基于Logistic序列的UWB系统Rake接收机性能分析探讨

　摘 要:依据混沌序列码元丰富,抗干扰能力强,优良的相关特性和白噪声统计特性,采用改进型logistic映射迭代产生的混沌序列作为扩频序列,提出了多径信道下混沌uwb通信系统。针对该系统rake接收机的性能进行分析,重点仿真了不同信道、不同支路、不同扩频码情况下的rake接收机性能,由分析和仿真可知,系统性能得到了改善,抗干扰能力增强。关键词:混沌; 超宽带; cds-pam; rake接收机
　　　
　　performance analysis for rake reciever of uwb radio system based on logistic sequences
　　jiang chun-yan1,2, gu li-min2
　　(1. jiangsu radio and tv university, nanjing 210017, china; 2. nanjing university of aeronautics and astronautics, nanjing 210016, china)
　　abstract: because chaotic sequence has rich code elements and good capability of anti-jamming, the properties of good correlation and white noise statistician, the chaotic sequences are created by iteration methods based on advanced logistic-map, and they are applied in the uwb system under multipath channel model, then the performance of the system uses rake receiver is analyzed. the performance of rake receiver under different channels and different spread-spectrum sequence is discussed. the results indicate that the chaotic sequence can improve the performance of uwb system, and the capability of anti-jamming is good.
　　keywords: chaos; uwb; cds-pam; rake receiver
　　
　　0 引 言
　　超宽带无线通信技术是利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据,它具有传输速率高、功耗低、安全性好、抗多径能力强以及成本低廉等优点,在室内短距离高速无线通信和精确定位等领域具有广阔的应用前景[1-2]。
　　超宽带通信主要工作在室内环境中,信号传播时受到许多干扰物体的影响,多径的存在会严重影响接收机的性能[3-8]。为了减小其影响,本文主要研究了混沌超宽带通信系统,用非线性映射的混沌序列来代替超宽带通信中的伪随机码,分析了多径信道模型下rake接收机的性能,使系统性能得到提高。混沌序列数目众多,并具有优良的相关特性和类似白噪声的统计特性[9-10],这使得混沌超宽带通信系统具有低截获率,能更有效地抵抗窄带干扰和多径干扰。
　　1 混沌序列及其相关特性
　　在混沌超宽带通信系统中,混沌序列性能的好坏直接影响着整个系统的性能。适合于实际通信系统的混沌序列应具有下列基本特性:
　　(1) 具有尖锐的自相关函数和接近于零的互相关函数;
　　(2) 具有高复杂性和足够长的码周期,能抗侦破和抗干扰;
　　(3) 易于产生、加工、复制和控制;
　　(4) 具有较多独立地址,能实现码分多址。
　　对于以上几点要求,这里采用改进型logistic映射数字化产生混沌序列,其表达式为:
　　
　　 yk+1=f(yk)=1-2(yk)2, yk∈(-1,+1)
　　(1)
　　
　　改进型logistic映射迭代产生的混沌序列均值为零,自相关是δ函数,互相关值为零,其统计特性与零均值白噪声一致。其相关特性和功率普密度仿真结果分别如图1和图2所示。
　　2 混沌超宽带通信系统
　　图3为多径信道下混沌超宽带通信系统框图。因ds-pam技术的抗干扰性能优于th-ppm技术,在发射机部分,混沌序列生成后,系统采用cds-pam调制。下面具体介绍cds-pam超宽带信号模型、ieee uwb多径信道模型和rake接收机,并对系统进行性能分析。
　　图1 混沌序列的相关特性图
　　图2 混沌序列的功率谱密度
　　图3 多径信道下混沌超宽带通信系统框图
　　2.1 改进的cds-pam超宽带信号模型
　　在混沌超宽带通信系统中,首先把logistic映射迭代产生的混沌序列作为直扩码,再利用混沌码对二进制序列进行编码来调制发射脉冲信号的幅度。其发射机产生的信号表达式为:
　　s(k)tx(t)=∑∞j=-∞e(k)txd(k)jp0(t-jts)(2)
　　式中:d(k)j为第k个用户的混沌调幅码,dj=ajcj,其元素值为±1,c(k)j是混沌跳时码,a(k)j是第k个用户的第j个脉冲传输的二进制数值(取值为1或者0);e(k)tx是每个脉冲携带的能量;p0(t)是基本脉冲经过能量归一化后的波形;ts是脉冲重复周期。

2.2 ieee多径信道模型
　　混沌超宽带室内信道模型采用ieee 802.15.3a提出的修正(s-v)多径信道模型。该模型中多径振幅衰落服从对数正态分布,多径分量的衰落相互独立,其信道冲激响应可以表示为:
　　h(t)=x∑nn=1∑k(n)k=1αnkδ(t-tn-τnk)(3)
　　式中:x为对数正态随机变量,代表信道的幅度增益;n为观测到的簇的数目;k(n)为第n簇内接收到的多径数目;αnk为第n簇中第k条路径的系数;tn为第n簇到达时间;τnk为第n簇中第k条路径的时延。
　　根据信道环境的特征分为4种典型的信道模型,分别记为:
　　cm1:0~4 m的有直达径信道(los);
　　cm2:0~4 m的无直达径信道(nlos);
　　cm3:4~10 m的无直达径信道(nlos);
　　cm4:严重多径信道环境。
　　2.3 rake接收
　　在混沌超宽带通信中,接收信号包含了大量的多径分量,因此可以通过多径分量能量的组合来提高接收机的信噪比,rake接收机能够完成这一功能的接收技术。它是使用一组相关器,对每个多径分量使用一个相关接收机,各相关接收机与被接收的信号的多径分量之一进行相关运算,然后将这些相关接收机的输出根据其相对强度进行加权,并把加权后的每路输出合并成一个输出信号。系统中的分集合并技术采用最大比合并(mrc)方式,即加权系数是基于每个相关器输出的功率或信噪比(snr)来确定的。
　　由于rake接收机要在其性能和复杂度之间做一个平衡,因此可以有不同的多径选择方案:
(1) 完全a-rake接收机,它组合所有的可分辨多径分量,其性能相对较好,但接收机的结构最复杂;
　　(2) p-rake接收机,它选择前面到达的数个多径分量,接收机不对多径做选择,其结构比较简单;
　　(3) s-rake接收机,它从接收的多径分量中选择几个最好的l个分量,经mrc技术进行合并,接收机要对多径分量做选择。
　　2.4 系统性能分析
　　对图3多径信道混沌超宽带通信系统进行分析,经过多径信道后的信号可表示为:
　　 
　　r(t)=s(t)*h(t)+n(t)=∑nmaxl=1sl(t)+n(t)
　　=∑nmaxl=1αls(t-τl)+n(t)(4)
　　式中:s(t)为系统发送的混沌超宽带调制信号;h(t)为多径信道冲激响应。设多径分量信道估计后,其向量为=(1,2,…,nmax),选出l个能量最强的多径分量为:
　　
　　(α1,α2,…,αl)=argmax[abs(1,2,…,nmax)](5)
　　再按顺序以(α1,α2,…,αl)为加权系数求和,实现最大信噪比合并。信道冲激响应能量最强的l个多径分量的能量和表示为gc=∑lk=1α2k。
　　接收端在t=nts时刻对l个相关器的输出进行抽样,对于任一个支路k,其相关器输出可表示为:
　　 
　　yk(nts)=∫ts0sk(t)*αkm(t)dt
　　=∫ts0[αks(t-τk)+n(t)]*αkm(t)dt(6)
　　式中:m(t)为调制方式下的模板信号。上述相关器的输出信噪比为:
　　rk=eb(1-ρ)n0α2(7)
　　式中:ρ为波形的相关函数。l个支路相关器的输出合并后,输出总信噪比为:
　　snrout=e(1-ρ)n0gc(8)
　　
　　其误比特率为:
　　pber(e/h)=12erfceb(1-ρ)2n0gc
　　(9)
　　
　　对于a-rake接收机,其误比特率为:
　　pber(e/h)=12erfceb(1-ρ)2n0total
　　(10)
　　
　　因在室内多径环境下gc为一个随机变量,对于s-rake接收机,其误比特率为:
　　pb=∫10p(gc)12erfceb(1-ρ)2n0gcdgc
　　(11)
　　2.5 性能仿真与比较
　　在仿真中,超宽带波形选用二阶高斯脉冲,脉冲形成因子τ=0.25 ns,脉冲宽度tm=0.5 ns,发射功率为-30 db,采样频率为fc=50e+9 hz,发送数据比特为100 000个,码片宽度tc=1e-9,帧宽度tf=50e-9,混沌序列采用改进型logistic映射,初始值chaos(1)=0.49。
　　理论分析中,在相同支路l的情况下,s-rake接收机比p-rake接收性能好,图4分析了不同支路时采用a-rake接收机和s-rake接收机的误码性能。仿真实验中采用cm1信道模型,混沌超宽带系统的调制方式为cds-pam调制。
　　由图4可知,a-rake接收机性能要比s-rake接收机的性能好,后者性能与收集的多径支路有关,径数越多,接收机的性能越好,并且随着多径支路的增加,性能增加的幅度减缓。
　　图5给出了同支路情况下,rake接收机在4种信道模型的性能比较。由图可知cm1和cm2信道性能相差不大,cm4信道状况最恶劣,在相同的信噪比的条件下,系统的性能最差。
　　图4 cm1信道下cds-pam-uwb
　　选择rake性能曲线
　　图5 不同信道对rake接收机的影响
　　图6给出混沌超宽带通信系统和采用伪随机码的超宽带通信系统性能比较。仿真结果说明采用混沌序列的超宽带系统性能优于传统的伪随机码,这与前面分析的结论一致。
　　图6 不同扩频码对系统的性能影响
　　3 结 论
　　基于改进型logistic映射迭代产生的混沌序列,提出混沌超宽带通信系统,研究了该系统在多径衰落信道中的rake接收机性能。通过理论分析和仿真比较了不同的多径选择策略下系统的误码率性能,可以看出a-rake接收机性能好于s-rake接收机,s-rake接收机径数越多,接收机的性能越好;同支路情况下cm1和cm2信道性能相差不大,cm4信道状况最恶劣;采用混沌序列的超宽带系统性能优于传统的伪随机码。因此混沌序列作为扩频码,易于产生,可提供更多的用户容量,并且其优良的相关特性,可减少多径干扰,提高系统性能。
　　
　　参考文献
　　[1]porcino d, hirtw. ultra-wideband radio technology potential and challenges ahead [j]. ieee communications magazine, 2003, 41(7): 66-74.
　　[2]zhuang w h, shen x m, biq. ultra-wide band wireless communications [j]. wireless communications and mobile computing, 2003(3): 663-668.
　　[3]win m z, chrisikos g, sollenberger n r. performance of rake in dense multipath channels: implication of spreading bandwidth and selection diversity order[j]. ieee select. areas commun., 2000, 18: 1516-1525.
　　[4]win m z, chrisikos g. impact of spreading bandwidth and selection diversity order on rake reception[m]//molison a f. wideband wireless digital communications. 北京:电子工业出版社, 2001: 424-454.
　　[5]cassioli d, win m z, vatalaro f, et al. perfor-mance of low-complexity rake reception in a realistic uwb channel [j]. ieee icc, 200
　　2, 2: 763-767.
　　[6]rajeswaran a, somayazulu v s, foerater j r. rake performance for a pulse based uwb system in a realistic uwb indoor channel [j]. ieee icc, 2003, 4: 2879-2883.
　　[7]贝尼迪特,吉安卡拉.超宽带无线电基础[m].葛利嘉,朱林,袁晓芳,等译.北京:电子工业出版社,2006.
　　[8]葛利嘉,曾凡鑫,刘郁林,等.超宽带无线通信[m].北京:国防工业出版社,2005.
　　[9]parlitz u, ergezinger s r. communication based on chaotic spreading sequence [j]. physics letters a, 1994(5): 146-150.
　　[10]lipton m, dabke k p. spread spectrum communication based on chaotic systems [j]. int. bifurcation and chaos, 1996, 112(6): 2361-2374.
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