超寬帶無線通信技術(shù)簡介

引言

超寬帶技術(shù)不同于其它無線通信技術(shù)，它具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且可以重復(fù)利用頻譜，解決頻譜擁擠不堪的問題。

超寬帶的概念

UWB的定義

超寬帶的定義經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

1989年前，超寬帶信號(hào)主要是通過發(fā)射極短脈沖獲得，這種技術(shù)廣泛用于雷達(dá)領(lǐng)域并使用脈沖無線電這個(gè)術(shù)語，屬于無載波技術(shù)。

1989年美國國防部(DARPA)首次使用超寬帶這個(gè)術(shù)語，并規(guī)定若一個(gè)信號(hào)在 20dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于25%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)。

2002年FCC頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個(gè)信號(hào)在 10dB處的絕對(duì)帶寬大于0.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于20%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)。這個(gè)定義使得超寬帶信號(hào)不再局限于脈沖發(fā)射，分?jǐn)?shù)帶寬定義為：

公式(略)

其中，f_{H}、f_{L}分別為系統(tǒng)的高端和低端頻點(diǎn)。一般超寬帶脈沖無線電使用分?jǐn)?shù)帶寬定義，由(1)式可知，一個(gè)信號(hào)是否是UWB信號(hào)取決于中心頻率。若信號(hào)A與信號(hào)B帶寬相同，但A的中心頻率遠(yuǎn)高于B的中心頻率，則A的分?jǐn)?shù)帶寬很小，A不屬于UWB信號(hào)。

UWB的頻譜規(guī)劃

FCC關(guān)于UWB系統(tǒng)的頻譜模板

根據(jù)FCC的規(guī)定，UWB 在無需授權(quán)機(jī)制下允許的通信頻譜范圍為3.1～10.6 GHz，并在這一頻率范圍內(nèi)，帶寬為1MHz的輻射體在三米距離處產(chǎn)生的場強(qiáng)不得超過500 V/m，相當(dāng)于功率譜密度為75nw/MHz，即 41.3dBm/MHz。FCC 規(guī)定的UWB頻譜范圍和譜密度限制分為室內(nèi)、室外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

其他國家的頻譜模板

為了更有效的進(jìn)行頻譜管理，各國的頻譜管理機(jī)構(gòu)提出了一些新的頻譜管理思路。新加坡于2003年2月底宣布啟動(dòng)“超寬帶計(jì)劃”， 積極發(fā)展UWB技術(shù)，并且為了進(jìn)行測試提出了一套新的模板。日本則正在討論UWB走向?qū)嵱脩?yīng)解決哪些課題，并于2004年3月24日發(fā)布了中期草案報(bào)告，并提出兩個(gè)模板修正提議。這些模板基本上都是基于FCC標(biāo)準(zhǔn)提出的，在部分頻段上與FCC標(biāo)準(zhǔn)完全一致。

UWB的調(diào)制與多址技術(shù)

無載波方案(脈沖無線電方案)

早期的UWB 系統(tǒng)是通過發(fā)送一串時(shí)間上不重疊的納秒級(jí)脈沖來傳輸數(shù)據(jù)的，不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到載頻上，所以又稱為基帶無載波系統(tǒng)。

TH-UWB

TH-UWB是指由實(shí)現(xiàn)多址的PN碼來決定脈沖的發(fā)射時(shí)刻，屬于偽隨機(jī)跳時(shí)多址方式。數(shù)據(jù)調(diào)制則可采用PAM或PPM。

TH-PAM

這種方式中，發(fā)送的數(shù)據(jù)采用PAM調(diào)制，脈沖的發(fā)送時(shí)刻受偽隨機(jī)序列控制。C_{j}^{(k)}為第k個(gè)用戶PN碼的第j個(gè)碼元，其取值范圍為{0,N_{h} -1}，偽碼周期為N_{p}。則第k個(gè)用戶的信號(hào)波形為：

公式(略)(2)

其中d_{j}是信息序列， T_{f}是脈沖重復(fù)周期，[ ]表示取整符號(hào)，上標(biāo)k為用戶索引，T_{c}表示跳時(shí)序列所控制的脈沖時(shí)延，數(shù)據(jù)符號(hào)周期T_{s}=N_{s}T_{f}。由(2)式知，一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)在持續(xù)時(shí)間上發(fā)射N_{s}個(gè)脈沖，當(dāng)N_{s}=1時(shí)，則一個(gè)符號(hào)只發(fā)射一個(gè)脈沖。

TH-PPM

跳時(shí)脈沖位置調(diào)制TH PPM的信號(hào)波形為：

公式(略)(3)

TH-PPM仍然是用N_{S}個(gè)單周期脈沖傳送一個(gè)二進(jìn)制信息符號(hào)，脈沖的發(fā)送時(shí)刻由跳時(shí)序列與待傳送的數(shù)據(jù)信息共同控制。

DS-UWB

這種方式中，發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻后再用BPSK調(diào)制，其信號(hào)波形為：

公式(略)(4)

這種情況下碼片持續(xù)時(shí)間T_{c}等于幀持續(xù)時(shí)間T_{f}，其中有關(guān)符號(hào)說明同TH-PAM模型。

在TH-UWB中信道資源是由時(shí)間與PN碼組成，多址方式既可以是TDMA，也可以是CDMA；而DS-UWB的信道資源僅是PN碼，其多址方式是CDMA。

基于載波的UWB

單載波DS-CDMA

在單載波DS-CDMA 方案中，經(jīng)過DS-CDMA 擴(kuò)頻之后的信號(hào)再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。XtremeSpectrum 等公司提出的方案共有兩個(gè)可用頻段：3.1-5.15 GHz(低頻段)和5.825-10.6 GHz(高頻段)。UWB 信號(hào)通過對(duì)載波調(diào)制在這兩個(gè)頻段之一進(jìn)行傳輸，或在這兩個(gè)頻段同時(shí)傳輸。為了避免對(duì)美國非特許的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(UNII)頻段和IEEE 802.11a 系統(tǒng)的產(chǎn)生干擾，這兩個(gè)頻段之間的部分沒有利用。

傳統(tǒng)的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規(guī)定的發(fā)射功率的限制。而單載波DS-CDMA 方案通過頻譜搬移解決了這一問題。

多頻帶正交頻分復(fù)用(OFDM)方案

這種方案是將7.5 GHz頻段劃分成十幾個(gè)500～600 MHz左右的子頻帶，在每個(gè)子頻帶上采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶無線通信。

DS-UWB與多頻帶UWB的比較

2004年5月SG3a工作組確定了兩個(gè)提案：無載波DS-UWB與多頻帶UWB。

UWB的路徑損耗模型與多徑信道模型

路徑損耗模型

目前所用的窄帶路徑損耗模型都不隨頻率變化而變化，超寬帶信號(hào)由于所涉及的頻譜范圍極寬，所以路徑損耗模型是頻率的函數(shù)，如(5)式所示：

公式(略)(5)

假設(shè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射的功率譜密度為P_{t}(f)，則接收到的功率譜密度為：

公式(略)(6)

SG3a工作組對(duì)其子委員會(huì)在2002年11月提交的UWB的信道模型稍作改進(jìn)后，于2003年7月頒布了UWB的室內(nèi)信道模型，這個(gè)信道模型被假定在觀察期間是靜止的。

公式(略)(7)

其中， X代表對(duì)數(shù)正態(tài)分布的信道增益的變化； K代表觀察到的總?cè)簲?shù)；N(k)代表第k群中接收到的總多徑數(shù)； _{nk}代表第k群中第n個(gè)多徑分量的幅度： _{nk}=P_{nk} _{nk}，其中P_{nk}等概取值 1來表示由于反射引起的信號(hào)極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)； _{nk}表示對(duì)數(shù)正態(tài)分布的第 k群中第n個(gè)多徑分量的幅度增益；T_{k}表示第k群的到達(dá)時(shí)間，即第k 群中第一個(gè)多徑分量的到達(dá)時(shí)間； _{nk} 表示以T_{k}為時(shí)間基準(zhǔn)，第 k群中第n個(gè)多徑分量的到達(dá)時(shí)間，所以每群中第一個(gè)多徑分量的到達(dá)時(shí)間 _{1k}為0。

這個(gè)模型在用于脈沖無線電時(shí)沒有考慮到脈沖在經(jīng)過信道傳播后由于反射、散射其形狀會(huì)發(fā)生變化。另外這個(gè)模型假設(shè)了衰落與時(shí)延無關(guān)，但是一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明衰落深度隨時(shí)延增大而增大。這是因?yàn)槎鄰椒至康牡竭_(dá)時(shí)間間隔隨時(shí)延增大而減小，因此時(shí)延越大，在一個(gè)可分辨的時(shí)間段上到達(dá)的多徑數(shù)目就越大，根據(jù)中心極限定理此時(shí)信號(hào)經(jīng)歷的是瑞利衰落。所以對(duì)此信道模型還需繼續(xù)改進(jìn)。

UWB技術(shù)的應(yīng)用前景非常誘人，如在高速無線個(gè)域網(wǎng)、無線以太接口鏈路、智能無線局域網(wǎng)、戶外對(duì)等網(wǎng)絡(luò)以及傳感、定位和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在數(shù)字家庭的應(yīng)用。目前眾多公司都選擇無線家庭應(yīng)用作為UWB技術(shù)的突破口。正因?yàn)橛羞@些應(yīng)用場景與許多優(yōu)點(diǎn)，所以全球各大著名公司正在積極進(jìn)行UWB無線設(shè)備的開發(fā)與推廣。

2002年5月，全球召開了關(guān)于UWB技術(shù)的第一次會(huì)議；2002年下半年至今，ITU-R 召開了兩次會(huì)議專門討論UWB技術(shù)， 特別是電磁兼容問題。中國也積極參與各種會(huì)議，2003年10月由無線電監(jiān)測中心派人參加ITU-R-SG1會(huì)議，討論和研究UWB電磁兼容等問題。2003年信息產(chǎn)業(yè)部下達(dá)“UWB系統(tǒng)電磁兼容分析”軟科學(xué)研究項(xiàng)目，由國家無線電監(jiān)測中心承擔(dān)、北京郵電大學(xué)協(xié)助研究。2004年9月24日“首屆中國超寬帶無線技術(shù)論壇”在北京國賓飯店召開。

2004年4月，Intel 展示的UWB傳輸速率高達(dá)480Mbps。2003年，Motorola生產(chǎn)出實(shí)用的UWB收發(fā)設(shè)備，2004年8月獲FCC批準(zhǔn)，并已開始向全球客戶提供樣品，有望于2004年第三季度實(shí)現(xiàn)正式商用化。 而原來是Motorola子公司的飛思卡爾將于2004 年第四季度開始提供速度220Mbps的第三代雙芯片UWB樣片。飛思卡爾還計(jì)劃在2005年發(fā)布速度為500Mbps和1Gbps的UWB 芯片樣品。2004年5月，飛思卡爾與全球主要消費(fèi)電器生產(chǎn)商海爾集團(tuán)，在北京全國科學(xué)技術(shù)展覽會(huì)上成功展示了利用超寬帶無線技術(shù)將手提攝錄機(jī)與等離子平面電視機(jī)無線連接。這是市場上首度采用DS-UWB融入家庭影音設(shè)備的全功能模式。預(yù)計(jì)消費(fèi)者最快將于2004年底能夠購買到具備UWB能力的產(chǎn)品。

UWB是一種新興無線通信技術(shù)，有許多問題亟待研究。除了可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)、UWB波形、收發(fā)機(jī)、天線及傳播特性與信道模型等物理層技術(shù)需研究外，完整的通信協(xié)議還需研究鏈路接入?yún)f(xié)議、空中接口的靈活性、資源管理和移動(dòng)管理等問題。另外，UWB與其它無線技術(shù)的互相兼容問題也是一個(gè)很重要的課題。