面向低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)應(yīng)用的超寬關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展和人們對(duì)于信息量需求的迅猛增長(zhǎng)，短距離無(wú)線(xiàn)個(gè)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(cè)、定位、成像等低速率感知業(yè)務(wù)也越來(lái)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(hào)本身來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的感知。IEEE802.15.4a工作組要求低速無(wú)線(xiàn)個(gè)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(shí)要具備一定精度的測(cè)距、定位能力。作為短距無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注和研究。由于其采用持續(xù)時(shí)間極短的脈沖作為信息載體，理論上具備厘米級(jí)甚至更高的測(cè)距和定位精度，可以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度下的多功能一體化感知節(jié)點(diǎn)

3、，因此被IEEE802.15.4a工作組選為L(zhǎng)R-WPAN物理層的首選方案。
　　考慮到脈沖超寬帶的時(shí)域特性，無(wú)論是數(shù)據(jù)傳輸之前的同步捕獲，逐是節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)估計(jì)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(wú)線(xiàn)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(jì)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(jìn)行脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間估計(jì)具有很高的研究和實(shí)用價(jià)值。而在實(shí)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(duì)硬件平臺(tái)提出了較高的成本和計(jì)算量要求。為了滿(mǎn)足IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)感知節(jié)點(diǎn)成本和功耗的限制條件，如何在性能要求和付出的代價(jià)方面達(dá)到良好的折中是需要解決的實(shí)際問(wèn)題。
　　論文以短距離低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)為背景研究超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)在測(cè)距、通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，具體工作圍繞LR-WPAN對(duì)于物理層的技術(shù)要求和超寬帶的信號(hào)、信

5、道特性展開(kāi)，以能量檢測(cè)(Energy Detection，ED)機(jī)制為主要手段，針對(duì)低速模擬電路和高速數(shù)字電路硬件平臺(tái)的區(qū)別，提出了相應(yīng)的TOA估計(jì)方法，并進(jìn)行了性能分析和比較。為了增強(qiáng)研究的實(shí)用性，本文開(kāi)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(duì)超寬帶系統(tǒng)的邐信、測(cè)距性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，為L(zhǎng)R-WPAN實(shí)際節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)積累了可靠的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，得到了一系列有價(jià)值的結(jié)論。論文的主要研究?jī)?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(hào)的基本概念、實(shí)現(xiàn)方式及其優(yōu)勢(shì)和特性?？偨Y(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(diǎn)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(jì)特性，以低采樣速率的模擬電路為硬件平臺(tái)，以DP分量作為估計(jì)目標(biāo)提出了兩種基于能量檢測(cè)的TOA估計(jì)算法，并給出了性能的閉合表達(dá)式。在保持低采樣率要求的條件下，在性能方面比常

7、見(jiàn)能量檢測(cè)TOA方法有較大的提高。
　　(3)以高速數(shù)字電路為硬件平臺(tái)，首先分析了基于匹配濾波技術(shù)的TOA估計(jì)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(cè)TOA估計(jì)方法(GML-ED)，并進(jìn)行了參數(shù)分析和性能比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Nyquist量級(jí)的采樣速率下，GML-ED具有較好的估計(jì)結(jié)果。
　　(4)搭建了全數(shù)字超寬帶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)的數(shù)

8、字化產(chǎn)生、調(diào)制和檢測(cè)。為了降低收發(fā)電路的設(shè)計(jì)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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣量化后送入FPGA進(jìn)行數(shù)字化處理。以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，配合GML-ED到達(dá)時(shí)間估計(jì)算法進(jìn)行了超寬帶通信、測(cè)距性能測(cè)試，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真數(shù)值進(jìn)行了分析和比較。驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，并表明