CN101179289A - 一种混合ovsf-th-uwb通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种混合OVSF－TH－UWB通信方法，发射机工作流程有：生成待发送的比特；每比特信息用N_s个脉冲进行重复编码，将这些重复的脉冲变换为双极性的脉冲信号；用OVSF码对这些脉冲进行反极性调制；用TH码进行跳时调制，最后发送出去；接收机流程是：得到发射机接收信号；将接收到的信号与相关掩模进行相关运算，得出输出信号；对输出信号进行软判决。它利用OVSF码各个码之间完全正交而且速率可以灵活调整的特性，使系统中的多用户干扰大大降低并给系统提供极大的灵活性。

Description

一种混合OVSF-TH-UWB通信方法

技术领域

本发明是一种基于OVSF码(Orthogonal Variable Spread Factor code)的混合OVSF-TH-UWB通信方法，具体是一种基于OVSF码以及TH码的UWB多址接入方法。

背景技术

超宽带(UWB)技术是一种新兴的无线电技术。它直接发射脉冲而不需要载波，因此收发机结构和硬件电路非常简单，另外它的功耗低，数据传输速率极高，多径分辨能力强，拥有厘米级精度的定位能力。这些特点使得它适合无线个域网(WPAN)，无线家庭网(WHN)，无线局域网(WLAN)，以及无线USB等应用。同时它也适合作为第4代移动通信的物理层接入技术。

UWB信道多址接入方式有很多，其中直接序列扩频UWB(DS-UWB)是一种简单、高效的多址方法，最常见的是2PPM-TH(跳时脉位调制)接入方式。但是这些单一的信道多址接入方式都存在自身的缺点，其中2PPM-TH由于单极性的脉冲极容易造成谱线的出现，而DS-UWB系统的调制由于每个脉冲是相邻的，所以很容易造成符号间干扰(ISI)以及码间干扰(ICI)。另外，由于DS-UWB的每个脉冲都在帧的同一个地方出现，因此，如果一个帧的脉冲发生冲突，那么接下来的脉冲也都会发生冲突，也就是说DS-UWB的错误比特将会成群出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对诸如2PPM-TH和DS-UWB的常见UWB多址接入系统存在的缺陷，提出一种混合OVSF-TH-UWB通信方法，它为多址接入方式，利用OVSF码各个码之间完全正交而且速率可以灵活调整的特性，使系统中的多用户干扰大大降低并给系统提供极大的灵活性。

本发明的技术方案是，所述混合OVSF-TH-UWB通信方法为：

A.发射机工作流程：

a.发射机生成待发送的比特；

b.每比特信息用N_s个脉冲进行重复编码并变换为双极性的脉冲信号；所述N_s与OVSF码的扩频因子相等，即N_s＝SF(SF即OVSF码的扩频因子：Spread Factor)；

c.用OVSF码对这些脉冲进行反极性调制，即将OVSF码与一个比特所代表的脉冲进行内积运算；

d.用TH码对这些脉冲进行调制：每个T_f划分为N_c个码片时间T_c；对于一个比特的第i个脉冲，如果与之相对应的TH码是c_i，那么这个脉冲就在这个帧的c_i个chip内出现；

e.信号发送；

发射机发送的第n个用户信号模型表示为：

式中：

s⁽ⁿ⁾(t)发射机n发送的信号模型；

T_f一个帧持续的时间；

T_c一个码片的持续时间；

E_TX ⁿ是第n个用户发送的一个脉冲的能量；

p₀(t)为能量归一化脉冲波形；

d_j ⁿ是第n个用户的第j个OVSF码字，周期为N_s，可能的取值为

$d_j^n=\±1;$

c_j ⁿ是第n个用户的第j个TH码字，周期也是N_s，且 $c_j^n\∈[0,N_c-1];$

a_j/Ns ⁿ是第n个用户的第j个脉冲代表的信息，其中为向下取整，如果在某个帧内要传输的信息为b＝1，则

如果要传递的信息为b＝0，则

B.接收机工作流程：

a.得到发射机送来的脉冲信号；

b.信号经过相关器与相关掩模进行相关运算，得出输出信号；

c.对输出信号进行软判决。

本发明中，所述所述变为双极性的脉冲信号的一种具体做法是：如果原脉冲是+1，则变换后的脉冲仍是+1，如果原来脉冲是0，则变换后的脉冲是-1；

本发明中，所述内积运算是，假设OVSF码为d＝{+1，-1，+1，-1}，而且原始比特是0，那么产生的重复脉冲变为双极性脉冲后变为a＝{-1，-1，-1，-1}，因此内积的输出为：g₁＝(d·a)＝{-1，+1，-1，+1}；如果原始的比特是1，那么产生的重复脉冲变为双极性信号后变为a＝{+1，+1，+1，+1}，此时内积的输出为g₂＝(d·a)＝{+1，-1，+1，-1}；由此可见，g₁和g₂的极性刚好相反。

应用本发明方法，在单用户的情况下，系统的误码率为：

${\mathrm{Pr}}_b=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{\mathrm{SF}\·E_{\mathrm{RX}}^1}{N_0}}\right)=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{\frac{64R_0}{R_b}\·E_{\mathrm{RX}}^1}{N_0}}\right)$

其中各符号的含义如下：

SF为扩频因子；E_RX ¹为接收机收到的来自发射机1的信号能量；N₀为高斯白噪声的功率谱密度；R₀为基本的速率单位；R_b为链路的信息速率；f(x)＝erfc(x)为补误差函数；

应用本发明方法，在多用户的情况下，系统的误码率为：

${\mathrm{Pr}}_b=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{{({\left(\frac{2\frac{64R_0}{R_b}\·E_{\mathrm{RX}}^1}{N_0}\right)}^{-1}+{\left(\frac{E_{\mathrm{RX}}^1}{{\mathrm{\σ}}_M^2\·R_b\underset{n=2}{\overset{\mathrm{Nu}}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{RX}}^n}\right)}^{-1})}^{-1}}{2}}\right)$

其中，Nu为活跃的发射机的个数；E_RX ⁿ为接收机收到的发射机n的信号能量；σ_M ²的表示式如下：

${\mathrm{\σ}}_M^2={\∫}_0^{T_f}{({\∫}_0^{T_c}{d}_j^1{d}_i^n{p}_0(t-{\mathrm{\τ}}^n)\·p_0\left(t\right)\mathrm{dt})}^2\mathrm{d\τ}={\∫}_0^{T_f}{R}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

其中R(τ)是脉冲波形p₀(t)的自相关函数。

本发明可有效降低错误比特成群出现的概率。并且，由于未来通信的多样性，可变速率将是一个基本的需求。OVSF码是在第三代移动通信系统WCDMA以及TD-SCDMA中都广泛应用的一种扩频码。它最显著的特点是：各个码之间完全正交而且速率可以灵活调整。这样就可以大大降低系统中的多用户干扰并且给系统提供了极大的灵活性。采用OVSF的目的是为了适合不同用户的速率要求的各种业务以及调节链路的信噪比。当某条链路拥有较好的信噪比时，可以用较少的脉冲来代表一个比特的信息，也就是采用扩频因子小的OVSF码。当链路的质量较差的时候，就可以适当增加一个比特的脉冲数目以增加比特信噪比，这时就相应采用扩频因子较大的OVSF码。因此，通过将这两种码的优点结合在一起，形成了基于OVSF码的混合OVSF-TH-UWB通信方法，在此基础上建立起相应的通信系统。另外，TH的引入使得成群的突发错误得到抑制，它将突发错误有效地随机分散到整个时间内。因为错误分散了，所以通过一定的信道编码方式可以更容易地纠正错误。

由以上可知，本发明为一种混合OVSF-TH-UWB通信方法，它为多址接入方式，利用OVSF码各个码之间完全正交而且速率可以灵活调整的特性，使系统中的多用户干扰大大降低并给系统提供极大的灵活性。

附图说明

图1发射机工作流程图；

图2接收机工作流程图；

图3发射机产生原始比特(5bits)；

图4经过重复编码后的信号(N_s＝4)；

图5变为双极性信号的脉冲；

图6经过OVSF调制后的信号；

图7经过TH调制后的信号；

图8经过AWGN信道后接收机收到的信号，ebno＝5dB。

具体实施方式

参见图1，该图为发射机的工作流程图，具体的步骤如下：

1)发射机生成待发送的比特；

2)每比特信息用N_s个脉冲进行重复编码并并变换为双极性的脉冲信号；

3)用OVSF码对这些脉冲进行反极性调制；

4)用TH码对这些脉冲进行调制；

5)信号发送；

参见图2，该图是接收机的工作流程图，具体步骤是：

1)得到发射机送来的脉冲信号；

2)信号在相关器进行相关运算，得出输出信号，相关掩模是：

$m\left(t\right)=\underset{j=i{N}_s}{\overset{(i+1)N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j^1{p}_0(t-j\·T_f-c_j^1\·T_c),i\∈(-\∞,+\∞);$

3)对输出信号进行判决(判决该信息比特是0还是1)，采用软判决。

图3是发射机产生原始的比特。由图中可以看到，原始比特分别是(1，1，0，1).

图4是将每个比特经过重复编码后形成的信号，在这里N_s＝4，因此每个比特都用4个脉冲来表示。接收机只有接收完这四个脉冲后，才能得到一个完整的比特信息。由图中可以看到，原始比特经过重复编码后变成：1111，1111，0000，1111。

图5是变为双极性的脉冲信号。由图5可以知道，若原来的脉冲是1，则经过这一步后变为+1；如果原来的脉冲是0，则经过这一步变为-1。因此上面的脉冲变为：+1+1+1+1，+1+1+1+1，-1-1-1-1，+1+1+1+1。

图6是经过OVSF调制后的信号。OVSF调制的具体过程是：发射机有一个本地的OVSF码，OVSF的长度SF＝N_s，因此，一个比特的所有脉冲与OVSF码进行内积运算。比如OVSF码为d＝{+1，-1，+1，-1}，而且原始比特是0，那么产生的重复脉冲变为双极性脉冲后变为a＝{-1，-1，-1，-1}，因此内积后的结果为：g₁＝(d·a)＝{-1，+1，-1，+1}。如果原始的比特是1，那么产生的重复脉冲变为双极性信号后变为a＝{+1，+1，+1，+1}，此时内积的输出为g₂＝(d·a)＝{+1，-1，+1，-1}。由此可见，g₁和g₂的极性刚好相反。因此，图5中的双极性脉冲经过OVSF编码后变成+1-1+1-1，+1-1+1-1，-1+1-1+1，+1-1+1-1。

图7是经过TH调制后的信号。TH调制的具体过程是：另外每个T_f划分为N_c个码片时间T_c。对与一个比特的第i个脉冲，如果与之相对应的TH码是c_i，那么这个脉冲就在这个帧的c_i个chip内出现。由图7中可以看到，这个TH码是：c＝{1，0，2，1}。另外为了便于分析假设每个脉冲的持续时间为T_m＝T_c。

图8经过AWGN信道后接收机收到的信号。这些信号，是发射机发送的信号经过路径衰减和AWGN噪音污染以后的信号。

Claims (3)

1.本专利是一种混合OVSF-TH-UWB通信系统，它包括：

A.发射机工作流程：

a.发射机生成待发送的比特；

b.每比特信息用N_s个脉冲进行重复编码并变换为双极性的脉冲信号；所述N_s与OVSF码(Orthogonal Variable Spread Factor code)的扩频因子相等，即N_s＝SF；SF即OVSF码的扩频因子(Spread Factor)；

c.用OVSF码对这些脉冲进行反极性调制，即将OVSF码与一个比特所代表的脉冲进行内积运算；

d.用TH码对这些脉冲进行调制：每个T_f划分为N_c个码片时间T_c；对于一个比特的第i个脉冲，如果与之相对应的TH码是c_i，那么这个脉冲就在这个帧的c_i个chip内出现；

e.信号发送；

发射机发送的第n个用户信号模型表示为：

式中：

s⁽ⁿ⁾(t)发射机n发送的信号模型；

T_f一个帧持续的时间；

T_c一个码片的持续时间；

E_TX ⁿ是第n个用户发送的一个脉冲的能量；

p₀(t)为能量归一化脉冲波形；

d_j ⁿ是第n个用户的第j个OVSF码字，周期为N_s，可能的取值为

$d_j^n=\±1;$

c_j ⁿ是第n个用户的第j个TH码字，周期也是N_s，且 $c_j^n\∈[0,N_c-1];$

a_j/Ns ⁿ是第n个用户的第j个脉冲代表的信息，其中为向下取整，如果在某个帧内要传输的信息为b＝1，则

如果要传递的信息为b＝0，则

B.接收机工作流程：

a.得到发射机送来的脉冲信号；

b.信号经过相关器与相关掩模进行相关运算，得出输出信号；相关掩模是：

$m\left(t\right)=\underset{j=i{N}_s}{\overset{(i+1)N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j^1{p}_0(t-j\·T_f-c_j^1\·T_c),i\∈(-\∞,+\∞)$

输出信号： $Z=\mathrm{Zu}+\mathrm{Zmui}+\mathrm{Zn}={\∫}_0^{T_b}[r_u\left(t\right)+r_{\mathrm{mui}}\left(t\right)+n\left(t\right)]\·m\left(t\right)\mathrm{dt}$ (在单用户的情况下，r_mui(t)为0)

式中各符号的含义：

r_u(t)是输入信号中的有用信号部分；r_mui(t)是输入信号中的多用户干扰部分；n(t)是输入信号中的高斯白噪声部分。Zu，Zmui，Zn分别是经过相关器后输出的有用信号部分，多用户干扰部分，高斯噪声部分；

T_b一个比特持续的时间；

T_f一个帧持续的时间；

T_c一个码片的持续时间；

p₀(t)为能量归一化脉冲波形；

d_j ⁿ是第n个用户的第j个OVSF码字，周期为N_s，可能的取值为

$d_j^n=\±1;$

c_j ⁿ是第n个用户的第j个TH码字，周期也是N_s，且 $c_j^n\∈[0,N_c-1];$

a_j/Ns ⁿ是第n个用户的第j个脉冲代表的信息，其中为向下取整，如果在某个帧内要传输的信息为b＝1，则

如果要传递的信息为b＝0，则

c.对输出信号进行判决(判决该信息比特是0还是1)，采用软判决。

2.根据权利要求1所述混合OVSF-TH-UWB通信方法，其特征是，所述变为双极性的脉冲信号的变换为，如果原脉冲是+1，则变换后的脉冲仍是+1，如果原来脉冲是0，则变换后的脉冲是-1。

3.根据权利要求1所述混合OVSF-TH-UWB通信方法，其特征是，所述内积运算是，假设OVSF码为d＝{+1，-1，+1，-1}，而且原始比特是0，那么产生的重复脉冲变为双极性脉冲后变为a＝{-1，-1，-1，-1}，因此内积的输出为：g₁＝(d·a)＝{-1，+1，-1，+1}；如果原始的比特是1，那么产生的重复脉冲变为双极性信号后变为a＝{+1，+1，+1，+1}，此时内积的输出为g₂＝(d·a)＝{+1，-1，+1，-1}。

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