（信号与信息处理专业论文）超宽带uwb速率自适应算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 目前，短距离宽带无线接入技术迅速发展，超宽带( u w bu l t r a - w i d e b a n d ) 技术 也在民用领域开放，凭借其带宽宽、传输速度高、功率低、成本低等优势在无线个 域网( w p a n ：w i r e l e s sp e r s o n a la c c e s sn e t w o r k ) 已取得一席之地，广阔前景也越来越 被众多通信公司所看好。 对此种高速短距离传输的无线个域网而言，无论采用哪种物理层关键技术， m a c 层技术目前尚无统一解决方案。但是其中i e e e8 0 2 1 5 3 a 是u w b 技术的最有 希望的候选m a c 层协议之一。随着支持多种高速传输速率的i e e e 8 0 2 1 5 3 协议族 的制定，动态选择物理层传输模式的速率自适应被认为是一种有效提高系统吞吐量 的方法。速率自适应指的就是根据当前信道的状态而选择最佳的物理层传输模式， 以取得系统最大吞吐量的方案。在数据的传输过程中，编码速率与调制方式的选择 是由速率自适应方案来确定的，但是i e e e 8 0 2 1 5 3 协议族却没有明确规定这样的方 案。 本论文重点研究了基于u w b 的速率自适应算法。首先，分析u w b 系统物理 层性能，然后分析i e e e 8 0 2 1 5 3 a 的m a c 层协议。在此基础上，本文总结出了一 种分析d c f 机制下的系统吞吐量性能的普遍方法，并由此推导出i e e e 8 0 2 1 5 3 机 制下的系统吞吐量性能分析方法，进而得出一个关于系统平均吞吐量的表达式，通 过此表达式可以得到每一种传输模式下所对应的s n r 门限值。为此，本论文提出了 两种获得s n r 门限值的方案：第一种方案是假设在整个超帧传输( 包括重传) 时间内 信道质量不变、相应的传输模式也不变的条件下获得，虽然此链路自适应方法简单、 易于实现，但是却不能很好的适应信道特性的变化。第二种方案是根据信道质量的 变化计算可变门限值，从而为重传尝试选择不同的传输模式，即在每一次重传尝试 时，都有一组相应的s n rf - j 限值作为参考，来为重传选择最佳的传输模式。再通过 仿真验证，结果表明：第一种方案能够有效提高u w b 系统的平均吞吐量，第二种 方案对第一种方案进行了优化，进一步提高了系统平均吞吐量。 关键字：超宽带；超帧：速率自适应 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t h o ws h o t d i s t a n c ew i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yh a sf a s td e v e l o p e d 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 so p e n e dt ot h ec i v i la r e aa n db e e na c c e p t e di n t h e w i r e l e s sp e r s o n a la c c e s sn e t w o r k ( w p a n ) f o ri t sw i d eb a n d ，h i g hd a t ar a t e ，l o wp o w e r a n dl o wc o s t w h a t 。sm o r e ，m a n yc o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e sh a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt o i t t h e r ei sn oi n t e g r a t e dm a c p r o t o c o l sf o r 、肿a nu s e du w b a st h e i rp h y s i c a ll a y e r t e c h n o l o g y b u ti e e e8 0 2 15 3 ai sa s s u m e dt ob eo n eo ft h eh o t t e s tc a n d i d a t em a c p r o t o c o lf o re m e r g i n gu w bt e c h n i q u e s w i mt h ei n t r o d u c t i o no ft h eh i g h s p e e dw r l a n p h y s i c a ll a y e r ，r a t e a d a p t a t i o nt od y n a m i c a l l ys e l e c tt h ep h y m o d eh a sb e e nr e c o g n i z e d a sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t ，b u tt h er a t e a d a p t a t i o nm e c h a n i s m i sn o ts p e c i f i e di nt h es t a n d a r d s n l em e c h a n i s mt os e l e c to n eo u to fm u l t i p l ea v a i l a b l e t r a n s m i s s i o nr a t e sa tag i v e nt i m ei sr e f e r r e dt oa sr a t e a d a p t a t i o na n dt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ei m p l e m e n t e dl i n ka d a p t a t i o ns c h e m ec a l la f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y i i nt h es c h e m e ，t h em a i ni s s u e sa r et h ec h o i c eo ft h ep a r a m e t e rt ob eu s e df o rt h el i n k e s t i m a t i o na n dh o wt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t er a t ef r o mm e a s u r e m e n t so ft h e s e l e c t e d p a r a m e t e r i nt h i sp a p e r ，w i ms t u d y i n gt h er a t e a d a p t a t i o na l g o r i t h mb a s e do nu w b ，t h e s y s t e mp e r f o r m a n c eo fu w b p h yi ss t u d i e da tt h ef i r s t ，t h e nt h em a c p r o t o c o l sf o r i e e e8 0 2 15 3aa r er e s e a r c h e d o nt h eb a s i so ft h e s es t u d y ，w ep r e s e n tag e n e r i cm e t h o d t oa n a l y s et h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo fa n8 0 2 1lad c fs y s t e ma n dt h em e t h o dt o a n a l y s et h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo ft h eu w bs y s t e mi sd e v o l p e db y a n dt h e n , w e d e r i v eac l o s e df o r me x p r e s s i o no ft h ee x p e c t e dt h r o u g h p u t i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s t s y s t e mt h r o u g h p u tu n d e rac e r t a i nc h a n n e lc o n d i t i o n ，w ea p p l yt h es n rt h r e s h o l ds c h e m e i n t ot h es y s t e m t h e r ea r et w oi n s t a n c e si ng e t t i n gt h es n rt h r e s h o l d ，o n ei so p t i m u m s n rt h r e s h o l ds c h e m e ，t h eo t h e ri st h ec h a n g e ds n rt h r e s h o l ds c h e m e t h ef i r s ts c h e m e i ss i m p l ea n de a s yt od e p l o y ，b u ti ta s s b i r l et h ec h a n n e lc o n d i t i o ni sc o n s t a n to v e rt h e s u p e r f r a m ed e l i v e r yp e r i o di n c l u d e sa l lt h er e t r a n s m i s s i o n sa n dt h ep h ym o d ec a n n o tb e c h a n g e df o r a l lt h er e t r a n s m i s s i o n s ，s ot h i ss c h e m ec a n n o t a d a p tq u i c k l yt ot h e f a s t c h a n g i n gw i r e l e s sc h a n n e l b a s eo nr e c o g n i z i n gt h el i m i t a t i o n so ft h eo p t i m u ms n r t h r e s h o l ds c h e m e ，t h e nw ep r o p o s eac h a n g e ds n rt h r e s h o l ds c h e m e n l i ss c h e m e p r o v i d eas e to fc h a n g e ds n rt h r e s h o l df o re a c ht r a n s m i s s i o no rr e t r a n s m i s s i o n ，s ot h e i i 重庆邮电大学硕士论文 w i r e l e s ss t a t i o nc a l la d a p tt h ep h ym o d ef o rt h en e x tt r a n s m i s s i o na t t e m p ti ft h e r ei sa n y v a r i a t i o no ft h ew i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e c o n d s c h e m eo u t p e r f o r m st h ef i r s to n ei nt e r m so ft h ea v e r a g es y s t e mt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：u l t r aw i d e b a n d ：s u p e r f r a m e ：r a t e a d a p t a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 近几年，短距离( 从1 0 m 到1 0 0 m 左右) 无线通信系统，由于无线数据业务的 推动，呈现出巨大的发展潜力。随着应用业务的发展，短距离无线网络的应用范围 与今天的有线局域网一样广泛。然而无线网络的灵活性是有线网络所不能相比的， 而且有线局域网在升级和维护方面的费用比起无线网来是惊人的高，在钢筋混凝土 建筑、写字楼、博物馆、会议厅等地点和场所以及许多短期网络应用项目、流动工 作支持项目等业务，都成为短距离无线网络的重要应用领域。 其中超宽带技术( u w b ：u l t r a - w i d e b a n d ) 以其高速率、低功效的特点，在短距 离无线通信领域，特别是在家庭环境中的无线通信领域，越来越受到研究者和产品 开发厂商的重视。国际上已有w i m e d i a 和m b o a 联盟支持以u w b 技术为基础的 新兴市场，会员单位都致力于研发制造具有吸引力的新型产品，并在其中加入高速 无线连接能力，u w b 技术市场正在快速地成长。 到目前为止，在u w b 系统上的大部分研究与开发都是致力于解决物理层的传 输问题。链路层上的媒体接入控带g ( m a c ) 的研究与开发仍然处于刚开始阶段，但是 它的重要性已经开始被人们认识。由于移动无线网络节点的存储和计算能力较低， 信道也是时变的，要实现灵活的高速率服务将增加m a c 层协议设计的复杂度，而 同一网络中不同设备的不同特性引起的网络异质性也是另一个难点，所以基于u w b 技术的m a c 协议在充分发挥u w b 物理层特性的同时，需要克服由高速率、低功 耗等特点带来的复杂性。 目前就u w b 的m a c 层访问机制的研究有2 个方向：一个方向是设计一种全 新的m a c 层协议；另一个方向是利用现有的m a c 层协议，再根据u w b 信号的特 点改进。对于设计全新协议，到目前为止这方面的研究还都在实验模拟阶段，距离 实用还有不小的距离。现有的无线多媒体m a c 标准主要有i e e e8 0 2 1 i e 的d c f 模 式、h i p e r l a n 2d m 模式和i e e e 8 0 2 15 3 i e e e8 0 2 1 i e 是i e e e 无线局域网标准8 0 2 1 1 的q o s 增强版。8 0 2 1 1m a c 层 基本的信道接入采用分布式访问控匍j ( d c f ) 方式，以及建立在d c f 之上的集中访问 控制( p c f ) 方式，提供集中化轮询式的通信其具有中央控制的混合协调函数模式， 可以提供较好的q o s 保证。但因为8 0 2 1 1 系列协议的信道访问方式都采用载波侦听 ( c s ) ，而u w b 技术虽然可以实现载波侦听，但是由于u w b 信号极低的信噪比， 使得该机制非常低效。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 墓) h i p e r l a n 2 ( h l 2 ) 是欧洲提出的与8 0 2 1 1 竞争的技术。其d m 模式专门面向 家庭应用。h l 2 和8 0 2 1 1 的根本区别在于它采用非常短的固定长度分组，集中控制 随机接入资源预留信道，基于成功资源预留的t d m a 类型的信道分配。这种结构能 提供好的q o s 性能，但与8 0 2 1 1m a c 相比，它实现的复杂性较高。网络资源的分 配和管理全部由中央控制( c c ) 管理，移动终端( m t ) 使用开槽a l o h a 协议向c c 发 送请求。但由于h i p e r l a n 2d m 只能提供固定的超帧长度( 2 m s ) ，所以u w b 较长的 同步码将会导致协议效率和吞吐量的下降。 i e e e8 0 2 1 5 3 是i e e e 高速w p a n 标准，它具有类似于h i p e r l a n 2d m 的 网络拓扑和超帧形式，并且支持动态的超帧长度，由功能最强的设备担任网络管理 者这些特性使它成为u w bm a c 层较好的候选者。 目前业界正对上述几种标准，尤其是对8 0 2 。1 5 3m a c 层标准进行改进，以期 设计出最佳的u w bm a c 层标准。 1 2 论文的主要工作 超宽带技术支持多种高速传输技术，能够应用速率自适应算法。根据信道传输 质量的不同来为每条链路选取不同的传输速率以达到对整个系统性能优化。但目前， 在超宽带标准中还未明确规定这种方案。本论文的主要工作是对超宽带中的速率自 适应算法进行研究。由于目前的速率自适应算法都是以i e e e8 0 2 1 1d c f 协议为基 础来研究的，因此本论文根据以前基于i e e e8 0 2 1 1d c f 协议的自适应算法的研究 来推出基于i e e e8 0 2 1 5 3 协议的速率自适应算法使之更加适应u w b 系统，并在其 基础上提出一种新的基于动态门限的速率自适应算法，最后搭建仿真平台、进行仿 真验证并对仿真结果进行分析。 1 3 论文的结构 本论文的结构如下： 第一章：简要介绍了本论文的研究背景、意义，并介绍了研究的主要工作，最 后介绍了本论文的结构。 第二章：对u w b 物理层基本知识进行详细介绍并对其性能进行分析。 第三章：详细介绍了目前u w bm a c 层的热门侯选方案之一的i e e e8 0 2 1 5 3 协议。 第四章：对所提出的基于u w b 系统的速率自适应算法和优化的速率自适应算 法进行理论推导和性能分析。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第五章：对对所提出的基于u w b 系统的速率自适应算法和优化的速率自适应 算法进行仿真分析。 重庆邮电大学硕士论文 第二章超宽带通信物理层性能分析 第二章超宽带通信物理层“从- 1 - 厶匕f l g 分析 在现代社会中，人们与网络已经密不可分。便携式电子设备与互联网之间的短 距离高速无线通信成为未来的重要发展趋势之一。超宽带技术拥有巨大的传输速率 和空间容量的优势，是继b l u e t o o t h ，8 0 2 1l a b 之后无线局域网的又一项热门技术。 2 1 超宽带技术的发展历程 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。1 8 9 4 。1 8 9 6 ，马可尼就率先利用火花隙发射机向2 英里外传输了墨尔斯电码； 1 9 0 0 年，f e s s e n d e n 利用火花隙发射机将声音传到了1 英里以外；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 4 6 年， b l a c k 等人开发了一种微波中继系统，该系统以传输脉冲信号为基础，采用脉冲位 置调制方式，双向语音传输的无线链路总共达1 6 0 0 英里，单向链路达3 2 0 0 英里； 而到了1 9 6 0 年代，美国军方开始对u w b 技术秘密研究，主要用于军事上的雷达和 低截获率低侦测率通信系统以及穿地雷达、穿墙成像等应用范围之内。1 9 8 9 年美国 国防部首次提出了“超宽带的概念，并进行了定义，即2 0 d b 相对带宽大于2 5 或绝对带宽大于1 5 g m h z t 0 1 1 ；1 9 9 3 年，美国南加州大学通信科学研究所的 r a s c h o l t z 在国际军事通信会议发表论文【0 2 1 ，论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的 多址技术，从而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。 近年来，随着微电子器件技术和工艺的提高以及信号处理技术的发展，u w b 技术开始应用于民用领域，并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮，被认 为是下一代无线通信的革命性技术。为了促进并规范u w b 技术的发展，美国联邦 通信委员会( f c c ) 于1 9 9 8 年发起了制定u w b 发射功率限制标准的活动，经过激 烈的讨论，在2 0 0 2 年2 月1 4 日发布了u w b 无线设备的功率限制范围，并重新对 u w b 进行了定义。按照f c c 的定义，u w b 系统的相对带宽大于2 0 或绝对带宽 大于等于5 0 0 m h z 。这里相对带宽的定义为： z = 2 糕 眨。 式2 1 中：厶和力分别为系统的高端和低端频点( 按1 0 d b 计算) 。从f c c 的定义可以看出，现在的u w b 已不仅仅局限于最初的脉冲通信了，而是包括了任 何使用超宽频谱( 带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽大于2 0 ) 的通信形式。另外，f c c 还规定了u w b 室内通信、室外手持设备、穿墙成像、医疗成像等多种应用条件下 使用频谱的限制。f c c 规定室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ， 4 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 并在这一范围内，有效全向辐射功率不超过- 4 1 3 d b m m h z 0 1 1 。f c c 规定的室内u w b 通信频谱范围和功率限制如图2 1 所示。 - 4 0 - 4 5 5 0 5 5 发 射 鍪枷 ( 盘 害- 6 5 - 7 0 7 5 u w b室内：特j意 1 1 i o 6 1 9 g p s 带童 一一- o9 蓐 i 6 l 1 0 0 频率( g h z ) 1 0 1 图2 1f c c 规定的室内u w b 通信频谱范围和发射功率限制 f c c 对超宽带系统频带限制的开放，在u w b 的发展史上具有着里程碑意义， 是超宽带走向商业化的重要标志，超宽带技术将会带来一个无线通信的新时代。 2 2 超宽带技术的基本原理 超宽带通信的理论基础是信息论中的“香农公式 ，即： c = b x l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 2 2 ) 其中，c o - l 言道容量，信道允许的最大信息传输速率，单位：b i 讹 & 一信道带宽，一般情况下是信号的带宽，单位：h z 嘶号的功率，单位：w n 一噪声的平均功率，单位：w s n 言噪比 由式2 2 可以看出，提高一个通信系统的信道容量主要由三个要素决定，即： b 、s 和n 。若这三个要素确定了，那么信道容量也就确定了。可以通过增加信道的 带宽，提高信号的功率或者减少噪声的功率三种方式来达到提高信道容量的目的。 由上式知，信道容量c 与信道带宽b 呈线性增长关系，而与信号功率s 却呈较为缓 慢的对数增长关系，因此增加信号的带宽比增加信号的功率对于提高信道容量更有 5 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 效。当信道容量c 保持不变时，信号带宽与信噪比之间互相影响，即增加带宽b 可 以降低对信噪比的要求，而减小带宽b 需要增加对信噪比的要求。 超宽带信号的带宽一般高达数g h z ，这样不仅可以降低信噪比，而且相对于扩 频信号来说还可以继续增加信道容量。因此从香农公式可以看出，超宽带具有高容 量无线通信的潜力。 2 3 超宽带无线传输系统的基本模型 u w b 系统的基本模型主要由发射部分、无线信道和接收部分构成，与传统的 无线发射、接收机结构相比，u w b 的发射机和接收机结构相对简单，易于实现。 例如，传统蓝牙系统是一种低功耗的无线传输技术，它的集成电路是经典的超外差 电路，发射机部分包括压控振荡器、锁相环同步器、参考振荡器，接收机部分包括 低噪声放大器、混频器、放大器等：而u w b 的发射机和接收机的结构不同，因为 脉冲产生器只需产生大约1 0 0 m v 的电压就能满足发射要求，因而发射端不需要功率 放大器，在接收端，天线收集的信号先通过低噪声放大器，再通过一个匹配滤波器 或相关接收机恢复出期望信号，由于u w b 信号的发射未经载波调制，u w b 的接收 端不再需要参考振荡器、锁相环同步器、压控振荡器及混频器等。u w b 的发射机 和接收机结构比蓝牙更简单，u w b 的发射机可灵活地调整发射距离，当发射距离 增大时，u w b 可以用多个脉冲传一个信号以增加接收端的信噪比，由于u w b 的发 射功率与脉冲重复频率成正比，因此可以通过软件对数据率、功耗、发射范围进行 管理，这种灵活性非常有利于功率受限的便携式终端的设计。u w b 传输系统的基 本模型如图2 2 所示。 图2 2u w b 传输系统的基本模型 2 4 超宽带技术的特点 超宽带技术有别于其它现存的一些通信技术，其最根本的区别在于无需载波， 大大降低了发射和接收设备的复杂性，从根本上降低了通信的成本。 u w b 的优点可以归纳为以下八个方面： 6 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 无需载波，发送和接收设备简单。由于u w b 信号是一些超短时的脉冲，其 频率很高，所以它不像传统的基带信号那样需要将其调制到某个发射频率上才能在 信道中传输。因此，必然会使发射机和接收机的结构简单化。 功耗低。u w b 因为不使用载波，仅在发射窄脉冲时消耗少量能量，从而省 略了发射连续载波的大量能耗。这一特色还使u w b 可通过缩窄脉冲宽度在提高带 宽的同时并不增加功耗，这打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽都成正比的 定律。针对手持应用，u w b 还可通过大幅降低脉冲的占空比使功耗大幅度降低( 当 然这会降低速度的升级潜力) 。一般认为u w b 无线链路的功耗可低至普通无线链路 的1 1 0 0 ，这样原来一次充电只能使用数天的电池供电设备采用u w b 之后可用数个 月。 传输速率高。理论上，一个宽度为0 的脉冲具有无限的带宽，因此，脉冲 信号要想发射出去并有足够带宽，必须有足够陡峭的上升下降沿和足够窄的宽度。 u w b 的脉冲宽度用于军事雷达系统时，最短在皮秒级水平，但在民用上，一般在 纳秒级。纳秒为一秒的十亿分之一，这意味着，如果一个脉冲代表一个数位，那么 u w b 有能力在一秒内传送1 0 亿个数位，即1 0 b p s 的速率。若脉冲宽度降至o 1 纳 秒，则速率可达1 0 0 b p s 。目前，厂家演示的实验速度在1 0 0 m b p s 至4 8 0 m b p 、之间， 但理论上有达到1g b p s 以上的潜力。 隐蔽性好，安全性高。由于u w b 信号的带宽很宽，且发射功率很低，这必 然使该项通信技术具有低截获能力( l p d ：l o wp r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n ) 的优点。 另外超宽带还采用了跳时( t h ：t i m eh o p p i n g ) 扩频技术，接收端必须在知道发射 端扩频码的条件下才能解调出发送的数据信息。 多径分辨能力强。从时域角度看，超宽带系统采用脉冲宽度为几纳秒的窄 信号，因此具有很高的时间分辨力，相应的多径分辨率小于几十厘米；从频域的角 度分析，由于u w b 信号的带宽极宽，所以信号在传输过程中出现频率选择性衰落 是一定的。然而正是因为极宽的带宽，多径衰落只在某些频点处出现，从整体上考 虑，衰落掉的能量只是信号总能量很小的部分，所以该技术在抗多径方面仍具有鲁 棒性。 系统容量大。由香农公式可以看出，带宽增加使信道容量的升高远远大于 信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。 高精度的距离分辨力。由于超宽带定位设备的时间抖动小于2 0 p s ，如果采 用g p s 相同的工作原理和算法，相应的距离不确定性小于l c m 。而在实际应用中， 超宽带雷达系统使用的超窄脉冲信号，其距离分辨率小于3 0 c m 。 穿透能力强。在具有相同带宽的无线信号中，超宽带的频率最低，因此， 它在具有大容量和长距离分辨率的同时相对于毫米波信号具有更强的穿透能力。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章超宽带通信物理层性能分析 2 5 超宽带技术与其它短距离无线技术的比较 从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输距离只有1 0 m 左右，因此只拿常见的 短距离无线技术与u w b 作对比，从中更能显示出u w l 3 的杰出的优点。常见的短 距离无线技术有i e e e 8 0 2 1 1 a 、蓝牙、h o m e r f ，与超宽带技术的比较如下： i e e e 8 0 2 1 l a 与u w b 的比较 i e e e s 0 2 “a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，物理层速率在5 4 m b p s ， 传输层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可能达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。在短距离的范围( 如1 0 m 以内) ，i e e e 8 0 2 1 l a 的通信速率与u w b 相比却相差 太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 11 a 的几十倍；超过这个距离范围( 大于 1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 性能就差很多( 目前从演示的产品来看，u w b 的有效距离已扩展到2 0 m 左右) 。因此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 1 a 无法与u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 l a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 l a 的功耗相当大。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 与u w b 的比较 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。 随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 来负责该技术的开发和技术协议的制定，如 今全世界已有1 8 0 0 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它采用 2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。从技术参数上来看，u w b 的 优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速度却快得多， 是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优越的地方就是蓝牙 的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就不会再是优势，因此有 人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。 h o m e r f 与u w b 的比较 h o m e r f 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了i e e e 8 0 2 1 1 规范中支持t c p i p 传输的协议；而其语音传输性能则来自d e c t ( 无绳电话) 标准。h o m e r f 定义的工作频段为2 4 g h z ，这是不需许可证的公用无线频段。 h o m e r f 使用了跳频空中接口，每秒跳频5 0 次，即每秒钟信道改换5 0 次。收发 信机最大功率为1 0 0 m w ，有效范围约5 0 m ，其速率为1 m b p s 至2 m b p s 。与u w b 相比，各有优势：h o m e r f 的传输距离远，但速率太低；u w b 传输距离只有h o m e r f 的五分之一，但速度却是h o r n e r f 的几百倍甚至上千倍。 总之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞 争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充，因而不能单纯地说“u w b 取代某 种技术”。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 2 6 超宽带无线通信的实现方案 超宽带通信的实现方式与传统无线系统的实现方式有较大不同。较早的超宽带 系统利用占用频带极宽的超短时基带脉冲直接发送数据，无需载波调制。近年来 u w b 技术开始应用于民用高速无线通信领域，并有了较大的发展和变化，产生了 载波调制的实现方案。 无载波脉冲方案 无载波脉冲方式是u w b 通信最初的实现形式，它利用宽度在皮秒、纳秒级的 窄脉冲序列进行通信。通过脉冲位置调制( p p m ) 、二进制移项键控( b p s k ) 及脉 冲幅度调制( p a m ) 等调制方式携带信息。脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯 脉冲、升余弦脉冲等。目前，高斯脉冲用得较普遍。脉冲的宽度极窄，一般在亚纳 秒级，因此，具有很强的多径分辨能力，从而使在无线室内通信环境中，密集多径 信道的多径分离和处理成为可能，提供了大幅度提高系统性能的可能性。在这种方 式的u w b 通信中，常采用跳时( t h ) 或直接序列( d s ) 的多址方案 1 ) 跳时多址方案 跳时( t h ) 是将一帧的时间分为多个时隙，每帧发送一个脉冲，脉冲在帧中的 位置( 时隙号) 是由伪随机码控制的，利用伪随机码的低互相关性，可实现码分多 址，帧长通常为脉宽的1 0 0 1 0 0 0 倍，形成的脉冲占空比很低。进行调制的方式有 脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 。根据信息速率不同，每个信息 符号，可能由几十至几百个经p p m 或p a m 调制成的脉冲组成。 2 ) 直接序列调制多址方案 类似于直接序列扩频，其实现方式是在发端将二进制数据信息( + 1 ，1 ) 直接 与一串由伪随机码控制极性的冲激序列相乘，用不同的伪随机序列来区分不同信道 以实现码分多址。脉冲发送间隔与p n 码的码片宽度相同，所以形成的信号是高占 空比的冲激脉冲序列。这种调制方法称d s c d m a 方式。 调制载波方式 基于脉冲的u w b 通信系统，由于直接利用基带脉冲波形进行通信，所以与传 统的通信系统相比，接收收、发送机结构简单，实现成本较低，频谱利用率不高。 虽然可以通过脉冲波形优化设计加以改善，但目前这方面的研究还没有十分理想且 实用的结果。另一条途径就是采用调制载波的方式，可以灵活、高效的利用频谱资 源，提高系统性能。 通过调制载波，可将u w b 信号搬移到合适的频段进行传输，从而可更加有效 的利用频谱资源，调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方式类似， 技术成熟度高，在目前的工艺条件下，较基带脉冲更容易实现高速传输。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章超宽带通信物理层性能分析 目前，在国际上占主要地位的u w b 设计方案主要包括d s c d m au w b 方案 和m b o f d mu w b 方案，d s c d m au w b 是基于脉冲的u w b 方案，m b o f d m u w b 是基于多载波的u w b 方案，采用o f d m 技术传输子带信息。下面两节将具 体介绍这两种设计方案。 2 7d s c d m a 物理层简介 本节介绍基于d s c d m a 技术的i e e e 8 0 2 1 5 3 a 物理层规范，详细的技术指 标参考文献【0 8 h 1 2 1 。d s c d m a 系统工作在3 1 1 0 6 g h z 频段，分为高低两个工作 频带。该系统采用d s s s 技术的直接序列扩频码分多址，m b o k + b p s k 调制，信 道编码采用卷积码( 编码速率为1 2 ，2 3 或3 4 ) ，r s ( r e e d s o l o m o n ) 码和级联码。 2 7 1 频带划分 d s c d m a 系统工作在3 1 1 0 6 g h z 频段，为了避免在这个频段范围内对已有 通信系统的干扰，分为高、低两个频段：低带的中心频率为4 1 g h z ，带宽为 1 3 6 8 g h z ，恒定的符号速率为5 7 m s p s ，能提供的数据传输速率有 2 8 5 ，5 7 ，7 5 ，1 0 0 ，11 4 ，2 0 0 ，4 0 0 m b p s 高带的中心频率为8 2 g h z ，带宽为2 7 3 6 g h z ， 恒定的符号速率为l1 4 m b p s ，能提供的数据传输速率有1 0 0 ，l1 4 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ， 6 0 0 ，8 0 0 m b p s 。目前，提案中更多地考虑低带的情况。 2 7 2 信道划分 在d s c d m a 系统中，对于不同微微网( p i c o n e t ) 利用不同的b o k 码集实 现码分多址，每个p i e o n e t 发射信号的中心频率相对于标准中心频率分别偏移 + 3 m h z ，3 m h z ，+ g m h z 或9 m h z ，b o k 码集采用三元码( 1 ，0 ，+ 1 ) 。在一个微 微网内，不同的设备按照i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议采用t d m a 多址方式实现信 道划分。划分p i e o n e t 的相应参数如表2 1 所示。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 表2 1d s c d m a 物理层信道划分 信道编号中心频率p i c o n e 码集编号中心频率频偏 c h i p 速率偏移 14 1 0 4 g h z1- 9 m h z3 m h z 24 1 0 4 g h z23 m h z1 m h z 34 1 0 4 g h z3+ 3 m h z+ 1 m h z 44 1 0 4 g h z4+ 9 m h z+ 3 m h z 58 1 0 8 g h z1- 9 m h z3 m h z 6 8 1 0 8 g h z23 m h z 1 m h z 78 1 0 8 g h z3+ 3 m h z+ 1 m h z 88 1 0 8 g h z4+ 9 m h z+ 3 m h z 2 7 3 物理层帧结构 d s c d m a 系统方案的物理层一个分组的帧包括：前导( p r e a m b l e ) 、物理头 ( p h yh e a d e r ) 、m a c 头( m a ch e a d e r ) 、头校验序y i j ( h c s ) 、帧体( f r a m ep a y l o a d ) 、 帧校验序列( f c s ) 。其中前导包含了捕获序列、训练序列、s f d 如图2 3 所示。 本方案采用的符号速率为5 7 m s p s ，码片速率为1 3 6 8 m b p s 。 、 图2 3 物理帧格式 d s c d m a 系统中，首先传输前导，然后依次传输物理头、m a c 头、头校验 序列、帧体和帧校验序列。其中，前导、物理头、m a c 头和头校验序列采用5 7 m b s 的传输速率，帧体和帧校验序列根据实际传输数据速率的要求选择5 7 ，7 5 ，1 0 0 ， l1 4 ，2 0 0 和4 0 0 m b s 的传输速率。 2 7 4 传输速率相关参数 d s c d m a 系统提供了多种数据传输速率选择，当选择不同的传输速率时，系 统参数见表2 2 、表2 3 所示。低频段的发射功率为9 9 d b m ，高频段的发射功率为 - 6 9 d b m 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章超宽带通信物理层性能分析 表2 2 低带传输速率相关参数 调制c d m a 传输速率 f e c 中心频率( g h z )r a n g ea w g n 方式码类型 2 8 5 m b p s b p s k2 b o k 1 2 卷积码 4 03 6 8 m e t e r s 5 7 m b p s b p s k4 b o kl 2 卷积码4 02 6 3m e t e r s 7 5 m b p s b p s k8 b o k级联码4 03 2 1m e t e r s 1 0 0 m b p s b p s k4 b o kr s ( 2 5 5 ，2 2 3 )4 0 1 5 5m e t e r s 1 1 4 m b p s b p s k8 b o k2 3 卷积码4 02 1 6m e t e r s 2 0 0 m b p s b p s k1 6 b o k r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 4 01 5 8m e t e r s q p s k1 6 b o k r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 4 o1 1 2m e t e r s 4 0 0 m b p s 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章超宽带通信物理层性能分析 表2 3 高带传输速率相关参数 调制c d m a 传输速率 f e c中心频率( g h z ) r a n g ea w g n 方式码类型 1 0 0 m b p s b p s k4 b o k级联码 8 1 14 2 m e t e r s 1 1 4 m b p s b p s k4 b o k1 2 卷积码8 11 1 7m e t e r s 2 0 0 m b p s b p s k4 b o kr s ( 2 5 5 。2 2 3 )8 16 9 m e t e r s 3 0 0 m b p s b p s k8 b o kr s ( 2 5 5 ，2 2 3 )8 1 6 9 m e t e r s 4 0 0 m b p s b p s k1 6 b o k2 3 卷积码8 17 0 m e t e r s 6 0 0 m b p sq p s k 8 b o kr s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 8 14 9 m e t e r s q p s k 1 6 b o kr s ( 2 5