專利名稱：基于多域協(xié)同多址技術(shù)的脈沖超寬帶通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超寬帶(Ultra Wide-Band)的無線通信技術(shù)，具體涉及一 種基于多域協(xié)同的脈沖超寬帶系統(tǒng)多址的通信方法。
技術(shù)背景應(yīng)用于雷達(dá)和通信的超寬帶技術(shù)的產(chǎn)生可追溯到20世紀(jì)60年代，由于 技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的限制，超寬帶技術(shù)發(fā)展緩慢。美國從20世紀(jì)90年代 中期以來，研制了多種超寬帶無線電通信、雷達(dá)、成像和高精度定位系統(tǒng)， 以及通信定位、通信雷達(dá)等具有綜合功能的超寬帶系統(tǒng)，作為軍隊(duì)和政府部 門專用設(shè)備的超寬帶無線電系統(tǒng)已得到實(shí)際應(yīng)用，但直到1993年，美國南加 州大學(xué)通信科學(xué)研究所的Scholtz教授在國際軍事通信會(huì)議上發(fā)表論文，論證 了采用沖激脈沖進(jìn)行跳時(shí)調(diào)制的多址技術(shù)，才開辟了將沖激脈沖作為無線電 通信信息載體的新途徑，超寬帶也成為通信中最熱門也是最重要的研究方向 之一。超寬帶是無線通信領(lǐng)域的一次重大突破，它在雷達(dá)跟蹤、無線通信(特別 是軍事無線通信、戶內(nèi)無線通信及個(gè)人化無線局域網(wǎng)等)、移動(dòng)通信、測距、 精確定位等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。為了不對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)造成干擾，美國 聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)超寬帶系統(tǒng)的功率譜密度提出了限制，我們稱之為 FCC規(guī)范。目前超寬帶技術(shù)已經(jīng)成為人類未來實(shí)現(xiàn)中短程高速無線通信的首 選方案。發(fā)射波形的不同是超寬帶與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)之間的主要不同之 處，超寬帶不只可以用傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的正余弦載波作為發(fā)射波形，也可以 用一系列非常尖銳的納秒級(jí)或亞納秒級(jí)超短脈沖作為發(fā)射波形，來承載信息， 因此超寬帶有時(shí)也稱為脈沖無線電。目前脈沖超寬帶系統(tǒng)中采用的多址(即多 用戶)方式主要是是跳時(shí)或直序擴(kuò)頻方式，其中跳時(shí)序列是一種偽隨機(jī)序列， 它在超寬帶系統(tǒng)中主要用于區(qū)分多用戶，而不是擴(kuò)展系統(tǒng)的帶寬。跳時(shí)序列 可以控制超寬帶脈沖在幀內(nèi)隨機(jī)跳時(shí)，減少和其他用戶碰撞的概率，減小多 用戶干擾。但是當(dāng)超寬帶系統(tǒng)中用戶數(shù)增加時(shí)，不同用戶信號(hào)碰撞的概率隨 之加大，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率升高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決現(xiàn)有的脈沖超寬帶系統(tǒng)中用戶數(shù)量增加時(shí)，不同用戶信號(hào) 碰撞的概率隨之加大，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率較高的問題，提供一種基于多域協(xié) 同多址技術(shù)的脈沖超寬帶通信方法。本發(fā)明由以下步驟實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程步驟一、發(fā)送端切普信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生參數(shù)為&的切普信號(hào)qW，不同用 戶對(duì)應(yīng)的&值不同；步驟二、步驟一中得到的切普信號(hào)經(jīng)過平移加權(quán)疊加后得到發(fā)送端基本脈沖g^)， g^)-;s二K(附K(卜奵)，其中M為疊加階數(shù)，r為單位平移時(shí)間，^為lxM維數(shù)組，預(yù)先存儲(chǔ)于發(fā)射端疊加系數(shù)存儲(chǔ)器中；步驟三、發(fā)射端切普信號(hào)產(chǎn)生器根據(jù)發(fā)射端脈沖波形產(chǎn)生器生成的基本 脈沖波形g力)對(duì)信息源輸出的信息6(0進(jìn)行調(diào)制；步驟四、根據(jù)發(fā)射端跳時(shí)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的跳時(shí)序列，發(fā)射波形成形器 中的基本脈沖g力)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)移，得到發(fā)射信號(hào) W,由發(fā)射端天線發(fā)射， 不同用戶的跳時(shí)序列不同；接收過程步驟五、接收瑞天線將接收到的信號(hào) (0濾波后分為兩路處理，其中一 路信號(hào)^(/)做^階分?jǐn)?shù)傅立葉換，對(duì)變換結(jié)果在峰值位置附近濾波，濾波后 的信號(hào)做-A階分?jǐn)?shù)傅立葉變換回到時(shí)域；步驟六、對(duì)另一路信號(hào)&W做2-A階分?jǐn)?shù)傅立葉變換，對(duì)變換結(jié)果在峰 值位置附近進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)做& -2階分?jǐn)?shù)傅立葉變換回到時(shí)域；步驟七、將兩路變換回時(shí)域的信號(hào)相加，得到分?jǐn)?shù)域?yàn)V波后對(duì)原信號(hào)的 時(shí)域重構(gòu)；步驟八、接收端跳時(shí)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生與發(fā)送端同步的跳時(shí)序列，接收端 脈沖波形產(chǎn)生器得到與發(fā)端相同形狀的切普疊加脈沖波形g力)后，模板信號(hào) 產(chǎn)生器根據(jù)本地跳時(shí)序列跳時(shí)，產(chǎn)生積分模板信號(hào)；步驟九、模板信號(hào)與步驟七中得到的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行積分相關(guān)，根據(jù)相關(guān) 結(jié)果及調(diào)制方式由判決器進(jìn)行判決，由信息輸出器輸出解調(diào)的數(shù)據(jù)。有益效果本發(fā)明的根本思想是不同用戶采用不同參數(shù)、的切普信號(hào)平 移疊加設(shè)計(jì)基本脈沖波形，它們分別在P 階分?jǐn)?shù)域上有最佳的能量聚集的性 質(zhì)。當(dāng)用戶1的信號(hào)為期望信號(hào)時(shí)，根據(jù)前面的分析，分別在A階域和2-A 域進(jìn)行濾波。此時(shí)由于其他用戶信號(hào)在這兩個(gè)域能量并不聚集，可以有效濾 除多用戶干擾。這種多址方式相當(dāng)于分?jǐn)?shù)傅立葉變換域多址(用戶占用不同階 數(shù)的分?jǐn)?shù)域)與時(shí)域多址(用戶占用不同時(shí)間段)協(xié)同，由于多域協(xié)同，增加了 一個(gè)多址的域，可以有效提高系統(tǒng)容量，改善信號(hào)碰撞時(shí)產(chǎn)生誤碼的問題， 提高系統(tǒng)性能。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式一的發(fā)射端與接收端的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是滿足 FCC規(guī)范的切普疊加信號(hào)時(shí)域波形圖；圖3是滿足FCC規(guī)范的切普疊加信 號(hào)頻譜圖；圖4和圖5分別是不同用戶跳時(shí)信號(hào)波形示意圖；圖6是不同用 戶信號(hào)碰撞時(shí)時(shí)域圖；圖7是在;^階分?jǐn)?shù)傅立葉換域下不同用戶信號(hào)碰撞時(shí) 分?jǐn)?shù)域譜及分?jǐn)?shù)域?yàn)V波圖；圖8是2-;^階分?jǐn)?shù)傅立葉換域下不同用戶信號(hào)碰 撞時(shí)分?jǐn)?shù)域譜及分?jǐn)?shù)域?yàn)V波圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一參見圖1 圖8，本實(shí)施方式由以下步驟組成 發(fā)射過程步驟一、發(fā)送端切普信號(hào)產(chǎn)生器2產(chǎn)生參數(shù)為&的切普信號(hào)c力)。不同 用戶對(duì)應(yīng)的、值不同；步驟二、發(fā)射端脈沖波形產(chǎn)生器3將步驟一中得到的切普信號(hào)c"(,)經(jīng)過平移加權(quán)疊加后得到發(fā)送端基本脈沖&(0， g W=i::, (/ )c (/-/nr)，其中M為疊加階數(shù)，r為單位平移時(shí)間，^為lxM維數(shù)組，預(yù)先存儲(chǔ)于發(fā)射端疊 加系數(shù)存儲(chǔ)器l中，^的選取準(zhǔn)則為使得疊加后的脈沖g力)的頻譜滿足FCC 規(guī)范；步驟三、發(fā)射端脈沖波形產(chǎn)生器3生成的基本脈沖波形g力)通過調(diào)制器 5對(duì)信息源4輸出的信息6(/)進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制；步驟四、根據(jù)發(fā)射端跳時(shí)序列產(chǎn)生器6產(chǎn)生的跳時(shí)序列，在發(fā)射波形成 形器7中的基本脈沖g力)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)移，得到發(fā)射信號(hào)&(,)，由發(fā)射端天線發(fā)射；接收過程步驟五、接收端天線將接收到的信號(hào)s。(0通過濾波器8濾波后分為兩路 處理，其中一路信號(hào)&(z)通A階分?jǐn)?shù)傅立葉換器9做A階分?jǐn)?shù)傅立葉換，對(duì) 變換結(jié)果在峰值位置附近通過第一分?jǐn)?shù)傅立葉變換域?yàn)V波器10進(jìn)行濾波，將 濾波窗外信號(hào)置零，如圖7所示，其中濾波位置需要根據(jù)本地同步跳時(shí)序列 確定，濾波后的信號(hào)通過-A階分?jǐn)?shù)傅立葉換變換器11做-A階分?jǐn)?shù)傅立葉 變換回到時(shí)域；步驟六、對(duì)另一路信號(hào)^(/)通過2-^階分?jǐn)?shù)傅立葉變換器12做2-凡階 分?jǐn)?shù)傅立葉變換，對(duì)變換結(jié)果在峰值位置附近通過第二分?jǐn)?shù)傅立葉變換域?yàn)V 波器13進(jìn)行濾波，濾波過程如圖8所示，其中濾波位置需要根據(jù)本地同步跳 時(shí)序列確定，濾波后的信號(hào)通過^-2階分?jǐn)?shù)傅立葉變換器14做^-2階分?jǐn)?shù) 傅立葉變換回到時(shí)域；步驟七、將兩路反變換回時(shí)域的信號(hào)相加，得到分?jǐn)?shù)域?yàn)V波后對(duì)原信號(hào) 的時(shí)域重構(gòu)；步驟八、接收端跳時(shí)序列產(chǎn)生器15產(chǎn)生與發(fā)送端同步的跳時(shí)序列，接收 端切普信號(hào)產(chǎn)生器16與接收端疊加系數(shù)存儲(chǔ)器17的參數(shù)分別與發(fā)射端切普 信號(hào)產(chǎn)生器2和發(fā)射端疊加系數(shù)存儲(chǔ)器1相同，接收端脈沖波形產(chǎn)生器18 得到與發(fā)端相同形狀的切普疊加脈沖波形g力)后，模板信號(hào)產(chǎn)生器19根據(jù)與 發(fā)端相同的本地跳時(shí)序列跳時(shí)，產(chǎn)生積分模板信號(hào)；步驟九、模板信號(hào)與步驟七中得到的濾波重構(gòu)處理后的接收信號(hào)進(jìn)行相 關(guān)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果及由判決器20進(jìn)行判決，由于采用BPSK調(diào)制，進(jìn)行過零 判決即可，最后由信息輸出器21輸出解調(diào)的數(shù)據(jù)。在只采用跳時(shí)多址方式的超寬帶系統(tǒng)中，不同用戶之間脈沖信號(hào)碰撞時(shí) 將引起系統(tǒng)的誤判。本實(shí)施方式通過增加分?jǐn)?shù)域協(xié)同模塊30，利用所設(shè)計(jì)的 脈沖在分?jǐn)?shù)域能量聚集的特性，進(jìn)行分?jǐn)?shù)域預(yù)濾波，消除其它用戶的干擾， 再通過時(shí)域協(xié)同模塊40進(jìn)行跳時(shí)解擴(kuò)解調(diào)，此時(shí)即使不同用戶脈沖信號(hào)發(fā)生 碰撞，干擾信號(hào)的能量也將大大降低，從而提高系統(tǒng)性能。具體原理為將 線性調(diào)頻參數(shù)為A:的切普信號(hào)的線性組合作為超寬帶系統(tǒng)的基本發(fā)射脈沖波形，采用線性組合方式是為了滿足FCC的頻譜規(guī)范。該波形在相應(yīng)的^階分 數(shù)域上有最佳的能量聚集特性(p由A計(jì)算得到)，W個(gè)不同用戶采用不同的 )t值，記為^("=/,2，...7\0。相應(yīng)地，它們對(duì)應(yīng)的切普信號(hào)分別在A ("=/,2，...,iV) 階分?jǐn)?shù)傅立葉變換域上能量最為集中；假設(shè)用戶1的信號(hào)為期望信號(hào)，用戶 1的信號(hào)s々)和第z'個(gè)用戶的信號(hào)s,仍在時(shí)域產(chǎn)生碰撞，如圖6所示，在某個(gè) 時(shí)刻，不同用戶的信號(hào)可能處在相同的時(shí)間段，此時(shí)直接解調(diào)將引起誤判； 對(duì)接收到的信號(hào)做A階分?jǐn)?shù)傅立葉變換，得到結(jié)果如圖7和圖8所示，此時(shí) 在分?jǐn)?shù)傅立葉變換域采用圖7和圖8所示的濾波窗進(jìn)行預(yù)濾波，可以濾除 的大部分能量，再反變換回時(shí)域，進(jìn)行解跳時(shí)和解調(diào)，可以有效消除信號(hào)碰 撞產(chǎn)生的影響。分?jǐn)?shù)傅立葉變換是一種廣義的傅立葉變換，信號(hào)在分?jǐn)?shù)階傅立葉域上的 表示，同時(shí)包含了信號(hào)在時(shí)域和頻域的信息，分?jǐn)?shù)傅立葉變換的積分形式定 義為<formula>formula see original document page 7</formula>其中/(,)為信號(hào)的時(shí)域表達(dá)形式，/(/)的p階分?jǐn)?shù)傅立葉變換為p/(")，w為分?jǐn)?shù)域坐標(biāo)，"=/^/2。當(dāng)"="/2時(shí)/(")為普通的傅立葉變換。 分?jǐn)?shù)傅立葉變換具有如下基本性質(zhì)(1) 當(dāng)階數(shù)為O時(shí)，變換結(jié)果就是原信號(hào)本身。即0階分?jǐn)?shù)傅立葉變換是 單位算子F"^/;(2) 階數(shù)可加性i^fp2=fa"2;(3) 由階數(shù)可加性及^)=/可以看出，分?jǐn)?shù)傅立葉變換的逆變換就是將階 數(shù)取負(fù)(i^)—1-^—p。由于分?jǐn)?shù)傅立葉變換是信號(hào)在一組正交的切普基上的展開，因此分?jǐn)?shù)傅立葉變換在某個(gè)分?jǐn)?shù)階傅立葉域中對(duì)給定的切普信號(hào)具有最好的能量聚集特性:即一個(gè)切普信號(hào)在適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)階傅立葉變換域中將表現(xiàn)為一個(gè)沖擊函數(shù)。其中，切普信號(hào)的表達(dá)式為c(O = X exp + 2;r /J + ;r缸2)} (0 2 /《r)參數(shù)％、 /。、 t分別表示切普信號(hào)的相位，中心頻率，和頻率變化率。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)為實(shí)函數(shù)，使初始相位為0,取兩個(gè)共軛切普信號(hào)疊加，使其成為余弦函數(shù)形式，表達(dá)式如下 c(O = {exp[/(2;r + "At2)] + exp[-/(2;r + ;rfe2)]} / 2 =cos(2;ry^ + ;r^2)上式中的信號(hào)稱之為實(shí)切普信號(hào)，它可以分解為共軛的兩部分。這兩部 分的線性調(diào)頻參數(shù)分別為it和-it ，因此它們分別在;7和-p階分?jǐn)?shù)傅立葉變換 域能量聚集，成為一個(gè)沖擊函數(shù)，由于2-p階域相當(dāng)于-p階域的反轉(zhuǎn)，為了 方便計(jì)算，也可以定義為它們分別在p和2-p階域能量最為聚集。但上述的 實(shí)切普信號(hào)形式并不能直接應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)，為了滿足FCC給出的規(guī)范， 需要采用一種半正定規(guī)劃方法(SDP算法)，對(duì)選定的一段切普信號(hào)設(shè)計(jì)疊加 加權(quán)系數(shù)，切普信號(hào)作為基函數(shù)進(jìn)行平移加權(quán)疊加以滿足FCC規(guī)范。經(jīng)過設(shè) 計(jì)的波形才可以在實(shí)際中應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中，此波形稱為切普疊加波形， 其時(shí)域形狀如圖2所示，根據(jù)圖3可以看出該波形可以很好的滿足FCC規(guī)范。
權(quán)利要求
1. 基于多域協(xié)同多址技術(shù)的脈沖超寬帶通信方法，其特征在于它由以下步驟實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程步驟一、發(fā)送端切普信號(hào)產(chǎn)生器(2)產(chǎn)生參數(shù)為kn的切普信號(hào)cn(t)，不同用戶對(duì)應(yīng)的kn值不同；步驟二、步驟一中得到的切普信號(hào)經(jīng)過平移加權(quán)疊加后得到發(fā)送端基本脈沖gn(t)，<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>g</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></msubsup><msub> <mi>W</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>c</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>mT</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100644107C00011.gif" wi="53" he="6" top= "82" left = "45" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中M為疊加階數(shù)，T為單位平移時(shí)間，Wn為1×M維數(shù)組，預(yù)先存儲(chǔ)于發(fā)射端疊加系數(shù)存儲(chǔ)器(1)中；步驟三、發(fā)射端切普信號(hào)產(chǎn)生器(2)根據(jù)發(fā)射端脈沖波形產(chǎn)生器(3)生成的基本脈沖波形gn(t)對(duì)信息源(4)輸出的信息b(t)進(jìn)行調(diào)制；步驟四、根據(jù)發(fā)射端跳時(shí)序列產(chǎn)生器(6)產(chǎn)生的跳時(shí)序列，發(fā)射波形成形器(7)中的基本脈沖gn(t)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)移，得到發(fā)射信號(hào)sn(t)，由發(fā)射端天線發(fā)射，不同用戶的跳時(shí)序列不同；接收過程步驟五、接收端天線將接收到的信號(hào)sn(t)濾波后分為兩路處理，其中一路信號(hào)sn(t)做pn階分?jǐn)?shù)傅立葉換，對(duì)變換結(jié)果在峰值位置附近濾波，濾波后的信號(hào)做-pn階分?jǐn)?shù)傅立葉變換回到時(shí)域；步驟六、對(duì)另一路信號(hào)sn(t)做2-pn階分?jǐn)?shù)傅立葉變換，對(duì)變換結(jié)果在峰值位置附近進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)做pn-2階分?jǐn)?shù)傅立葉變換回到時(shí)域；步驟七、將兩路變換回時(shí)域的信號(hào)相加，得到分?jǐn)?shù)域?yàn)V波后對(duì)原信號(hào)的時(shí)域重構(gòu)；步驟八、接收端跳時(shí)序列產(chǎn)生器(15)產(chǎn)生與發(fā)送端同步的跳時(shí)序列，接收端脈沖波形產(chǎn)生器(18)得到與發(fā)端相同形狀的切普疊加脈沖波形gn(t)后，模板信號(hào)產(chǎn)生器(19)根據(jù)本地跳時(shí)序列跳時(shí)，產(chǎn)生積分模板信號(hào)；步驟九、模板信號(hào)與步驟七中得到的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行積分相關(guān)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果及調(diào)制方式由判決器(20)進(jìn)行判決，由信息輸出器(21)輸出解調(diào)的數(shù)據(jù)。
全文摘要
基于多域協(xié)同多址技術(shù)的脈沖超寬帶通信方法，它是一種基于多域協(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)誤碼率較高的問題。首先計(jì)算線性疊加系數(shù)并存儲(chǔ)于發(fā)射端疊加系數(shù)存儲(chǔ)器中；生成的切普波形經(jīng)過平移加權(quán)疊加得到基本脈沖波形g_n(t)對(duì)信息b(t)進(jìn)行調(diào)制；基本脈沖波形根據(jù)跳時(shí)序列跳時(shí)得到發(fā)射信號(hào)s_n(t)；在接收端s_n(t)分為兩路，分別做p_n階和2-p_n階分?jǐn)?shù)傅立葉換，分?jǐn)?shù)傅立葉變換域?yàn)V波后分別做-p_n階和p_n-2階分?jǐn)?shù)傅立葉反變換；兩路信號(hào)相加得到時(shí)域重構(gòu)；根據(jù)與發(fā)端相同形狀的脈沖波形和跳時(shí)序列，模板信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生積分模板信號(hào)并與重構(gòu)后的信號(hào)相關(guān)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果及調(diào)制方式進(jìn)行判決，信息輸出器輸出。
文檔編號(hào)H04B1/69GK101267224SQ200810064410
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者吳宣利, 吳少川, 寧曉燕, 張中兆, 迪 林, 沙學(xué)軍, 遲永鋼, 昕 邱, 高玉龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)