NLOS环境下低复杂度的UWB-SRAKE接收机性能分析

第31卷第4期电子与信息学报Vol.31No.42009年4月JournalofElectronics&InformationTechnologyApr.2009NLOS环境下低复杂度的UWB-SRAKE接收机性能分析肖竹①向新①②于全①③易克初①①(西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室西安710071)②(空军工程大学工程学院西安710038)③(中国电子设备系统工程公司研究所北京100039)摘要：该文提出一种适用于NLOS环境UWB多径信道下低复杂度的选择性RAKE接收机(RC-SRAKE)，通过本地参考波形与接收信号的卷积抽样来确定SRAKE的Finger参数，不需要已知信道信息或信道估计过程，降低了复杂度。给出了RC-SRAKE误码率的表达式，分析了Finger数目和信道噪声对RC-SRAKE性能的影响。通过对IEEE.802.15.4a中NLOS信道的仿真实验表明，与能获得准确信道信息的理想SRAKE相比，在Finger数目较少的情况下RC-SRAKE能达到与之相近的性能。关键词：超宽带通信；SRAKE；NLOS信道；性能分析中图分类号：TN914文献标识码：A文章编号：1009-5896(2009)04-0874-04PerformanceAnalysisonReduced-ComplexityUWBSRAKEReceiverunderNLOSEnvironmentXiaoZhu①XiangXin①②YuQuan①③YiKe-chu①①(StateKeyLaboratoryofIntegratedServiceNetworks,XidianUniversity,Xi’an710071,China)②(AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710083,China)③(InstituteofChinaElectronicsSystemEngineeringCorporation,Beijing100039,China)Abstract:Inthispaper,aReduced-ComplexitySelectiveRAKE(RC-SRAKE)receiverschemeisproposed,whichcanbeadoptedinultra-widebandmultipathchannelunderNLOSenvironment.Itemploysaconvolutionbasedfingerselectionalgorithm,whichhaslowcomplexitybecauseitdoesnotrequireprecisechannelinformationorchannelestimation.Aclosed-formexpressionforsymbolerrorprobabilityoftheproposedRC-SRAKEisderivedintermofthecombinedfingersandimpulsenoise.ThederivedexpressionsareevaluatednumericallywithIEEE802.15.4aNLOSchannelmodels.ItisdemonstratedthatRC-SRAKEcanachievetheapproximateperformanceastoidealSRAKEwithafewerfingers.Keywords:UWBcommunication;SRAKE;NLOSchannel;Performanceanalysis1引言超宽带(Ultra-WideBand,UWB)通信技术由于其特有的性质在近年来得到了广泛的研究，随着FCC对超宽带信号的重新定义，并发布了UWB功率辐射标准，使得UWB信号可以包括任何使用超宽带频谱的通信方式[1]。冲激无线电超宽带(Impulse-RadioUWB)采用功率谱密度极低和脉冲宽度极窄的基带脉冲来传递信息，能获得极大的信号带宽，具有功耗小、时间分辨率高以及良好的抗衰落特性[2]。对于UWB通信系统中的多径传播特性，IEEE.802.15.3a成立一个任务小组并发布了信道模型报告[3]，不久，IEEE.802.15.4a针对高精度定位应用给出了低速率短距离的信道模型[4]。2008-04-07收到，2008-09-23改回国家自然科学基金(60572148,60702060)和高等学校学科创新引智计划(B08038)资助课题IR-UWB系统中，传输带宽可以达到7.5GHz，利用其良好的多径分辨率能获得较大的分集增益[5]。为有效地进行判决检测，RAKE接收机常用来收集多径信号能量以及对抗多径衰落[68]−。通常，利用AL个Finger，合并所有可分的多径分量称之为ARAKE(All-RAKE)，选择SL个最强的多径分量合并称之为SRAKE(SelectiveRAKE)，最简单的RAKE接收机是PRAKE(PartialRAKE)，合并接收信号中最先到达的PL个多径分量。其中，ARAKE能获得最优的接收性能，但是需要完整信道信息，而合并所有多径分量其复杂度也是最高的，在实际应用中难以承受；SRAKE的复杂度较之ARAKE要低，能获得系统性能和复杂度的折衷，但Finger参数的选择需要已知信道信息；PRAKE完全不依赖信道信息，在LOS环境下能获得较好的性能。但对于NLOS环境，因为最先到达的路径往往不是最强的[7,8]，故而性能的改善需要大量Finger，因而又导致接收机复杂程度的增加。第4期肖竹等：NLOS环境下低复杂度的UWB-SRAKE接收机性能分析875相比而言，SRAKE能获得次最优的性能，但需要已知信道信息，这在某些实际应用场合不易获得[7]。本文提出一种降低复杂度的RC-SRAKE(ReducedComplexity-SRAKE)接收机，利用接收端参考波形和接收信号的卷积，并以多径间隔对卷积输出抽样来选取Finger参数(幅度和时延)，参考波形又能根据Finger参数来确定RAKE相关接收时的匹配模板信号，因此不需要已知信道信息，也避免了复杂的信道估计过程[9]。文中推导了RC-SRAKE误码率性能的表达式，分析了信道噪声和Finger数目对RC-SRAKE性能的影响。实验中选用IEEE.802.15.4a中的NLOS信道CM2和CM4进行仿真，与能获得准确信道信息的理想SRAKE相比，RC-SRAKE在Finger数目较小的情况下也能达到与之非常接近的性能。2UWB信号多径特性在IR-UWB系统中，符号周期为sT的信息码元通常包含fN帧，设帧长为fT。为简单起见，文中仅考虑单用户情形，经脉冲幅度调制(PAM)的发射信号可以表示为[10]()()()0bskstEbkptkT+∞==−∑(1)这里bE表示每个符号的能量，发送第k个信息()bk∈{}1,1+−，满足归一化条件()2[]1Ebk=，()pt表示传输符号波形：()()()10fNfcnptgtnTcnT−==−−∑(2)其中包含单位能量脉冲()gt，脉冲宽度满足pfTT。()cn表示跳时码(THCode)，cT为跳时码调制时移，符号速率sR满足：1/1/()ssffRTNT==。多径信道通过抽头延迟模型建模，设总的抽头数目为L，则信道冲激响应为()()10Llllhttαδτ−==−∑(3)这里0{}Lllα=，0{}Lllτ=表示幅度和时延，满足00,lττ=1lτ+。发射信号通过信道()ht，接收信号()rt可表示如下：()()()()()()()100LblsllkrtsthtntEbkptkTntατ−+∞===⊗+=−−+∑∑(4)()nt为带通零均值加性高斯白噪声，双边功率谱密度为0/2N。RAKE接收机能具有较高的分集增益，其中SRAKE能获得次最优的性能，图1中给出理想的I-SRAKE(IdealSRAKE)接收机的简单示意图[8]，其中信道参数{,}llατ由信道信息得到。根据信道参数{,}llατ，接收端参考波形()vt通过时延模块得到I-SRAKE的模板信号()wt，然后与()rt经由SRAKE合并器相关输出SRAKEY。3RC-SRAKE结构及性能分析3.1RC-SRAKE结构本节提出了一种低复杂度的RC-SRAKE接收机结构，图1I-SRAKE接收机示意图利用接收端参考波形()vt来估计选取的Finger参数，并根据这些参数确定RC-SRAKE做相关运算时的模板信号，因此不需要信道估计过程，SRAKE接收机复杂度大为降低。Finger参数选择通过卷积操作来确定，实现较为简单。图2是本文RC-SRAKE的结构示意图，其中MPCt↓表示以多径间隔MPCt进行下采样操作。RC-SRAKE接收过程可分为以下步骤：图2RC-SRAKE接收机示意图(1)参考式(1)-式(4)得到接收()rt，分为上下两路进行处理；(2)将参考波形()()10:fNfivtgtiT−==−∑与上一路的接收信号()rt进行卷积操作；(3)对步骤(2)中的卷积输出以多径间隔MPCt进行下采样，并选择Finger参数{,}ssllατ；(4)将()vt和{,}ssllατ作为时延模块的输入，得到RC-SRAKE接收机的模板信号：()temp:bwtE=()10SlLsslllgtατ=−=⋅−∑；(5)将下一路的()rt和()tempwt输入至RC-SRAKE合并器，定义输出为SRAKEY。RC-SRAKE合并器中进行()rt和()tempwt的相关运算并合并输出[8]，设RC-SRAKE从所有AL条可分多径中选择SL条多径来搜集能量，即Finger数目为SL，则RC-SRAKE输出可以表示为()()()()SRAKEtemp10ddSLssblllYrtwttErtgttατ+∞−∞+∞−=−∞==−∫∑∫(5)3.2RC-SRAKE性能分析与图1中I-SRAKE相比，RC-SRAKE利用参考波形来获得信道信息，接收端不需要已知信道信息。本小节对3.1节中步骤加以说明，通过理论推导来分析RC-SRAKE的误码性能，并与I-SRAKE进行比较。根据接收端参考波形876电子与信息学报第31卷()vt，()Cxt表示步骤(2)中的卷积输出：()()()()()()100=CLblslvlkxtrtvtEbkRtkTntατ−+∞===⊗−−+∑∑(6)其中()()():dRgtgttττ=−∫，表示脉冲波形的自相关函数，且()0Rτ=当orppTTττ≤−≥，式中()vnt表示受噪声干扰项：()()()dvntntvtt=∫。根据步骤(3)中的采样操作，令{}jX表示对()Cxt按照MPCt为间隔的采样输出。假定不存在帧间干扰，即满足：maxMPC,fppTTtTτ+≥，这里maxτ表示信道最大时延扩展。则{}jX可以写成：{}(){}MPCMPC1,/JjCfjXxjtJTt=⎢⎥==⎢⎥⎣⎦(7)从采样输出序列MPC0{,}JjjXjt=中依照幅度值大小选择SL个Finger，其参数为10{,}ssslLlllατ=−=。观察上文中式(6)，式(7)，()vnt的影响使得Finger参数10{,}ssslLlllατ=−=存在误差，令{,}llατ为准确的信道参数，则幅度和时延的误差分别为：,ssllllllααατττ∨∨=−=−，则步骤(4)中的模板信号()tempwt可写为如下形式：()()()()1temp01temp0SSlLssbllllLblllwtEgtEgtetατατ=−==−==−=−+∑∑(8)显然，上式中()tempwt并不是一个“干净”的模板[10]，设因噪声引起的误差项为()tempbetE=()10SlLlllgtατ∨∨=−=⋅−∑。为方便推导，这里假定时延能准确得到，即0lτ∨=。设0τ为首径到达时间，则步骤(5)中RC-SRAKE合并器中对应第k个接收符号()krt的相关输出为()()()()()()()()()()()()()()()00