基于多頻帶OFDM超寬帶通信系統(tǒng)性能的仿真研究

謝 丹 楊玉蘭

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000;2.河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 引言

超寬帶(UWB)是近年來進入公眾視野并逐漸引起關(guān)注的一種無線傳輸技術(shù)。它具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗和成本較一般系統(tǒng)低等特點，被視為短距離、高速無線連接最具開發(fā)潛力的物理層技術(shù)之一。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對民用UWB作了如下定義：凡是中心頻率大于2.5GHz，10dB帶寬大于500MHz或者頻寬載頻比大于20%的系統(tǒng)均可以稱作超寬帶系統(tǒng)。

目前超寬帶UWB物理層技術(shù)標(biāo)準存在兩種主流方案，單載波UWB(Direct Sequence UWB)和多頻帶UWB(MB OFDM UWB)。其中多頻帶UWB是利用現(xiàn)有成熟的跳頻技術(shù)與OFDM相結(jié)合，具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性等優(yōu)異性能已獲得絕大多數(shù)廠商的支持。本文詳細闡述了多頻帶OFDM技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)模型，在IEEE802.15.3a推薦的四種情況下的信道模型下，通過MATLAB仿真了MB-OFDM系統(tǒng)性能曲線，并給出了仿真結(jié)果。

2 多頻帶UWB系統(tǒng)

2.1 多頻帶UWB系統(tǒng)原理

FCC將超寬帶MB OFDM系統(tǒng)的7500MHz頻段劃分為分為14個子頻帶，每個子頻段帶寬為528MHz，數(shù)據(jù)符號在每個子頻帶上經(jīng)過OFDM調(diào)制后進行傳輸。同時，F(xiàn)CC還規(guī)定了每個子頻帶的載波數(shù)和每個MB OFDM符號長度：其中MBOFDM發(fā)射系統(tǒng)使用的子載波信道數(shù)為128個，通過QPSK調(diào)制方式;每個符號長度定位為312.5ns，包括了60.6ns的循環(huán)前綴(CP)和9.5ns的保護間隔(GI)，這樣是為了進一步降低信道間干擾。

2.2 多頻帶UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MB-OFDM系統(tǒng)是一個采用OFDM和FH機制相結(jié)合的多載波UWB系統(tǒng)。從圖1、圖2可以看出，MB-OFDM系統(tǒng)發(fā)送接收結(jié)構(gòu)與OFDM系統(tǒng)相類似，只是FFT的長度、子載波間隔等具體參數(shù)不同。另外，F(xiàn)CC對UWB系統(tǒng)功率限制在41.3dBm，因此只能采用QPSK調(diào)制方式，一方面可以以較低的輻射功率保證傳輸?shù)目煽啃?，另一方面也弱化了MB-OFDM系統(tǒng)的峰均比問題。

3 IEEE802.15.3a 標(biāo)準信道模型

由于超寬帶信號頻帶極寬，因此其信道模型不同于一般的無線衰落信道。IEEE標(biāo)準化組織802.15.3a工作組于2003公布了UWB室內(nèi)信道建模的最終建議，被稱為改進的S-V信道模型。目前，該信道模型己經(jīng)得到廣泛的認可，并成為各研究機構(gòu)進行超寬帶系統(tǒng)性能仿真的公開信道平臺。

該模型的時域沖激響應(yīng)可以表示為：

其中，X是代表信道幅度增益的對數(shù)正態(tài)隨機變量，αi，k是第i簇中第k條路徑的系數(shù)，Ti是第i簇的到達時間，τi，k是第i簇中第k條路徑的時延。

根據(jù)式(1)所描述的數(shù)學(xué)模型，IEEE802.15.3a工作組給出了四種典型應(yīng)用環(huán)境下的模型參數(shù)值，其中CM1對應(yīng)的是0～4米的視距(LOS)環(huán)境，CM2是0～4米的非視距(NLOS)環(huán)境，CM3是4～10米非視距(NLOS)環(huán)境，CM4是極限NLOS多徑信道。圖3分別仿真了CM1至CM4環(huán)境下信道模型的沖激響應(yīng)：

從圖中可以看出，CM1信道第一條多徑分量傳輸?shù)哪芰孔罡?，而CM2、CM3和CM4信道一樣，時間彌散性較CM1來說越來越嚴重，但最強峰值都不是出現(xiàn)在第一條路徑，這是NLOS情況下發(fā)射機和接收機之間有障礙物的典型結(jié)果。

4 多頻帶UWB系統(tǒng)仿真

在多頻帶UWB系統(tǒng)仿真中，系統(tǒng)子載波用QPSK調(diào)制方式，每個子頻帶的載波數(shù)目為128。圖4是一個MB-OFDM基帶信號時域的仿真波形，從圖中我們可以看出MB-OFDM符號周期內(nèi)包括9.5ns的保護間隔和60.6ns的循環(huán)前綴，總符號長度為312.5ns。

圖5是在CM1～CM4四種信道環(huán)境下，MB-OFDM UWB系統(tǒng)的誤碼率性能曲線。從圖中看出，CM1信道性能最好，CM2與CM3性能比較接近，而CM4為極端多徑信道，性能有較大惡化。

5 小結(jié)

本文結(jié)合MATLAB仿真軟件，深入研究了IEEE802.15.3a標(biāo)準信道模型下MB-OFDM系統(tǒng)性能，并對整個基帶傳輸系統(tǒng)進行建模和仿真。通過仿真研究可以看出，采用不同的信道環(huán)境得到不同的系統(tǒng)性能，環(huán)境越差，系統(tǒng)性能越差。但是MB-OFDM UWB系統(tǒng)由于多載波調(diào)制，一個主要缺點就是存在高峰值平均功率比(PAPR)問題，因此，采用一定的技術(shù)來降低MB-OFDM信號的峰均比將成為新的研究熱點。

［1]李長青，UWB-OFDM系統(tǒng)中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［2]張新躍，沈樹群。OFDM技術(shù)在UWB系統(tǒng)中的應(yīng)用及前景展望。數(shù)據(jù)通信，2004，5-1

［3]蔣婷婷，UWB多徑信道分析與MB-OFDM系統(tǒng)的信道仿真，上海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

［4]尹長川，羅濤，樂光新。多載波寬帶無線通信技術(shù)［M].北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［5]［意]Maria-Gabriella Di Benedetto;Guerino Giancola著;葛利嘉，朱林，袁曉芳，陳幫富等譯.超寬帶無線電基礎(chǔ)［M]，電子工業(yè)出版社，2005