面向UWB短距离无线通信的差分混沌调制和编码关键技术研究

摘要

超宽带(UWB: Ultra Wideband)技术具有传输速率高、功耗低、可抗多径干扰、实现结构简单和安全性高等优点，适用于密集多径环境，被视为下一代无线通信的关键技术之一，也是室内高速率、短距离接入通信的最佳方案之一，具有广泛的应用前景和重要的理论研究价值。本文以低成本、低功耗的短距离无线通信应用需求为牵引，围绕其物理层关键技术，包括调制技术（差分混沌键控）、多址接入技术、多天线技术、LDPC信道纠错码，和物理层网络编码技术，进行了系统的研究。
　　 (1)在UWB的调制技术上，近年来，基于混沌信号调制的超宽带技术受到了广泛的关注。混沌信号具备超宽带通信所需的优良特性，硬件实现简单。其中非相干的差分混沌键控(DCSK: Differential Chaos Shift Keying)技术，不需要混沌同步而受到更多的关注。由于UWB多用户通信的重要性，针对DCSK的直扩超宽带系统，本文研究了基于Walsh码(WC)的DCSK多用户系统，提出了一个改进再差分Walsh码的DDCSK-WC混沌多用户通信方案。仿真和理论分析结果表明，该方案比传统方案有2dB的性能增益，并且也大大提升了抗多径时延能力。
　　 (2)在多天线UWB系统中，利用不同混沌信号的良好互相关性，即近似正交性，提出了称为模拟STBC-DCSK的发射分集技术，获得最大分集增益，提高系统性能和抗多径干扰能力。更重要的是，传统基于STBC的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)-DC SK需要信道信息辅助译码，而STBC-DCSK无需信道信息，避免了复杂的信道估计。在接收端联合DCSK解调和STBC译码，实现复杂度和单发单收DCSK相似，说明了该STBC-DCSK适合低复杂度和低成本特性的UWB应用。同时我们给出了多径瑞利衰落信道的STBC-DCSK方案的误码性能分析，从理论上证明了它的优越性，所提出的系统对于单发单收系统有4-SdB的性能优势。在UWB CM1建模信道下的性能仿真，也验证了该系统在UWB超宽带传输环境的实际可行性。
　　 (3)信道纠错码的引入可以极大地提升通信系统的传输可靠性。最近美国JPL实验室在深空通信环境，提出了一类性能优异的原模图LDPC码。基于二进制干扰信道的特点，我们提出了一类新的近似规则原模图码型，并利用有限长EXIT(Extrinsic Information Transfer)图进行了分析佐证。在EPR4信道的仿真结果表明，在低信噪比和高信噪比区，这类新的原模图码型相对规则LDPC码，有0.2dB的性能增益和更低的错误地板。同时，针对基于混沌调制的无线干扰UWB传输信道，我们提出了译码性能更佳的原模图信道编码。
　　 (4)在双向中继通信中，将物理层网络编码(PNC:Physical Network Coding)应用于该系统时，可获得比传统中继方案和网络编码方案更高的网络吞吐量。目前PNC与信道编码相结合是研究热点之一。在联合信道编码和PNC上，我们提出了一个更一般化的联合编译码方案，称为串行信道和物理层网络译码（S-JCND:Serial Joint Channel and Physical Network Decoding）。跟传统的联合编码(JCNC:Joint Channel and Physical Network Coding)方案不同，S-JCND方案允许通信网络的两个节点采用不同的信道编码。通过将PNC视为串行级联码的内码，节点的信道编码视为级联码的外码，在中继接收端构成了一个串行级联译码系统，采用了Turbo迭代的译码算法，可信度信息在内外码之间迭代更新。仿真结果表明S-JCND方案比传统JCNC方案有差不多0.6dB的性能增益;其次，在采用STBC空时编码的PNC系统，利用预编码技术，我们提出更低译码复杂度的STBC-PNC方案;中继和多天线技术是提高UWB覆盖范围的有效手段，因此在下一步工作中，我们将研究基于混沌调制的网络编码UWB通信系统，以此来进一步提高UWB网络吞吐量和覆盖范围。

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摘要

缩略词

Contents

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表格目录

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 超宽带技术

1．2．2 混沌超宽带技术

1．2．3 LDPC信道编码技术

1．3 本文的主要工作与创新

1．4 本文的内容安排

第二章 混沌键控调制多用户系统

2．1 引言

2．2 DCSK-WC多用户系统

2．3 DDCSK-WC多用户系统

2．3．1 系统传输能量和速率分析

2．3．2 系统BER性能分析

2．3．3 仿真结果

2．4 本章小结

第三章 基于STBC的混沌UWB系统

3．1 引言

3．2 传统MIMO-DCSK系统

3．3 STBC-DCSK发送分集系统

3．3．1 系统设计原理

3．3．2 系统模型

3．4 STBC-DCSK系统分析

3．4．1 误码性能分析

3．4．2 系统传输参数分析

3．4．3 仿真结果分析

3．5 STBC-FM-DCSK UWB系统

3．6 本章小结

第四章 UWB的信道编码研究

4．1 引言

4．2 原模图LDPC码

4．3 码间干扰的LDPC编码通信系统

4．3．1 有限码长的EXIT分析算法

4．3．2 码间干扰的LDPC编码设计及分析

4．3．3 仿真结果

4．4 UWB信道的原模图LDPC码型设计

4．5 本章小结

第五章 物理层网络编码(PNC)研究

5．1 引言

5．2 联合信道和物理层圈络编码(GJCNC)

5．2．1 系统模型

5．2．2 GJCNC-PD译码算法

5．2．3 GJCNC-LLR译码算法

5．2．4 复杂度比较和仿真结果

5．3 串行联合信道与物理层网络译码

5．3．1 系统模型

5．3．2 串行信道编码与物理层网络译码算法

5．3．3 仿真结果

5．4 基于STBC的物理层网络编码

5．4．1 系统模型

5．4．2 预编码的STBC-PNC系统

5．4．3 STBC-PNC的MAP译码

5．4．4 门限值判决译码

5．4．5 仿真结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

一．论文情况

二．国家发明专利情况

三．项目情况

致谢