基于IRUWB密集多径信道的码片同步搜索方法性能分析文档格式.docx
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引言
随着IRUwB通信的潍八研究,同
步ru]题变得毯求越雨墨.在各tiff4步捕获
方案中.1受:
信垮硷删与同步搜索算法
种方对步性能的政进做I.作.本文
主要住同步搜祟算法【:
分忻文献ll怍}对
此种情况提II{rh种币的序搜索葬
法,接给1算法的最终结聚.uf】平均
捕获时的.水文应Markov±
理
^与离散随L堂求解均值的慷.对各
种搜索辣法通过蒙特I罗仿真浊仿真
征.仿真结果嘛证r比特搜索掉浊所需的
.
均捕获时问最旒.而线性搜索算法所需
的半均捕按时司最{乏
鲋一节卞磋是计【RUwill;
;
号手¨
信道
的描述,第二节耐五种搜索算法做定性分
折,在第二是在理想情况分圳埘这
丘种拽索算法-牲能仿真,第四是加八
一
定的噪声情况下时同的搜索算法的仿
真,最后结论放任浆五节
1,IR-UWB信号及多径信道模型
本文所选择的IRUWB信号是:
阶高
斯脉中信号,数学摸型表达式为:
『f….]一…"
l'
号一
(1)
L'
J.…一
式中表永脉幅度,代表脉冲中
心位鬣.T是II~;
fl,宽度参数.所用的闼
制方为通断键控(O0K1方式.刚发
射端f吉号的教学模表达武为:
?
=
∑wlf_协(2
式中a表示第k个且采冲的幅度,代
表两个相邻II~i,I,的时间fl=i】隔,即发射信号
的脉冲重复频率均亩.信号通过密集
多径信逋后,接收端收到信号的数学摸型
Itt………ll………Ii……}ll…lI…1m
收{.1.k一旺
_lI…Ill…IflllJIll【JI1l1…IllllIllllllll『lJII1l1¨
I1l1【¨
llll11UJ
I2PH
图1搜索空间和接收信号脉冲包
——
I
(1)dr-lj丽夏?
{-I习
J87
l鼍
图2同步捕获框图
玛
带
宽●
aO
表达式为:
一1-1●
r)=∑It一十一o)=∑岛∑.1wIt一?
+一o)(3)
I?
其中hl是第l条路径的增益,n(t)表示
高斯噪声.在时变多径信道上传输极短的
脉冲,接收信号表现为一串脉冲,这是由
于多径媒质在该信道上引入了时间扩展,
这是多径媒质的一个特征.对通过密集多
径信道的接收机信号等间隔采样N次,得
到长为N的序列,其中接收信号脉冲包内
有K个捕获相位.其波形如图l.
2.串行搜索算法
2.1搜索算法的技术基础:
按照图2的捕获模型仿真.
如前所述,串行搜索算法就是通过积
分检测接收端信号,然后与接收机所设置
的峰值相比较,同时判断多个码元信号来
取得同步.据此,文献【l】提出了基于
Markov链的无噪声条件下五种不同的搜索
控制算法:
线性搜索算法,完全随机搜索算
法,随机变换搜索算法,查看与跳跃K个
单元搜索算法与比特反转搜索算法.其"
搜
索算法"
的名称通常是由搜索顺序来描述,
其顺序可能是完全确定的或者是随机的.
本文按照软件编程的具体实现的方法
对五种搜索算法进行解释和仿真.前提是
把发送端的单个信号脉冲时间段内分成N
个时隙,其中脉冲信号在通过密集多径信
道的不同的时延和每个路径不同的幅度衰
落,在接收信号形成的包络内,这个包按照.
定的幅度截取,形成具有K个这个时隙
宽度的信号.1
2.2串行搜索算法的实现
基于Markov链的五种顺序搜索算法,
设搜索变量为,m可取0,1,2,L
.值.通过不同的算法来搜索N个单元中
某个单元,有=mmodNo显然,由于
UWB脉冲信号经多径信道传输后的簇信号
特性,接收端输入信号的帧脉冲不是以单
个脉冲形式出现,而是以簇信号形式.假设
帧间隔的N个单元中,簇信号占据了连续
的K个单元,记为X.,X,,LX七∈(1,2…忉这
K们至续单元的起始单元在{0,l,2,…N—l}
中出现的位置是随机的,设为P.假定M是
变量搜索到{X.,X,,LX}所花费的时
间,即到达终止状态的步数或次数,那么变
量M可表示为
:
inf(:
∈(五,,LXx))+1
(4)
式中inf表示下确界.
():
—(N—
-
—
K)~+(
3N
K)(5)
蠹菇守慧
由Markov模型推算出理想情况下,
即虚警和漏检概率为0时的平均搜索步骤
公式为
()=而N+I(7)
2.2.4查看与跳跃K个单元的搜索算
法
该算法是将N个搜索单元分成N/K
段,依次查看K,2K,3K,…N/K段,即在
第一个K段搜索不到就跳到第2K段…,直
到在某个K段搜索到为止.出现漏检或是
K不等于k时继续按照K+l,2K+l,…直
到在某个搜索到为止.
(+1](8)
可以看出,该搜索方式可以认为是参
数为(N/K,1)的线性搜索.
2.2.5比特反转搜索算法
在该搜索算法中,假定搜索单元元数
N可表示为2的幂指数,即Ⅳ=2"
n为正
整数.如N=l6,其对应的二元码为:
0000,000l,00l0,00ll,…ll0l,
lll0,llll.算法规定这些数的变换是
ab
图3(a)蒙特卡罗方法仿真时不同的N所对应的平均搜索次数
(b)Markov模型推算出的理论结果所对应的不同的N所对应的平均搜索次数
图4(a)蒙特卡罗方法仿真时不同的K/N所对应的平均搜索次数
(b)Merkov模型推算出的理论结果所对应的不同的K/N所对应的平均搜索次数
l88~
通过数码的比特反转使相邻数码之间的距
离最大,然后按照比特反转后的数码次序
进行搜索.如N:
16的比特反转后的数码
表示单元次序为0000,1000,0100,…1011,
0111,1111.当N=2"
不属于这个数字时,
搜索排列顺序基本按照Ⅳ=2排列顺序,
只是中间出现大于N的排列给予取缔.从
原理上分析,这种算法的平均捕获时间与
"
查看与跳跃K单元"
算法基本相同.
由Markov模型推算出理想情况下,即
虚警和漏检概率为0时的平均搜索步骤公
式为
1,,^,,
()=二l+1l(9)'
2
3仿真验证
3.1在无噪的密集多径信道下的仿真
图3的(a)与(b)分别给出在检测概率为
1,虚警概率为0,连续搜索K个单元的条
件下,N=25和N=100时,五种不同顺序
搜索算法的归一化的E(M)/N对K/N的关
系.按照蒙特卡罗仿真方法重复仿真10000
次,其结果与由Markov模型推算出的理论
结果相符合.
N从l063情况下平均搜索次数性能
仿真,仿真条件:
虚警和漏检概率为0;
跳
k搜索取k=5;
重复10000次
图5跳K搜索中不同k对应的平
均搜索次数
可以看出,线性搜索算法最差,需
要的平均捕获时间最长;
而比特反转搜索
算法与"
搜索算法需
要的平均捕获时间最短.同时可以看出随
着N值的增大,比特反转搜索算法的性能
越优.仿真与理论结论基本相符.
在比特反转搜索方法中出现一定的波
动的原因是:
N取不同的值所对应的比特
搜索中的bit位数是按照N的开方向上取整
I的值来定的,所以在16—17,32—33,
49—50之间会有一个跳变.在相同I时,
比特反转的搜索顺序相似,而信号落在尾
部的概率是与N成线性关系的,所以在同
个Il段内平均搜索次数是平滑上升的.
N=63时,在不同的簇长K所对应的
平均搜索次数性能仿真
结论:
上面在跳K搜索方法中出现的
不平滑是因为在跳跃幅度系数k取不同的
值所得到的平均搜索次数是不同的.仿真
条件:
N一63,K=5;
重复10000次,如
图5.
由图5可知当K=1时,即无多径情
况下各种搜索方法的性能一样.显然k=
K是最优的跳跃幅度.
由上可得跳K搜索和比特反转搜索的
性能最好.在不确定信道中,K值是由信
道参数决定的,K的值难以精确估计.同时
跳k搜索的k值不等于K时,平均搜索次数
跳变的很厉害,所以比特反转搜索算法是
性能最佳.这一结论正好与文献l2】中的最
佳排列是一样的.
3.2加入高斯噪声的密集多径信道下的
仿真
仿真条件:
因为不同的信号检测方式
有不同的SNR与Pd的算法,且这五种同
步方法对诸如相关法,匹配滤波法,积分
法和采样法等各种信号检测方法都适用,
这里采用最简单的信号采样方式,对不同
璃性挂膏{
屯圭麓螅l
琏k揎膏l
H符蜃转l
,
t≮1
●
~
一
÷
(a)(b)
图6(a)N=36.K=6时.在不同的SNR对应的平均搜索时间
(b)N=30.K=5时.在不同的SNR对应的平均搜索时间
189
的SNR在N,K比例固定,只考虑浅度
漏检时比较五种搜索算法的平均捕获次
数.
上面图6的比较得出:
在K/N比例,
SNR与虚警概率Pd都一样时,跳K搜索与
比特反转具有相当的性能,但是跳K搜索
的不同K值在比较序列长度固定时,平均
搜索时间会比比特反转搜索算法差.?
同时
也有力地证明了上一结论.
4结论
综合以上的结论,我们可以得出:
在
理想情况跳K搜索算法是为快速的搜索算
法,同时比特反转搜索算法具有其相当的
搜索性能.在跳K搜索的K不等于密集多
径的抽样长度时,跳K搜索算法搜索时间
变动幅度很大,而比特反转搜索算法性能
接近与最佳搜索排列的理论数据,所以是
最好的搜索算法.当然这里只是对串行搜
索的各种算法进行比较,这种搜索算法的
优越性同时对并行搜索中的每一个串行搜
索算法都具有理论和实际指导意义.
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toIEEETrans.Commun.,Ju1.2004.
黄福彬(1980一),男,福建人,桂林电子
工业学院通信与信息工程系须士研窟生
主要从事超宠带同步技术方面的研党.
羹■*_
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