并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的跳時(shí)多址接入性能*

姜曉斐 郭黎利 齊琳 趙冰

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)布了超寬帶(UWB)無(wú)線通信的初步規(guī)范，將超寬帶信號(hào)定義為:任意相對(duì)帶寬大于20%或者絕對(duì)帶寬大于500MHz并滿足功率譜密度限制要求的信號(hào).這是超寬帶技術(shù)真正走向商業(yè)化的一個(gè)里程碑，也促使其成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1］.目前超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式可分為兩種:脈沖無(wú)線電(IR)和載波調(diào)制方式(MB-OFDM).本研究是基于脈沖無(wú)線電方式進(jìn)行的.

超寬帶的多址接入主要有跳時(shí)多址接入(THMA)、直接序列多址接入(DSMA)和脈沖波形多址接入方式(PSMA)等.文獻(xiàn)［2］中提出一種基于多域協(xié)同的脈沖超寬帶系統(tǒng)多址的通信方法，以解決隨著用戶數(shù)增多，超寬帶系統(tǒng)中不同用戶信號(hào)碰撞的概率增大，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率較高的問(wèn)題.文獻(xiàn)［3-5］中將分?jǐn)?shù)傅里葉變換引入超寬帶系統(tǒng)，在分?jǐn)?shù)傅里葉變換域進(jìn)行濾波以實(shí)現(xiàn)降低多址干擾的目的.

并行組合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(PCSS)是在軟擴(kuò)頻系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種具有較高通信效率的擴(kuò)頻通信方式［6-7］.它既有擴(kuò)頻通信抗干擾、抗偵破的能力，又有很高的信息傳輸能力以及較高的頻帶利用率［8］.筆者將并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)融入超寬帶系統(tǒng)中，構(gòu)建一種新型的超寬帶系統(tǒng)，即并行組合擴(kuò)頻超寬帶(PCSS-UWB)系統(tǒng)［9］.它融合了并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)和超寬帶系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步增加了超寬帶系統(tǒng)的保密性能，而且較大程度地提高了系統(tǒng)的抗噪聲性能.目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這種新型超寬帶系統(tǒng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，文獻(xiàn)［10］中分析了偽隨機(jī)序列的選取對(duì)并行組合擴(kuò)頻超寬帶通信系統(tǒng)的影響;文獻(xiàn)［11-12］中分別建立了基于不同調(diào)制方式的并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)模型，指出并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)中并行組合擴(kuò)頻部分輸出非等概的特點(diǎn)，并以此推導(dǎo)和驗(yàn)證了該系統(tǒng)基于多進(jìn)制脈沖調(diào)制的解調(diào)差錯(cuò)概率;文獻(xiàn)［13］中分析了并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的信息傳輸能力以及發(fā)射參數(shù)與信息傳輸速率之間的關(guān)系;文獻(xiàn)［14］中提出一種改進(jìn)的并行組合擴(kuò)頻超寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)，可提升系統(tǒng)的抗噪聲性能.文中首次對(duì)該系統(tǒng)的多址接入能力進(jìn)行分析，給出基于跳時(shí)多址接入方式的并行組合擴(kuò)頻超寬帶多址通信系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)行了深入研究.

1 并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)

并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)是通過(guò)將并行組合擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)后分別復(fù)合到超寬帶的輸入端和輸出端來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

1.1 并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)

并行組合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在發(fā)射端將輸入的每k比特?cái)?shù)據(jù)d1，d2，…，dk并串轉(zhuǎn)換，然后送入數(shù)據(jù)——序列映射器，選出r個(gè)周期長(zhǎng)度為N的正交擴(kuò)頻(PN)序列和某種序列極性，形成組合序列

式中qia∈{ －1，+1}，a=1，2，…，r.這r個(gè)序列形成的組合序列進(jìn)行對(duì)應(yīng)碼片的等幅度疊加(+1或－1值相加)，形成組合多值信號(hào) MD(t)［8］:

該多值信號(hào)共有r+1個(gè)數(shù)值輸出.

經(jīng)載波調(diào)制，并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)送信號(hào)為

式中，P是一個(gè)序列的信號(hào)功率，ω為信號(hào)載波角頻率，φ為信號(hào)載波初始相位，t為信號(hào)時(shí)間.

假設(shè)收發(fā)端載波同步，在接收端采用相干解調(diào)方式;在本地?cái)U(kuò)頻碼解擴(kuò)之后，對(duì)其相關(guān)值的絕對(duì)值進(jìn)行擇大判決，選出最大的r路輸出對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列及其極性，依據(jù)數(shù)據(jù)——擴(kuò)頻序列逆映射算法，即可解調(diào)出原始發(fā)射信息.

并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)從M個(gè)正交擴(kuò)頻序列的集合中選擇r個(gè)擴(kuò)頻序列以及序列的極性狀態(tài)，然后經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送，這樣共有2r種發(fā)送狀態(tài)，則能同時(shí)傳送k=r+［log2］比特的信息數(shù)據(jù)［15］，其中表示從M個(gè)中取r個(gè)的組合數(shù)，［log2］表示對(duì)log2取整數(shù)部分.文獻(xiàn)［6］中指出，并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)的最大信息數(shù)據(jù)傳輸比特?cái)?shù)約為kmax=1.5N.

1.2 并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)模型

在發(fā)射端，將并行組合擴(kuò)頻系統(tǒng)的組合序列輸出MD(t)作為超寬帶系統(tǒng)的輸入.由于MD(r，t)有r+1個(gè)狀態(tài)，即為多值信號(hào)，因此對(duì)于并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)，后續(xù)處理需采用多進(jìn)制的脈沖調(diào)制、解調(diào)方式，如多進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制(MPAM)、多進(jìn)制脈沖位置調(diào)制(MPPM)、多進(jìn)制雙正交鍵控(MBOK)等，最終將調(diào)制后的數(shù)據(jù)送入脈沖形成器，以基帶脈沖形式發(fā)射.采用MPPM的并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 采用MPPM的并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of PCSS-UWB system using MPPM

MD(r，t)經(jīng)過(guò)重復(fù)編碼后，進(jìn)行MPPM調(diào)制，得到發(fā)射信號(hào)為

式中:Tf為無(wú)調(diào)制情況下的脈沖重復(fù)周期;p(t)是能量歸一化的持續(xù)時(shí)間為wb的窄脈沖(wb遠(yuǎn)小于Tf);ζ表示由要傳送的多進(jìn)制符號(hào)MDj控制的發(fā)射脈沖時(shí)延;MDj∈{0，1，…，r}表示用戶的MD序列的第j個(gè)碼元;“［·］”表示取整運(yùn)算，MD［j/Ns］表示每Ns個(gè)脈沖波形傳送一個(gè)多進(jìn)制符號(hào).設(shè)為單脈沖的能量，則每比特的能量為

2 采用跳時(shí)多址接入方式的系統(tǒng)模型

假設(shè)系統(tǒng)是異步的，在上述系統(tǒng)模型中應(yīng)用跳時(shí)多址接入方式，得到圖2所示基于MPPM-THMA的并行組合擴(kuò)頻超寬帶多址通信系統(tǒng).第l個(gè)用戶信息先經(jīng)過(guò)并行組合擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制，得到MD(l)序列;再通過(guò)MPPM調(diào)制和用戶所分配的跳時(shí)序列，控制發(fā)送脈沖的時(shí)間偏移量;第l個(gè)用戶傳輸?shù)男盘?hào)為

圖2 基帶發(fā)射端系統(tǒng)模型Fig.2 System model of base band transmitter

在接收端，采用單用戶接收結(jié)構(gòu)，如圖3所示.假定信道為加性高斯白噪聲信道，當(dāng)γ個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí)，接收機(jī)解調(diào)用戶1的信息.假設(shè)用戶1的接收機(jī)與其發(fā)射機(jī)完全同步，即已知傳輸時(shí)延!1和信道衰落A1，接收信號(hào)RRX(t)表示為

式中，nmui(t)和n(t)分別代表接收機(jī)輸入端的多用戶干擾和信道噪聲.接收信號(hào)RRX(t)可以采用軟判決檢測(cè)或者硬判決檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，然后用正交MPPM相干接收方案進(jìn)行MPPM解調(diào)，其中采用的模板信號(hào)為

式中，b=0，1，…，r.解調(diào)后得到消除高斯噪聲的并行組合序列進(jìn)行并行組合擴(kuò)頻數(shù)據(jù)解調(diào)，即可恢復(fù)用戶1的原始數(shù)據(jù)信息.

圖3 單用戶接收端系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of single-user receiver system

3 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)仿真，將提出的基于MPPM-THMA的并行組合擴(kuò)頻超寬帶多址系統(tǒng)與傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析跳時(shí)多址接入方式對(duì)所提出系統(tǒng)性能的影響.仿真所采用的超寬帶脈沖為二階高斯脈沖，重復(fù)編碼數(shù)為3.并行組合擴(kuò)頻調(diào)制部分的正交擴(kuò)頻序列總數(shù)M=16，從中選取的序列數(shù)r=3，則可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)k=12;正交擴(kuò)頻序列均采用周期N為63的平衡Gold碼，數(shù)據(jù)序列映射采用改進(jìn)r-組合映射編碼算法［16］.系統(tǒng)采用4PPM調(diào)制方式.信源是獨(dú)立同分布且等概率出現(xiàn)的，信道為加性高斯白噪聲信道，假定單用戶接收機(jī)已同步，得到圖4所示系統(tǒng)誤碼率(BER)隨信噪比(Eb/N0)變化的曲線.

圖4 多用戶超寬帶系統(tǒng)與并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的誤碼性能對(duì)比Fig.4 Comparison of BER performance between UWB system and PCSS-UWB system

圖4分別給出了6個(gè)用戶的超寬帶系統(tǒng)，即存在5個(gè)干擾用戶條件下的超寬帶系統(tǒng)以及并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的平均誤碼率曲線和單用戶超寬帶系統(tǒng)理論曲線.圖4中超寬帶系統(tǒng)在進(jìn)行6個(gè)用戶的多址通信時(shí)，相對(duì)于單用戶通信，誤碼性能發(fā)生惡化，不利于多址通信的應(yīng)用，限制了超寬帶系統(tǒng)用戶容量的提升.文獻(xiàn)［4-5］中提出的基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的多址方式以及文獻(xiàn)［2-3］中所采用的基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的多址方式與時(shí)分多址結(jié)合的多域聯(lián)合的多址技術(shù)，在6個(gè)用戶的多址通信中，超寬帶系統(tǒng)的誤碼性能都可以進(jìn)一步地接近單用戶超寬帶系統(tǒng)的理論值，一定程度上提升了超寬帶的系統(tǒng)容量.而文中所采用的方法在超寬帶系統(tǒng)中融入了并行組合擴(kuò)頻技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)嶄新體制的超寬帶通信系統(tǒng)，即并行組合擴(kuò)頻超寬帶通信系統(tǒng);并行組合擴(kuò)頻技術(shù)犧牲小部分的頻帶利用率，為超寬帶系統(tǒng)提供了額外的擴(kuò)頻增益，可大幅優(yōu)化系統(tǒng)的誤碼性能.在上述仿真條件下，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率與單用戶超寬帶系統(tǒng)相同，而由于并行組合擴(kuò)頻調(diào)制為其提供了N/k=5.25倍的擴(kuò)頻比，其平均誤碼率遠(yuǎn)優(yōu)于單用戶超寬帶系統(tǒng)的誤碼率，從而使系統(tǒng)容量得到了大幅提升.進(jìn)一步增加并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的用戶個(gè)數(shù)，仍采用MPPM-THMA多址方式，在圖5中給出系統(tǒng)分別在5、20、50個(gè)干擾用戶條件下的誤碼率曲線.當(dāng)存在5個(gè)干擾用戶時(shí)，誤碼率隨著信噪比的升高而快速下降，即信道噪聲是影響系統(tǒng)性能的主要因素，多用戶干擾可忽略不計(jì).而當(dāng)存在20個(gè)和50個(gè)干擾用戶時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率趨向于一個(gè)常數(shù);即在信噪比很高的條件下，系統(tǒng)的工作性能取決于多用戶干擾因素.與傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)相比［17］，文中提出的方案在信噪比很高的情況下，當(dāng)存在20個(gè)干擾用戶時(shí)，其誤碼率約從10－3降至10－4;當(dāng)存在50個(gè)干擾用戶時(shí)，系統(tǒng)性能的提升已不明顯，可以通過(guò)調(diào)整并行組合擴(kuò)頻調(diào)整參數(shù)M或者r來(lái)降低可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)k，或者增加正交擴(kuò)頻序列的周期長(zhǎng)度N來(lái)獲得更高的擴(kuò)頻增益，從而提升系統(tǒng)的工作性能.

圖5 不同干擾用戶條件下并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的誤碼性能Fig.5 BER performance of PCSS-UWB system under the conditions of different user numbers

將用戶的信噪比固定為10dB，得到系統(tǒng)誤碼率隨用戶數(shù)γ變化的仿真曲線如圖6所示.由圖6可知，隨著用戶數(shù)γ的增加，多用戶干擾不斷增加，此時(shí)多用戶干擾成為制約系統(tǒng)工作性能的主要因素，使得系統(tǒng)性能逐漸下降.可以考慮采用新的跳時(shí)碼以減少脈沖間發(fā)生碰撞的概率，從而達(dá)到降低多用戶干擾的目的.

圖6 用戶數(shù)對(duì)并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)的影響Fig.6 Impact of user numbers on PCSS-UWB system

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)，文中提出采用MPPM-THMA的多址接入方式，并給出了其實(shí)現(xiàn)多址的系統(tǒng)模型.由于在傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)中融入了并行組合擴(kuò)頻技術(shù)，使得超寬帶系統(tǒng)可獲得額外的擴(kuò)頻增益，從而改善了系統(tǒng)的工作性能，提升了系統(tǒng)容量.仿真結(jié)果表明采用MPPM-THMA的并行組合擴(kuò)頻超寬帶多址系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)量有了較大的提高.下一步將分析并行組合擴(kuò)頻超寬帶系統(tǒng)在采用其他多址接入方式下的系統(tǒng)性能，并與跳時(shí)多址接入方式進(jìn)行對(duì)比，以得出最佳的多址接入方式或給出其各自的適用范圍.

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