DS-UWB與TH-UWB系統在多徑信道下的性能分析

楊銀霞,顏 彪,胡 倩

(揚州大學信息工程學院,江蘇揚州225009)

0 引言

超寬帶通信作為一種新的短距離高速無線通信技術,可以廣泛地應用于高速多媒體無線通信、高精度定位、雷達、監測、控制、無線傳感器網絡乃至醫學應用等領域,具有廣泛的應用前景和重要的理論研究價值。單帶超寬帶系統采用發射時域上很短的脈沖,并利用TH或DS編碼技術[1]。文獻[2]和文獻[3]中分別研究了TH-UWB系統在加性高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道下的性能。文獻[1]、文獻[4]和文獻[5]分別研究了TH-UWB和DS-UWB系統在抽頭延時線模型、加性高斯白噪聲信道模型和Nakagami信道模型下的性能。將對TH和DS超寬帶系統在對數正態分布的信道模型下的性能進行分析。

1 UWB系統發射端模型

1.1 TH-PAM信號模型

TH-PAM超寬帶第u個用戶的發射信號可以表示為：

式中,I(.)∈ ±1和w(t)分別是調制數據和發射的脈沖波形。Tf是幀周期,Nf是每個符號時間Ts的幀數,Tc是碼片周期(Tc≥脈沖寬度),是第u個用戶的擴展碼,它決定了發射脈沖在第j幀的位置。∈ 0,…,Nc,Nc是每幀的碼片數,Eu是發射信號的能量。

1.2 DS-PAM信號模型

DS-PAM超寬帶第u個用戶的發射信號可以表示為：

2 信道模型

采用IEEE802.15.3a工作組推薦的基于簇方式的模型,該模型在經典的寬帶室內信道Saleh和Valenzuela(S-V)模型的基礎上作了少量修改而得到的。該模型保留了S-V模型中多徑成簇出現以及能量服從于雙指數分布的特點,但根據實際的測量數據對多徑的幅度作了修正,IEEE模型的信道沖激響應可以表示為：

式中,X為對數正態隨機變量,代表信道的幅度增益;N為觀測到的簇的數目,nc為第c簇內接收到的多徑數目,αc,r為第c簇中第r條路徑的系數,Tc為第c簇到達時間,τc,r為第c簇中第r條路徑的時延。 αc,r=βc,rejθc,r為第 c 簇第r條路徑的系數,βc,r服從對數分布,θc,r∈ 0;π 。

3 接收機模型

在實際的UWB多徑衰落信道環境下,有用的多徑數目大約為50,所以不采用理想的Rake接收機,而使用選擇性 Rake和部分 Rake接收機。選擇性Rake接收機選擇最強的L條路徑,部分Rake接收機選擇最先到達的L條路徑。

接收信號可以表示為：

式中,v(t)是模板信號,定義 ru(t)=(t)+n(t),因此,Zul(i)可以表示為：

4 仿真結果及分析

采用高斯二階導函數作為發射脈沖波形,其表達式如下[6]：

假設此脈沖被歸一化,脈沖寬度Tp=0.2 ns,脈沖形成因子T0=0.2877 ns及脈沖的中心 T1=0.1 ns。

在CM1信道下,S-Rake接收機的叉指數分別取5、10、20,P-Rake 接收機的叉指數分別取 10、20、30,采用最大比合并接收,DS-PAM和TH-PAM超寬帶單用戶系統性能如圖1和圖2所示。從圖中可以看出,S-Rake接收機的性能優于P-Rake接收機,并且隨著叉指數的增加,系統性能都提高了。這是因為S-Rake接收機是從接收機輸入端獲得的眾多徑分量中選擇最好的幾個分量,而P-Rake接收機沒有選擇過程,直接合并最先到達的幾個路徑。但是,當最好的分量位于信道沖激響應的起始處時,如在LOS情況下,二者的性能差距就會減小。

圖1 TDS-UWB系統性能

圖2 TH-UWB系統性能

在CM1信道下,采用最大比合并的20個叉指數S-Rake接收機,比較不同用戶數時的DS-PAM和TH-PAM超寬帶系統性能如圖3所示。在TH-UWB系統中,每個用戶指定一個特定的脈沖偏移模式,稱之為跳時碼。跳時碼是以Np為周期的周期偽隨機碼,跳時碼為脈沖序列提供了一個額外的時間偏移,其范圍是0,NhTc。假設 NhTc≤Tf,則比例因子反映了在一幀時間T內可允許的跳時范圍。f考慮到在接收機中,相關器運算結果的讀取以及相關器的復位都需要一定的時間,所以規定是嚴格小于1的。但是如果NhTc的值太小,則會增加多用戶間的碰撞概率。因此,隨著用戶數的增加,DSUWB系統性能要比TH-UWB好。

圖3 不同用戶數的TH-UWB和DS-UWB系統性能比較

在CM1信道下,采用最大比合并的20個叉指數S-Rake接收機,比較6個用戶的DS-PAM和THUWB超寬帶系統在不同的碼片數和不同幀數時的性能如圖4和圖5所示。TH-UWB系統在多用戶情況下,所用跳時碼有一個額外的時間偏移,如果這個時間偏移太小,就會增加用戶間的碰撞概率,幀數越多系統性能就越差;而DS-UWB系統中,輸入的是具有雙極性的數據流,所有的脈沖是等間隔的,由于將只進行了DS編碼的序列作為接收模塊的基礎,因此,DS碼的碼片越長,接收端檢測判決正確的概率越大,系統性能就越好。

圖4 采用不同幀數的TH-UWB系統性能比較

圖5 采用不同碼片數的DS-UWB系統性能比較

5 結束語

比較了在多徑信道下TH-UWB和DS-UWB系統采用S-Rake和P-Rake接收機的性能。仿真結果表明DS-UWB系統在多用戶條件下性能優于TH-UWB系統,并且S-Rake接收機的性能優于P-Rake接收機。此外,比較了采用不同幀數和不同碼片數時的TH-PAM和DS-PAM超寬帶系統性能,結果表明隨著幀數增加,TH-PAM系統性能降低,而DS-PAM系統性能隨著碼片數的增加將提高。

[1]CANO E,MCGRATH S.TH-UWB and DS-UWB in lognormal fading channel and 802.11a interference[C]//15th IEEE International Symposium,2004,4：2978-2982.

[2]FOROUZAN AR,NASIRI-KENARI M,SALEHI J A.Performance analysis oftime-hopping spread spectrum multiple access systems：uncoded and coded schemes[J].IEEE Trans.wireless commun,2002,1(4)：671-681.

[3]AHMADI H R,NASIRI-KENARI M.Performance analysis of Time-Hopping Ultra Wide Band systems in multipath fading channels(Uncoded andCoded schemes)[C]//IEEE PIMRC Conference,2002,2：1694-1698.

[4]HU Bo,BEAULIEU C.Accurate performance evaluation of time hopping and direct sequence UWB systems in multi-user interference[J].IEEE,Transactions on communications,2005,53(6)：1053-1062.

[5]SIRIWONGPAIRAT W P,OLFAT M,LIU K J R.Performance Analysis of Time hopping and Direct Sequence UWB Space Time Systems[C]∥IEEE,Global Telecommunications Conference,2004,6：3526-3530.

[6]HELIOT F,GHAVAMI M,NAKHAI MR.Design and performance analysis of a space-time block coding scheme for single band UWB[J].IEEE Proc.commun,2006,153(1)：127-135.