UWB通信技术及其算法研究

论文摘要

近年在短距离（家庭与小型办公室）无线通信领域提出了个人局域网（Personal Area Network，PAN）的概念。PAN的核心思想是用无线电或者红外线代替传统的有限电缆，组建个人化的信息网络。实现PAN的技术主要有：蓝牙（Bluetooth），IrDA（Infrared Data Association），Home RF以及超宽带（Ultra WideBand，UWB）等4种。与其它三种技术相比，UWB的高性能和低功耗使得它脱颖而出，成为未来最富有竞争力的技术之一。超宽带通信具有数据传输速率高、功率谱密度低、定位精度高以及抗多径能力强等优点，因此它很可能是未来短距离无线移动通信高速传输多媒体信息，高速接入计算机网络的关键技术，现已成为国内外学者在无线通信技术方面的一个研究热点。本文研究了UWB的关键技术，涉及脉冲波形设计、多用户检测技术、编译码算法研究以及室内多个UWB设备对移动通信终端合成干扰研究。为了实现与现有窄带无线通信系统共存，FCC对超宽带系统的功率谱作了严格的限定，这就引出UWB系统设计与实现的难题。在UWB无线电中，人们目前广泛采用的是高斯单脉冲，它具有超宽带无线电脉冲的特征，且具有实现便利性。但高斯单脉冲并不满足FFC频谱规定。于是一些学者提出了一些UWB脉冲波形优化设计，但是现有UWB脉冲波形的设计方法，设计过程复杂，要求复杂的优化算法，并且要求的采样率极高。本文从波形的频谱利用率角度考虑，提出了基于高斯脉冲各阶导函数优化组合的超宽带脉冲设计，通过优化基于高斯脉冲的不同导函数组合的脉冲设计算法来得到最优波形，使功率谱密度接近标准，并且提高了频谱利用率。在多用户通信系统中，由于各种各样的原因，在接收端期望用户的接收机除了接收到自己的期望信号外，还会不可避免的接收到非期望信号，即受到多用户干扰（MUI）的影响。目前对UWB的多址方式研究主要集中在两个方面。通过给不同的用户分配不同的跳时（TH）序列形成了跳时多址（THMA）；通过给每一个不同的用户分配不同的直扩序列形成了直扩UWB（DS-UWB）。针对跳时多址方式，本文利用了跳时序列的特殊性质提出了一种低复杂度的解相关接收机，减少了计算复杂度而又降低了多址干扰的影响，同时对其进行了改经，性能又进一步得到了提高。针对直扩多址方式，本文提出了一种带预处理的多用户检测器，通过预处理动态的设定门限从而直接判决用户的数据比特信息，计算结果表明经过预处理得到的数据与最佳多用户检测器得到的数据相同，而且复杂度从原理的指数复杂度变为多项式时间复杂度，并且通过预处理得到的用户信息码的数量是很大的。由于通过预处理得到的数据已经是最优的，这样可以去除这些数据从而去除对原多用户检测问题的影响，相对于原问题这个较小规模的多用户检测问题的多址干扰减小了，之后可以采用一些常用的诸如解相关或者最小均方误差检测器进行求解，其误码性能无疑有所提高。为了提高整个系统的抗干扰能力和纠错能力，我们可以将信道编码技术与UWB结合起来。由于UWB是一个高速率的通信系统，因此编码方案必须速率要低而且编码后的码字要尽量短。本文提出了半定初态卷积编码的概念，并且在此基础上给出了其编译码的算法。该编译码算法较好的解决了编码性能与编码后码字长度的矛盾，通过仿真可以看到，在保证编码后码字长度尽量短的条件下，其性能逼近最佳性能，是一种十分实用的编译码算法。针对多个UWB设备对移动终端的合成干扰问题，从三维空间出发并考虑了UWB设备活动性统计角度，以及考虑室内条件下接收机的共道干扰的影响，提出了一种改进的算法，得出了一系列相关的结论。综上所述，本文研究了UWB的关键技术，提出了一些相应的解决方法，仿真实验验证了本文所提出的模型及算法能够获得很好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 UWB简介
• 1.2 UWB的发展及研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 一种高频谱利用率的超宽带脉冲波形设计
• 2.1 引言
• 2.2 国内外研究情况
• 2.3 传统的脉冲设计算法
• 2.3.1 高斯单周期脉冲
• 2.3.2 基于扁长球体波函数（PS pulse）的脉冲设计
• 2.3.3 基于改进的厄尔密特多项式脉冲算法（HP pulse）
• 2.4 基于高斯脉冲各阶导函数优化组合的超宽带脉冲设计
• 2.4.1 高斯脉冲及其导函数对 UWB信号功率谱分布的影响
• 2.4.1.1 高斯脉冲微分对功率谱密度的影响
• 2.4.1.2 脉冲形成因子α对功率谱密度的影响
• 2.4.2 优化组合
• 2.4.3 仿真
• 2.4.4 结论
• 2.5 本章小结
• 第3章 UWB中一种低复杂度的多用户检测器
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 跳时超宽带与CDMA之间的关系
• 3.4 低复杂度多用户检测
• 3.4.1 改进的低复杂度解相关检测器
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 DS-CDMA UWB中一种带预处理的多用户检测器
• 4.1 引言
• 4.2 国内外发展背景
• 4.3 该领域的传统方法
• 4.3.1 多用户检测在跳时超宽带中的应用
• 4.3.2 多用户检测在直扩超宽带中的应用
• 4.3.2.1 采用直扩多址技术的好处
• 4.3.2.2 多用户检测在直扩多址超宽带（DS-UWB）中的应用
• 4.4 DS-CDMA UWB中一种带预处理的多用户检测器
• 4.4.1 系统模型
• 4.4.2 二元二次规划中的强迫规则
• 4.4.3 强迫规则在预处理器中的应用
• 4.5 仿真与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 UWB中编码及译码算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 国内外发展情况
• 5.3 该领域的一般方法
• 5.3.1 超级正交码
• 5.3.2 跳时超宽带系统模型
• 5.3.3 编码的跳时超宽带系统
• 5.3.3.1 编码系统的性能分析
• 5.3.3.2 数值仿真
• 5.4 半定正态卷积编码及译码算法
• 5.4.1 数学模型
• 5.4.2 半定初态卷积编码的提出
• 5.4.3 半定初态卷积编码过程
• 5.4.4 半定初态卷积编码的译码算法
• 5.5 半定初态卷积编码的译码算法性能
• data与添加零的个数 L的关系'>5.5.1 T_data与添加零的个数 L的关系
• 5.6 本章小结
• 第6章 室内多个 UWB设备对移动通信终端合成干扰研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 超宽带无线电简介
• 6.1.2 超宽带无线电的特点
• 6.1.3 课题研究内容
• 6.2 国内外发展情况
• 6.2.1 单个 UWB设备与窄带系统共存
• 6.2.2 多个 UWB设备与窄带系统共存
• 6.3 传统主流方法
• 6.3.1 传统方法1
• 6.3.1.1 模型的建立
• 6.3.1.2 平面分布积分法模型
• 6.3.1.3 受干扰接收器的性能衰减模型
• 6.3.2 传统方法2
• 6.3.2.1 模型的建立
• 6.4 现代改进算法
• 6.4.1 模型的建立
• 6.5 算法仿真与结论
• 6.5.1 算法仿真
• 6.5.2 结论
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历