楊銀霞,顏 彪,胡 倩

(揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225009)

0 引言

超寬帶通信作為一種新的短距離高速無(wú)線通信技術(shù),可以廣泛地應(yīng)用于高速多媒體無(wú)線通信、高精度定位、雷達(dá)、監(jiān)測(cè)、控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)乃至醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的理論研究?jī)r(jià)值。單帶超寬帶系統(tǒng)采用發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖,并利用TH或DS編碼技術(shù)[1]。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中分別研究了TH-UWB系統(tǒng)在加性高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道下的性能。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別研究了TH-UWB和DS-UWB系統(tǒng)在抽頭延時(shí)線模型、加性高斯白噪聲信道模型和Nakagami信道模型下的性能。將對(duì)TH和DS超寬帶系統(tǒng)在對(duì)數(shù)正態(tài)分布的信道模型下的性能進(jìn)行分析。

1 UWB系統(tǒng)發(fā)射端模型

1.1 TH-PAM信號(hào)模型

TH-PAM超寬帶第u個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信號(hào)可以表示為：

式中,I(.)∈ ±1和w(t)分別是調(diào)制數(shù)據(jù)和發(fā)射的脈沖波形。Tf是幀周期,Nf是每個(gè)符號(hào)時(shí)間Ts的幀數(shù),Tc是碼片周期(Tc≥脈沖寬度),是第u個(gè)用戶(hù)的擴(kuò)展碼,它決定了發(fā)射脈沖在第j幀的位置?！?0,…,Nc,Nc是每幀的碼片數(shù),Eu是發(fā)射信號(hào)的能量。

1.2 DS-PAM信號(hào)模型

DS-PAM超寬帶第u個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信號(hào)可以表示為：

2 信道模型

采用IEEE802.15.3a工作組推薦的基于簇方式的模型,該模型在經(jīng)典的寬帶室內(nèi)信道Saleh和Valenzuela(S-V)模型的基礎(chǔ)上作了少量修改而得到的。該模型保留了S-V模型中多徑成簇出現(xiàn)以及能量服從于雙指數(shù)分布的特點(diǎn),但根據(jù)實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)多徑的幅度作了修正,IEEE模型的信道沖激響應(yīng)可以表示為：

式中,X為對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量,代表信道的幅度增益;N為觀測(cè)到的簇的數(shù)目,nc為第c簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目,αc,r為第c簇中第r條路徑的系數(shù),Tc為第c簇到達(dá)時(shí)間,τc,r為第c簇中第r條路徑的時(shí)延。 αc,r=βc,rejθc,r為第 c 簇第r條路徑的系數(shù),βc,r服從對(duì)數(shù)分布,θc,r∈ 0;π 。

3 接收機(jī)模型

在實(shí)際的UWB多徑衰落信道環(huán)境下,有用的多徑數(shù)目大約為50,所以不采用理想的Rake接收機(jī),而使用選擇性 Rake和部分 Rake接收機(jī)。選擇性Rake接收機(jī)選擇最強(qiáng)的L條路徑,部分Rake接收機(jī)選擇最先到達(dá)的L條路徑。

接收信號(hào)可以表示為：

式中,v(t)是模板信號(hào),定義 ru(t)=(t)+n(t),因此,Zul(i)可以表示為：

4 仿真結(jié)果及分析

采用高斯二階導(dǎo)函數(shù)作為發(fā)射脈沖波形,其表達(dá)式如下[6]：

假設(shè)此脈沖被歸一化,脈沖寬度Tp=0.2 ns,脈沖形成因子T0=0.2877 ns及脈沖的中心 T1=0.1 ns。

在CM1信道下,S-Rake接收機(jī)的叉指數(shù)分別取5、10、20,P-Rake 接收機(jī)的叉指數(shù)分別取 10、20、30,采用最大比合并接收,DS-PAM和TH-PAM超寬帶單用戶(hù)系統(tǒng)性能如圖1和圖2所示。從圖中可以看出,S-Rake接收機(jī)的性能優(yōu)于P-Rake接收機(jī),并且隨著叉指數(shù)的增加,系統(tǒng)性能都提高了。這是因?yàn)镾-Rake接收機(jī)是從接收機(jī)輸入端獲得的眾多徑分量中選擇最好的幾個(gè)分量,而P-Rake接收機(jī)沒(méi)有選擇過(guò)程,直接合并最先到達(dá)的幾個(gè)路徑。但是,當(dāng)最好的分量位于信道沖激響應(yīng)的起始處時(shí),如在LOS情況下,二者的性能差距就會(huì)減小。

圖1 TDS-UWB系統(tǒng)性能

圖2 TH-UWB系統(tǒng)性能

在CM1信道下,采用最大比合并的20個(gè)叉指數(shù)S-Rake接收機(jī),比較不同用戶(hù)數(shù)時(shí)的DS-PAM和TH-PAM超寬帶系統(tǒng)性能如圖3所示。在TH-UWB系統(tǒng)中,每個(gè)用戶(hù)指定一個(gè)特定的脈沖偏移模式,稱(chēng)之為跳時(shí)碼。跳時(shí)碼是以Np為周期的周期偽隨機(jī)碼,跳時(shí)碼為脈沖序列提供了一個(gè)額外的時(shí)間偏移,其范圍是0,NhTc。假設(shè) NhTc≤Tf,則比例因子反映了在一幀時(shí)間T內(nèi)可允許的跳時(shí)范圍。f考慮到在接收機(jī)中,相關(guān)器運(yùn)算結(jié)果的讀取以及相關(guān)器的復(fù)位都需要一定的時(shí)間,所以規(guī)定是嚴(yán)格小于1的。但是如果NhTc的值太小,則會(huì)增加多用戶(hù)間的碰撞概率。因此,隨著用戶(hù)數(shù)的增加,DSUWB系統(tǒng)性能要比TH-UWB好。

圖3 不同用戶(hù)數(shù)的TH-UWB和DS-UWB系統(tǒng)性能比較

在CM1信道下,采用最大比合并的20個(gè)叉指數(shù)S-Rake接收機(jī),比較6個(gè)用戶(hù)的DS-PAM和THUWB超寬帶系統(tǒng)在不同的碼片數(shù)和不同幀數(shù)時(shí)的性能如圖4和圖5所示。TH-UWB系統(tǒng)在多用戶(hù)情況下,所用跳時(shí)碼有一個(gè)額外的時(shí)間偏移,如果這個(gè)時(shí)間偏移太小,就會(huì)增加用戶(hù)間的碰撞概率,幀數(shù)越多系統(tǒng)性能就越差;而DS-UWB系統(tǒng)中,輸入的是具有雙極性的數(shù)據(jù)流,所有的脈沖是等間隔的,由于將只進(jìn)行了DS編碼的序列作為接收模塊的基礎(chǔ),因此,DS碼的碼片越長(zhǎng),接收端檢測(cè)判決正確的概率越大,系統(tǒng)性能就越好。

圖4 采用不同幀數(shù)的TH-UWB系統(tǒng)性能比較

圖5 采用不同碼片數(shù)的DS-UWB系統(tǒng)性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

比較了在多徑信道下TH-UWB和DS-UWB系統(tǒng)采用S-Rake和P-Rake接收機(jī)的性能。仿真結(jié)果表明DS-UWB系統(tǒng)在多用戶(hù)條件下性能優(yōu)于TH-UWB系統(tǒng),并且S-Rake接收機(jī)的性能優(yōu)于P-Rake接收機(jī)。此外,比較了采用不同幀數(shù)和不同碼片數(shù)時(shí)的TH-PAM和DS-PAM超寬帶系統(tǒng)性能,結(jié)果表明隨著幀數(shù)增加,TH-PAM系統(tǒng)性能降低,而DS-PAM系統(tǒng)性能隨著碼片數(shù)的增加將提高。

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[2]FOROUZAN AR,NASIRI-KENARI M,SALEHI J A.Performance analysis oftime-hopping spread spectrum multiple access systems：uncoded and coded schemes[J].IEEE Trans.wireless commun,2002,1(4)：671-681.

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[5]SIRIWONGPAIRAT W P,OLFAT M,LIU K J R.Performance Analysis of Time hopping and Direct Sequence UWB Space Time Systems[C]∥IEEE,Global Telecommunications Conference,2004,6：3526-3530.

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