DS-UWB与TH-UWB系统在多径信道下的性能分析

杨银霞,颜 彪,胡 倩

(扬州大学信息工程学院,江苏扬州225009)

0 引言

超宽带通信作为一种新的短距离高速无线通信技术,可以广泛地应用于高速多媒体无线通信、高精度定位、雷达、监测、控制、无线传感器网络乃至医学应用等领域,具有广泛的应用前景和重要的理论研究价值。单带超宽带系统采用发射时域上很短的脉冲,并利用TH或DS编码技术[1]。文献[2]和文献[3]中分别研究了TH-UWB系统在加性高斯白噪声信道和瑞利衰落信道下的性能。文献[1]、文献[4]和文献[5]分别研究了TH-UWB和DS-UWB系统在抽头延时线模型、加性高斯白噪声信道模型和Nakagami信道模型下的性能。将对TH和DS超宽带系统在对数正态分布的信道模型下的性能进行分析。

1 UWB系统发射端模型

1.1 TH-PAM信号模型

TH-PAM超宽带第u个用户的发射信号可以表示为：

式中,I(.)∈ ±1和w(t)分别是调制数据和发射的脉冲波形。Tf是帧周期,Nf是每个符号时间Ts的帧数,Tc是码片周期(Tc≥脉冲宽度),是第u个用户的扩展码,它决定了发射脉冲在第j帧的位置。∈ 0,…,Nc,Nc是每帧的码片数,Eu是发射信号的能量。

1.2 DS-PAM信号模型

DS-PAM超宽带第u个用户的发射信号可以表示为：

2 信道模型

采用IEEE802.15.3a工作组推荐的基于簇方式的模型,该模型在经典的宽带室内信道Saleh和Valenzuela(S-V)模型的基础上作了少量修改而得到的。该模型保留了S-V模型中多径成簇出现以及能量服从于双指数分布的特点,但根据实际的测量数据对多径的幅度作了修正,IEEE模型的信道冲激响应可以表示为：

式中,X为对数正态随机变量,代表信道的幅度增益;N为观测到的簇的数目,nc为第c簇内接收到的多径数目,αc,r为第c簇中第r条路径的系数,Tc为第c簇到达时间,τc,r为第c簇中第r条路径的时延。 αc,r=βc,rejθc,r为第 c 簇第r条路径的系数,βc,r服从对数分布,θc,r∈ 0;π 。

3 接收机模型

在实际的UWB多径衰落信道环境下,有用的多径数目大约为50,所以不采用理想的Rake接收机,而使用选择性 Rake和部分 Rake接收机。选择性Rake接收机选择最强的L条路径,部分Rake接收机选择最先到达的L条路径。

接收信号可以表示为：

式中,v(t)是模板信号,定义 ru(t)=(t)+n(t),因此,Zul(i)可以表示为：

4 仿真结果及分析

采用高斯二阶导函数作为发射脉冲波形,其表达式如下[6]：

假设此脉冲被归一化,脉冲宽度Tp=0.2 ns,脉冲形成因子T0=0.2877 ns及脉冲的中心 T1=0.1 ns。

在CM1信道下,S-Rake接收机的叉指数分别取5、10、20,P-Rake 接收机的叉指数分别取 10、20、30,采用最大比合并接收,DS-PAM和TH-PAM超宽带单用户系统性能如图1和图2所示。从图中可以看出,S-Rake接收机的性能优于P-Rake接收机,并且随着叉指数的增加,系统性能都提高了。这是因为S-Rake接收机是从接收机输入端获得的众多径分量中选择最好的几个分量,而P-Rake接收机没有选择过程,直接合并最先到达的几个路径。但是,当最好的分量位于信道冲激响应的起始处时,如在LOS情况下,二者的性能差距就会减小。

图1 TDS-UWB系统性能

图2 TH-UWB系统性能

在CM1信道下,采用最大比合并的20个叉指数S-Rake接收机,比较不同用户数时的DS-PAM和TH-PAM超宽带系统性能如图3所示。在TH-UWB系统中,每个用户指定一个特定的脉冲偏移模式,称之为跳时码。跳时码是以Np为周期的周期伪随机码,跳时码为脉冲序列提供了一个额外的时间偏移,其范围是0,NhTc。假设 NhTc≤Tf,则比例因子反映了在一帧时间T内可允许的跳时范围。f考虑到在接收机中,相关器运算结果的读取以及相关器的复位都需要一定的时间,所以规定是严格小于1的。但是如果NhTc的值太小,则会增加多用户间的碰撞概率。因此,随着用户数的增加,DSUWB系统性能要比TH-UWB好。

图3 不同用户数的TH-UWB和DS-UWB系统性能比较

在CM1信道下,采用最大比合并的20个叉指数S-Rake接收机,比较6个用户的DS-PAM和THUWB超宽带系统在不同的码片数和不同帧数时的性能如图4和图5所示。TH-UWB系统在多用户情况下,所用跳时码有一个额外的时间偏移,如果这个时间偏移太小,就会增加用户间的碰撞概率,帧数越多系统性能就越差;而DS-UWB系统中,输入的是具有双极性的数据流,所有的脉冲是等间隔的,由于将只进行了DS编码的序列作为接收模块的基础,因此,DS码的码片越长,接收端检测判决正确的概率越大,系统性能就越好。

图4 采用不同帧数的TH-UWB系统性能比较

图5 采用不同码片数的DS-UWB系统性能比较

5 结束语

比较了在多径信道下TH-UWB和DS-UWB系统采用S-Rake和P-Rake接收机的性能。仿真结果表明DS-UWB系统在多用户条件下性能优于TH-UWB系统,并且S-Rake接收机的性能优于P-Rake接收机。此外,比较了采用不同帧数和不同码片数时的TH-PAM和DS-PAM超宽带系统性能,结果表明随着帧数增加,TH-PAM系统性能降低,而DS-PAM系统性能随着码片数的增加将提高。

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