可以看作是p p m 的延伸，近年来也将其称为差分p p m 。 与p p m 相比，d p i m 的传输速率比较高。另一个优点是d p i m 的同步比p p m 简 单，它只需要时隙同步，不需要p p m 中的符号同步。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 3 超宽带系统的多址接入技术 为了解决如何让更多的用户能够共享频谱资源，多址接入技术成为超宽带通 信系统中的一项关键技术。由于超宽带系统采用脉冲技术，因此现有文献也提出 了一些和传统正弦体制不同的多址接入技术，比如说跳时( t h ) 和直扩( d s ) 。 在多用户系统中，超宽带的调制方式就是信息调制和多址调制的组合( 比如 t h p p m 、d s p a m ) 。 2 3 i 跳时多址接入 作为通信系统中的一个关键技术，超宽带系统中的多址接入技术也体现出了 和常规通信系统不同的一些特性，同时也出现了一些特有的多址接入方式，跳时 多址是超宽带系统最早最广泛采用的多址方式【3 2 1 。t h 超宽带系统通过引入跳时码 ( t u n eh o p p i n gc o d e ，t hc o d e ) 来提供所需要的多址能力，通过对不同的用户分 配不同的跳时序列，在时间上避免不同用户信号之间的干扰，从而削弱多用户接 入时信号之间发生的冲突。t h 多址接入通常与p p m 或p a m 调制相结合形成 t h p p m ，t h p a m 方案。 1 t h p p m t h p p m 系统将跳时多址( t h ) 与脉位调制( p p m ) 相结合。如果不考虑跳 时序列的