超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)

　　摘要：介紹了超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)的基本概念和主要的實現(xiàn)方案，對其中的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了剖析，并簡要說明了超寬帶兩種候選標(biāo)準(zhǔn)的特點。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶 無線通信 同步

　　隨著各種無線通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，可利用的頻譜資源日趨飽和，使超寬帶技術(shù)引起了人們的廣泛重視。2002年2月FCC對超寬帶使用發(fā)布無許可證使用后，超寬帶技術(shù)迅速成為國際無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個熱點，并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　所謂超寬帶，根據(jù)FCC的定義，是指信號的-10dB相對帶寬大于0.2，或絕對帶寬不小于500MHz。其中相對帶寬是指

　　ffoc=2(fH-fL)/(fH+fL) (1)

　　這里fH、fL分別對應(yīng)上限和下限頻率。為了不影響頻譜范圍內(nèi)的其它通信系統(tǒng)，超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率受到了嚴(yán)格的限制。在室內(nèi)通信的3.1GHz～10.6GHz頻段內(nèi)，信號功率嚴(yán)格規(guī)定要低于0.56mW，對應(yīng)41.3dBm/MHz，如圖1。



　　UWB無線通信的歷史可以追溯到1942年Rosa提交的隨機脈沖系統(tǒng)的專利，從其出現(xiàn)到二十世紀(jì)90年代之前，UWB技術(shù)主要采用其最初的脈沖形式。早期的UWB系統(tǒng)利用頻帶極寬的超短脈沖進(jìn)行通信，通常又稱為基帶、無載波或脈沖系統(tǒng)。近年來，開始用于民用高速無線通信領(lǐng)域，并有了較大的發(fā)展和變化，產(chǎn)生了載波調(diào)制的直接序列碼分多址和多載波正交頻分復(fù)用等多種實現(xiàn)方式。

　　窄帶與寬帶系統(tǒng)相比，超寬帶的特點是：

　�。�1）共享頻譜。UWB不是獨點新的頻譜，而是與其它系統(tǒng)共享頻譜，在7500MHz的大帶寬內(nèi)，通過嚴(yán)格限制發(fā)射功率，從而避免了對其它系統(tǒng)的干擾。這樣的頻譜使用方式，在頻譜資源日益稀缺的今天具有重要意義。

　�。�2）速率高、成本低、功耗低。UWB通信采用沖擊脈沖形式，因為是帶寬傳輸，系統(tǒng)相對簡單；而低占空比使系統(tǒng)功耗很低；UWB極寬的頻譜，使UWB系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)1Gbps以上，在目前的無線通信技術(shù)中，只有UWB技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。

　　（3）信號衰減較小，穿透力強。采用基帶窄脈沖形式的UWB信號，具有適當(dāng)波形的UWB脈沖具有較強的定向性，衰減很慢。另外，由于基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量，所以在室內(nèi)傳播悍可順利地穿過墻壁等一般的障礙物。

　�。�4）低偵聽率。UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等多址接入技術(shù)，使非授權(quán)者很難截獲傳輸信息，因而安全性非常好。

　�。�5）抗多徑能力強。由于沖擊脈沖持續(xù)時間極短，而占空比很大，這一傳輸方式具有良好的多徑分辨性，使Rake接收容易實現(xiàn)。



　　1 無載波方案

　　無載波脈沖方案為UWB通信的傳統(tǒng)方式，信息由沖擊脈沖攜帶，單脈沖的寬度極窄，一般在亞納秒級，且占空比相當(dāng)小，為1%，甚至為0.1%，具有極強的多徑信道分辨能力，使無線室內(nèi)通信環(huán)境中，密集多徑信道的分離和處理成為可能。

　　1．1 波形設(shè)計

　　盡管無載波超寬帶的平均功率相當(dāng)?shù)�，但考慮到其極低的占空比，峰值功率有可能很大，因此，需要對傳輸波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。波形選擇通常有方波、高斯形等，其中高斯形脈沖類似于單周正弦波，頻譜結(jié)構(gòu)中直流及接近直流的頻譜成為分較弱，有利于極窄脈沖信號的傳輸，接收端易于相關(guān)檢測與識別，使用較多。在無載波脈沖UWB通信中，收發(fā)端的天線對輸入信號分別有一次微分效應(yīng)，這一點將直接影響接收模板的信號設(shè)計。

　　典型情況下，經(jīng)過收發(fā)天線和信道傳播，接收部分收到的脈沖信號為單周高斯脈沖，接收天線處的輸出信號的時域波形如圖2所示，函數(shù)形式為：



　　其中，σ為脈沖的有效持續(xù)時間長度，超寬帶通信中的發(fā)射信號s(t)對于捕獲部分而言，將等效為：



　　其中，Tf為脈沖發(fā)射間隔時間，又稱一幀的持續(xù)時間。

　　1．2 信號調(diào)制

　　UWB中的每一比特信息由Nf個脈沖調(diào)制實現(xiàn)傳輸。信息調(diào)制方式有脈沖幀度調(diào)制（PAM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）、二極鍵控（BPSK）、開關(guān)鍵控（OOK）等；而信道調(diào)制使用跳時方式（TH）或直接序列擴頻（DS）多址接入。近來有文獻(xiàn)探討脈沖形狀調(diào)制（PSM）進(jìn)行多址接入。

　　以TH-PPM為例，分析超寬帶信號的信號調(diào)制特點，其第k個用戶的等效發(fā)射脈沖序列為：



　　為避免信息碼間干擾，規(guī)定co=cN-1=0,Np>Nf。發(fā)射數(shù)據(jù)為二元數(shù)據(jù)信息（0,1），當(dāng)發(fā)送比特1時，每個脈沖的實際發(fā)射時間比標(biāo)稱時間晚δ；發(fā)送比特0時，每個脈沖的實際發(fā)射時間比標(biāo)稱時間早δ。δ為脈位調(diào)制步長，一般取脈沖寬度Tp的1/4。對應(yīng)（0,1），d�。�1,-1），第j個脈沖的開始時刻改變?yōu)閖Tf+cj(k)Tc+δd[j/Ns]，[x]為x的數(shù)據(jù)取整。這一調(diào)制方式下，每一符號持續(xù)時間為Ts=NsTf，信息傳送速率為Rs=1/Ts=1/NsTf。因信息數(shù)據(jù)隨機分布，傳輸信號功率譜進(jìn)一步被平滑。

　　當(dāng)多址接入系統(tǒng)中存在Nu個發(fā)射用戶時，接收到到的信號形式為：



　　Ak、τk分別表示用戶到達(dá)接收機時的幀度衰減量和時延量。

　　1．3 信道建模

　　與窄帶不同，7500MHz帶寬決定了UWB技術(shù)具有極高的時間分辨率，使得不同路徑到達(dá)的信號能夠分集接收，從而超寬帶對衰落效應(yīng)并不敏感。建立盡可能準(zhǔn)確的信道模型，直接關(guān)系著信號準(zhǔn)確接收的實現(xiàn)程度。

　　廣泛認(rèn)可的室內(nèi)多徑傳播信道模型是S-V模型。該模型認(rèn)為，信道在一次連續(xù)發(fā)射脈沖過程中保持不變，多徑信號以簇集方式傳輸，簇信號的形成與環(huán)境建筑物結(jié)構(gòu)相關(guān)，簇內(nèi)徑信號與收發(fā)器鄰近物體相關(guān)。而且，接收信號相位獨立，均勻分布，簇信號和簇內(nèi)徑信號和簇內(nèi)徑信號的延遲按指數(shù)衰減，兩者的衰減參照系數(shù)分別為常數(shù)T和γ。

　　如果以Tl(l=0,1,2,…)標(biāo)記簇信號的到達(dá)時間，以τk,l（k=0,1,2,…）標(biāo)記第l簇內(nèi)以第0條徑時刻為起點第k條徑的到達(dá)時間。這樣，Tl和τk,l的概率密度函數(shù)為：



　　這里，βk,l標(biāo)記各徑的增益系數(shù)，服從瑞利分布，均值為：



　　其中，β2（0，0）是第0簇第0徑的平均功率增益。對信號傳輸信道，信道沖擊響應(yīng)h(t)為：



　　1．4 同步算法

　　UWB的同步也分作兩步，分別是捕獲和跟蹤。前者指估計相位與實際相位相差較大，如一幀時間或者指估計相位與實際相位相差幾個脈沖持續(xù)時間，這里主要關(guān)注其中的捕獲。

　　脈沖信號經(jīng)過信道，到達(dá)接收部分，接收裝置必須良好同步才能保證信號的正確接收。與直擴的捕獲相比，UWB的同步要困難許多。這是因為，脈沖持續(xù)時間為納秒量級，簡單使用匹配濾波器顯然根本不可能進(jìn)行捕獲；而使用滑動相關(guān)，由于搜索位置的極大，需要難以忍受的漫長搜索時間。多徑效應(yīng)、信號低功率、跳時的運用等將進(jìn)一步加劇UWB無線通信的同步難度，因此，需要采取精致的捕獲算法。

　　當(dāng)前，已有一些捕獲算法的探索，如不考慮噪聲的比特反轉(zhuǎn)法、不考慮多徑下的編碼法、循環(huán)平衡下的盲定時器、輔助數(shù)據(jù)下的極大似然法，以及使用信號自身進(jìn)行相關(guān)的“臟模板”法。另外，還有使用優(yōu)化測試數(shù)法、同時發(fā)射參考信號法。這些捕獲算法均只適用于某種特定條件，需要進(jìn)一步研究魯棒性良好的同步算法。

　　作為一種有趣的捕獲算法，比特反轉(zhuǎn)法利用了信號的多徑成簇到達(dá)性，所求延時τ0以密集形式分布在一定區(qū)域，應(yīng)用某種跳轉(zhuǎn)方式是可行的。本文使用比特反轉(zhuǎn)法（bit reverse method），這一算法的策略是對待測單元進(jìn)行2的次冪編碼，如有32位待測單元，在傳統(tǒng)滑動相關(guān)的搜索次序是0，1，2，…，14，15；而使用比特反轉(zhuǎn)法，由0000，0001，0010，0011，…，1110，1111這樣的次序，比特反轉(zhuǎn)后，次序為0000，1000，0100，1100，…，0111，1111。使用這一算法，將極大地減小脈沖對齊的搜索時間。

　　運用傳統(tǒng)線性滑動相關(guān)法，對探測區(qū)域N進(jìn)行順次滑動探測，有平均探測次數(shù)：



　　這里N為待測位置數(shù)，J為終止探測的位置總線。使用比特反轉(zhuǎn)法搜索對齊位置的平均時間有：

　　E(T)=1/2(N/J+1) (12)

　　以這一思想為基礎(chǔ)，筆者提出了一種基于協(xié)議的超寬帶捕獲算法。即在同步開始階段，使用比特反轉(zhuǎn)法對均勻發(fā)射脈沖迅速實現(xiàn)對齊，接收端進(jìn)入跳時，等待發(fā)射端跳時調(diào)制，由再次探測到導(dǎo)頻信號與模板信號的相關(guān)積累超過門限，接收端進(jìn)入捕獲證實階段。

　　受“臟模板”法的啟發(fā)，提出了基于臟模板的捕獲算法。即在發(fā)射偽隨機導(dǎo)頻碼，通過對導(dǎo)頻碼的捕獲確認(rèn)實現(xiàn)信息發(fā)送前的同步，而在信息發(fā)送過程中，利用信息自身的平穩(wěn)性和相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果來監(jiān)督發(fā)送過程的同步。具體而言，如果信號滿足對k∈[0,K-1],有s(k)=-s(k+2)，即發(fā)送信號為{1,1,-1,-1,…},{1,-1,-1,1,…}，{-1，1，1，-1，…}，或者{-1，1，1，1，…}。就可以構(gòu)造滿足這一特性的偽隨機信號來做導(dǎo)頻信號，對這樣的導(dǎo)頻序列如果同步算法能夠獲得這樣的解調(diào)結(jié)果，捕獲過程就進(jìn)入捕獲確認(rèn)環(huán)節(jié)。

　　這樣，對室內(nèi)信道下的UWB信號捕獲，提供了一種性能良好的同步算法。所采用方案使用幀速率的采樣率，降低了同步時所需采樣率的要求。



　　2 調(diào)制載波方案

　　早期的無載波脈沖UWB通信系統(tǒng)，直接利用基帶簡單脈沖波形進(jìn)行通信，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，收發(fā)信機結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)成本低。但在FCC關(guān)于UWB通信功率譜的規(guī)定下，頻譜利用率不高，可以通過脈沖波形優(yōu)化設(shè)計加以改善。而另一條途徑就是采用載波調(diào)制的方式，將UWB信號搬移到合適的頻段進(jìn)行傳輸，從而可以更加靈活、高效地利用頻譜資源。

　　目前，有兩個候選方案：Intel、TI等公司支持的頻分復(fù)用（OFDM-UWB）方案和Motroal、X tremeSpectrum等公司支持的單載波直接序列-碼分多址（DSC-UWB）方案，它們都采用了調(diào)制載波的信號形式。

　　2．1 單載波方案（DSC-UWB）

　　這一方案的基本思想是同時使用整個7500MHz。

　　如圖3所示的一種單載波UWB方案有兩個可用頻段：低頻段和高頻段，UWB信號可以通過對載波的調(diào)制，在這兩個頻段之一傳輸，或在這兩個頻段同時傳輸。為了避免與UNII頻段系統(tǒng)的干擾，兩個頻段之間的部分沒有利用。該方案與傳統(tǒng)的通信有很多相似之處，同時具有UWB的特點和優(yōu)點。

　　多徑效應(yīng)相關(guān)的時延將導(dǎo)致符號間干擾，這一特性是單載波方案需要解決的關(guān)鍵問題。要克服多徑衰落干擾影響，信道所傳輸?shù)淖罴研盘栃问揭矐?yīng)是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式，而PN序列周期愈長，接收端同步所需時間必然加長，因此在信號設(shè)計時應(yīng)當(dāng)合理選擇。另外，單載波方案傳輸帶寬大，對應(yīng)接收部分需要快速轉(zhuǎn)換電路。

　　2．2 多載波方案（OFDM-UWB）

　　這一方案的基本思想是多個波段分時使用，波段之和為7500MHz。

　　在OFDM系統(tǒng)中，將可用的頻段分為多個子帶，每個子帶帶寬大于500MHz，由多個正交的子載波信號“堆積”成一個UWB信號。

　　圖4為一種采用時頻交織技術(shù)的UWB通信系統(tǒng)發(fā)送端框圖。與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)比較，符號長度、子載波間隔、循環(huán)前級長度等具體參數(shù)有較大差別。

　　當(dāng)子載波數(shù)較大時，各子載波幅度譜疊加的總信號幅度譜有很好的矩形特性因此可以充用利用頻譜資源。該方案在頻譜利用方面有很高的靈活性，可以自適應(yīng)根據(jù)傳輸信道的干擾情況，調(diào)整各子頻帶的發(fā)射功率或取消特定子頻帶的發(fā)射，以有效地降低干擾，提高網(wǎng)絡(luò)性能，還可以通過抑制相應(yīng)的子載波，更加精確地控制合成信號的頻譜形狀。



　　這一方案保留了無載波時的超帶寬，同時克服了無載波方案因極短脈沖而導(dǎo)致的A/D轉(zhuǎn)換困難，使性能獲得了極大改善，是目前最看好的UWB技術(shù)，其代價是增加了硬件復(fù)雜度，如發(fā)射部分需要快速頻率轉(zhuǎn)換，且增加了大量數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。

　　7500MHz的免許可證帶寬，給UWB的研究和應(yīng)用帶來了無限機遇，但極低的功率譜密度以及至少500MHz的帶寬需要在超寬帶的系統(tǒng)級和各個環(huán)節(jié)進(jìn)行精巧的構(gòu)思。

　　超寬帶技術(shù)起步于沖擊脈沖，在現(xiàn)代信息處理方式下，發(fā)展了載波方案，特別是多載波的OFDM方案獲得了更多知名商家和重要學(xué)術(shù)機構(gòu)的支持。UWB技術(shù)以極低的功耗和很低的成本實現(xiàn)很多其它技術(shù)難以實現(xiàn)的應(yīng)用，各種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，都可以應(yīng)用在UWB系統(tǒng)中。

　　UWB無線通信技術(shù)應(yīng)用廣泛、市場巨大，國際上UWB的研發(fā)如火如荼，迫切需要積極進(jìn)行UWB的研發(fā)，開發(fā)擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，制定自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路。本文希望通過對UWB的介紹，增進(jìn)對這一領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的了解，促進(jìn)我國的在這個領(lǐng)域的研發(fā)工作，為即將到來的UWB產(chǎn)品國際化競爭做好準(zhǔn)備。