基于多频带OFDM超宽带通信系统性能的仿真研究

谢 丹 杨玉兰

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450000;2.河南经贸职业学院，河南 郑州 450000)

1 引言

超宽带(UWB)是近年来进入公众视野并逐渐引起关注的一种无线传输技术。它具有传输速率高、系统容量大、功耗和成本较一般系统低等特点，被视为短距离、高速无线连接最具开发潜力的物理层技术之一。2002年美国联邦通信委员会(FCC)对民用UWB作了如下定义：凡是中心频率大于2.5GHz，10dB带宽大于500MHz或者频宽载频比大于20%的系统均可以称作超宽带系统。

目前超宽带UWB物理层技术标准存在两种主流方案，单载波UWB(Direct Sequence UWB)和多频带UWB(MB OFDM UWB)。其中多频带UWB是利用现有成熟的跳频技术与OFDM相结合，具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性等优异性能已获得绝大多数厂商的支持。本文详细阐述了多频带OFDM技术的基本原理和系统模型，在IEEE802.15.3a推荐的四种情况下的信道模型下，通过MATLAB仿真了MB-OFDM系统性能曲线，并给出了仿真结果。

2 多频带UWB系统

2.1 多频带UWB系统原理

FCC将超宽带MB OFDM系统的7500MHz频段划分为分为14个子频带，每个子频段带宽为528MHz，数据符号在每个子频带上经过OFDM调制后进行传输。同时，FCC还规定了每个子频带的载波数和每个MB OFDM符号长度：其中MBOFDM发射系统使用的子载波信道数为128个，通过QPSK调制方式;每个符号长度定位为312.5ns，包括了60.6ns的循环前缀(CP)和9.5ns的保护间隔(GI)，这样是为了进一步降低信道间干扰。

2.2 多频带UWB系统结构

MB-OFDM系统是一个采用OFDM和FH机制相结合的多载波UWB系统。从图1、图2可以看出，MB-OFDM系统发送接收结构与OFDM系统相类似，只是FFT的长度、子载波间隔等具体参数不同。另外，FCC对UWB系统功率限制在41.3dBm，因此只能采用QPSK调制方式，一方面可以以较低的辐射功率保证传输的可靠性，另一方面也弱化了MB-OFDM系统的峰均比问题。

3 IEEE802.15.3a 标准信道模型

由于超宽带信号频带极宽，因此其信道模型不同于一般的无线衰落信道。IEEE标准化组织802.15.3a工作组于2003公布了UWB室内信道建模的最终建议，被称为改进的S-V信道模型。目前，该信道模型己经得到广泛的认可，并成为各研究机构进行超宽带系统性能仿真的公开信道平台。

该模型的时域冲激响应可以表示为：

其中，X是代表信道幅度增益的对数正态随机变量，αi，k是第i簇中第k条路径的系数，Ti是第i簇的到达时间，τi，k是第i簇中第k条路径的时延。

根据式(1)所描述的数学模型，IEEE802.15.3a工作组给出了四种典型应用环境下的模型参数值，其中CM1对应的是0～4米的视距(LOS)环境，CM2是0～4米的非视距(NLOS)环境，CM3是4～10米非视距(NLOS)环境，CM4是极限NLOS多径信道。图3分别仿真了CM1至CM4环境下信道模型的冲激响应：

从图中可以看出，CM1信道第一条多径分量传输的能量最高，而CM2、CM3和CM4信道一样，时间弥散性较CM1来说越来越严重，但最强峰值都不是出现在第一条路径，这是NLOS情况下发射机和接收机之间有障碍物的典型结果。

4 多频带UWB系统仿真

在多频带UWB系统仿真中，系统子载波用QPSK调制方式，每个子频带的载波数目为128。图4是一个MB-OFDM基带信号时域的仿真波形，从图中我们可以看出MB-OFDM符号周期内包括9.5ns的保护间隔和60.6ns的循环前缀，总符号长度为312.5ns。

图5是在CM1～CM4四种信道环境下，MB-OFDM UWB系统的误码率性能曲线。从图中看出，CM1信道性能最好，CM2与CM3性能比较接近，而CM4为极端多径信道，性能有较大恶化。

5 小结

本文结合MATLAB仿真软件，深入研究了IEEE802.15.3a标准信道模型下MB-OFDM系统性能，并对整个基带传输系统进行建模和仿真。通过仿真研究可以看出，采用不同的信道环境得到不同的系统性能，环境越差，系统性能越差。但是MB-OFDM UWB系统由于多载波调制，一个主要缺点就是存在高峰值平均功率比(PAPR)问题，因此，采用一定的技术来降低MB-OFDM信号的峰均比将成为新的研究热点。

［1]李长青，UWB-OFDM系统中若干关键技术的研究，北京邮电大学博士学位论文，2006.

［2]张新跃，沈树群。OFDM技术在UWB系统中的应用及前景展望。数据通信，2004，5-1

［3]蒋婷婷，UWB多径信道分析与MB-OFDM系统的信道仿真，上海大学硕士学位论文，2007

［4]尹长川，罗涛，乐光新。多载波宽带无线通信技术［M].北京邮电大学出版社，2004.

［5]［意]Maria-Gabriella Di Benedetto;Guerino Giancola著;葛利嘉，朱林，袁晓芳，陈帮富等译.超宽带无线电基础［M]，电子工业出版社，2005