面向低速無線個域網(wǎng)應(yīng)用的超寬關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展和人們對于信息量需求的迅猛增長，短距離無線個域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)除了為視頻、圖像等業(yè)務(wù)提供高速數(shù)據(jù)傳輸能力外，探測、定位、成像等低速率感知業(yè)務(wù)也越來越受到重視。而感知信息的獲取方式也從以往的接觸式、單純的各種物理量數(shù)據(jù)采集發(fā)展到現(xiàn)在非接觸式、利用電磁信號本身來實現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知。IEEE802.15.4a工作組要求低速無線個域網(wǎng)(Low Rate WPAN

2、，LR-WPAN)的物理層技術(shù)在成本、復(fù)雜度受限的條件下不但具有短距離數(shù)據(jù)通信能力，同時要具備一定精度的測距、定位能力。作為短距無線通信的備選方案，脈沖超寬帶(Impulse Radio Ultra Wideband，IR-UWB)技術(shù)具有低功耗、容量大、與其它設(shè)備可以共存等眾多優(yōu)點，近年來得到了廣泛的關(guān)注和研究。由于其采用持續(xù)時間極短的脈沖作為信息載體，理論上具備厘米級甚至更高的測距和定位精度，可以實現(xiàn)低復(fù)雜度下的多功能一體化感知節(jié)點

3、，因此被IEEE802.15.4a工作組選為LR-WPAN物理層的首選方案。
　　考慮到脈沖超寬帶的時域特性，無論是數(shù)據(jù)傳輸之前的同步捕獲，逐是節(jié)點之間的距離測量，對脈沖信號進行到達時間(Time of Arrival，TOA)估計都是最常用和有效的方法。但由于室內(nèi)超寬帶信道環(huán)境比基于連續(xù)波的傳統(tǒng)窄帶或?qū)拵o線信道復(fù)雜得多，體現(xiàn)在信道的沖激響應(yīng)包含有大量的多徑分量，傳統(tǒng)的TOA估計算法在此背景下都基本失效。因此如何在密集多徑環(huán)境下

4、進行脈沖信號的到達時間估計具有很高的研究和實用價值。而在實現(xiàn)角度，在超寬帶系統(tǒng)研究初期提出的相干接收方式對硬件平臺提出了較高的成本和計算量要求。為了滿足IEEE802.15.4a標準中對感知節(jié)點成本和功耗的限制條件，如何在性能要求和付出的代價方面達到良好的折中是需要解決的實際問題。
　　論文以短距離低速無線個域網(wǎng)為背景研究超寬帶無線技術(shù)在測距、通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用與實現(xiàn)，具體工作圍繞LR-WPAN對于物理層的技術(shù)要求和超寬帶的信號、信

5、道特性展開，以能量檢測(Energy Detection，ED)機制為主要手段，針對低速模擬電路和高速數(shù)字電路硬件平臺的區(qū)別，提出了相應(yīng)的TOA估計方法，并進行了性能分析和比較。為了增強研究的實用性，本文開發(fā)了全數(shù)字化超寬帶收發(fā)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上使用前文提出的TOA算法對超寬帶系統(tǒng)的邐信、測距性能進行了實測驗證，為LR-WPAN實際節(jié)點的開發(fā)積累了可靠的開發(fā)經(jīng)驗，得到了一系列有價值的結(jié)論。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)作為論

6、文研究的基礎(chǔ)，本文首先介紹了超寬帶信號的基本概念、實現(xiàn)方式及其優(yōu)勢和特性。總結(jié)歸納了超寬帶信道模型和傳統(tǒng)窄帶模型的區(qū)別，并重點介紹了IEEE802.15.4a提出的信道模型作為研究的環(huán)境背景。
　　(2)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境下IEEE802.15.4a工作組給出的信道統(tǒng)計特性，以低采樣速率的模擬電路為硬件平臺，以DP分量作為估計目標提出了兩種基于能量檢測的TOA估計算法，并給出了性能的閉合表達式。在保持低采樣率要求的條件下，在性能方面比常

7、見能量檢測TOA方法有較大的提高。
　　(3)以高速數(shù)字電路為硬件平臺，首先分析了基于匹配濾波技術(shù)的TOA估計性能，隨后提出了一種基于廣義極大似然(Generalized Maximum Likelihood，GML)的能量檢測TOA估計方法(GML-ED)，并進行了參數(shù)分析和性能比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Nyquist量級的采樣速率下，GML-ED具有較好的估計結(jié)果。
　　(4)搭建了全數(shù)字超寬帶實驗系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了脈沖信號的數(shù)

8、字化產(chǎn)生、調(diào)制和檢測。為了降低收發(fā)電路的設(shè)計復(fù)雜度，利用高速發(fā)射極耦合(Emitter Coupled Logic，ECL)邏輯器件作為脈沖產(chǎn)生裝置。茌接收端，利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter,ADC)對脈沖信號進行采樣量化后送入FPGA進行數(shù)字化處理。以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，配合GML-ED到達時間估計算法進行了超寬帶通信、測距性能測試，并將實測結(jié)果與理論仿真數(shù)值進行了分析和比較。驗證了理論分析結(jié)果，并表明