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(shí)現(xiàn)方案，對(duì)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(diǎn)。

　　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(duì)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(gè)熱點(diǎn)，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(hào)的-10dB相對(duì)帶寬大于0.2，或絕對(duì)帶寬不小于500MHz。其中相對(duì)帶寬是指

　　ffoc=2(fH-fL)/(fH+fL) (1)

　　這里fH、fL分別對(duì)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(hào)功率嚴(yán)格規(guī)定要低于0.56mW，對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)方式。

　　窄帶與寬帶系統(tǒng)相比，超寬帶的特點(diǎn)是：

　�。�1）共享頻譜。UWB不是獨(dú)點(diǎn)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(duì)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?yàn)槭菐�寬傳輸，系統(tǒng)相對(duì)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(hào)衰減較小，穿透力強(qiáng)。采用基帶窄脈沖形式的UWB信號(hào)，具有適當(dāng)波形的UWB脈沖具有較強(qiáng)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(hào)的功率譜密度非常低，信號(hào)難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴(kuò)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(qiáng)。由于沖擊脈沖持續(xù)時(shí)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(shí)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(jí)，且占空比相當(dāng)小，為1%，甚至為0.1%，具有極強(qiáng)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(jì)

　　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(duì)傳輸波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(hào)的傳輸，接收端易于相關(guān)檢測與識(shí)別，使用較多。在無載波脈沖UWB通信中，收發(fā)端的天線對(duì)輸入信號(hào)分別有一次微分效應(yīng)，這一點(diǎn)將直接影響接收模板的信號(hào)設(shè)計(jì)。

　　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(hào)為單周高斯脈沖，接收天線處的輸出信號(hào)的時(shí)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(shí)間長度，超寬帶通信中的發(fā)射信號(hào)s(t)對(duì)于捕獲部分而言，將等效為：



　　其中，Tf為脈沖發(fā)射間隔時(shí)間，又稱一幀的持續(xù)時(shí)間。

　　1．2 信號(hào)調(diào)制

　　UWB中的每一比特信息由Nf個(gè)脈沖調(diào)制實(shí)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(shí)方式（TH）或直接序列擴(kuò)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(hào)的信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)，其第k個(gè)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(shí)，每個(gè)脈沖的實(shí)際發(fā)射時(shí)間比標(biāo)稱時(shí)間晚δ；發(fā)送比特0時(shí)，每個(gè)脈沖的實(shí)際發(fā)射時(shí)間比標(biāo)稱時(shí)間早δ。δ為脈位調(diào)制步長，一般取脈沖寬度Tp的1/4。對(duì)應(yīng)（0,1），d�。�1,-1），第j個(gè)脈沖的開始時(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)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(jī)分布，傳輸信號(hào)功率譜進(jìn)一步被平滑。

　　當(dāng)多址接入系統(tǒng)中存在Nu個(gè)發(fā)射用戶時(shí)，接收到到的信號(hào)形式為：



　　Ak、τk分別表示用戶到達(dá)接收機(jī)時(shí)的幀度衰減量和時(shí)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(shí)間分辨率，使得不同路徑到達(dá)的信號(hào)能夠分集接收，從而超寬帶對(duì)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(hào)準(zhǔn)確接收的實(shí)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(hào)以簇集方式傳輸，簇信號(hào)的形成與環(huán)境建筑物結(jié)構(gòu)相關(guān)，簇內(nèi)徑信號(hào)與收發(fā)器鄰近物體相關(guān)。而且，接收信號(hào)相位獨(dú)立，均勻分布，簇信號(hào)和簇內(nèi)徑信號(hào)和簇內(nèi)徑信號(hào)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(hào)的到達(dá)時(shí)間，以τk,l（k=0,1,2,…）標(biāo)記第l簇內(nèi)以第0條徑時(shí)刻為起點(diǎn)第k條徑的到達(dá)時(shí)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(duì)信號(hào)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(jì)相位與實(shí)際相位相差較大，如一幀時(shí)間或者指估計(jì)相位與實(shí)際相位相差幾個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間，這里主要關(guān)注其中的捕獲。

　　脈沖信號(hào)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(hào)的正確接收。與直擴(kuò)的捕獲相比，UWB的同步要困難許多。這是因?yàn)�，脈沖持續(xù)時(shí)間為納秒量級(jí)，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(dòng)相關(guān)，由于搜索位置的極大，需要難以忍受的漫長搜索時(shí)間。多徑效應(yīng)、信號(hào)低功率、跳時(shí)的運(yùn)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(shí)器、輔助數(shù)據(jù)下的極大似然法，以及使用信號(hào)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(shí)發(fā)射參考信號(hào)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(hào)的多徑成簇到達(dá)性，所求延時(shí)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(duì)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(dòng)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?yàn)?000，1000，0100，1100，…，0111，1111。使用這一算法，將極大地減小脈沖對(duì)齊的搜索時(shí)間。

　　運(yùn)用傳統(tǒng)線性滑動(dòng)相關(guān)法，對(duì)探測區(qū)域N進(jìn)行順次滑動(dòng)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(duì)齊位置的平均時(shí)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(duì)均勻發(fā)射脈沖迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)齊，接收端進(jìn)入跳時(shí)，等待發(fā)射端跳時(shí)調(diào)制，由再次探測到導(dǎo)頻信號(hào)與模板信號(hào)的相關(guān)積累超過門限，接收端進(jìn)入捕獲證實(shí)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(jī)導(dǎo)頻碼，通過對(duì)導(dǎo)頻碼的捕獲確認(rèn)實(shí)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(jì)結(jié)果來監(jiān)督發(fā)送過程的同步。具體而言，如果信號(hào)滿足對(duì)k∈[0,K-1],有s(k)=-s(k+2)，即發(fā)送信號(hào)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(jī)信號(hào)來做導(dǎo)頻信號(hào)，對(duì)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(duì)室內(nèi)信道下的UWB信號(hào)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(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)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(jì)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(hào)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(gè)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(hào)形式。

　　2．1 單載波方案（DSC-UWB）

　　這一方案的基本思想是同時(shí)使用整個(gè)7500MHz。

　　如圖3所示的一種單載波UWB方案有兩個(gè)可用頻段：低頻段和高頻段，UWB信號(hào)可以通過對(duì)載波的調(diào)制，在這兩個(gè)頻段之一傳輸，或在這兩個(gè)頻段同時(shí)傳輸。為了避免與UNII頻段系統(tǒng)的干擾，兩個(gè)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(shí)具有UWB的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。

　　多徑效應(yīng)相關(guān)的時(shí)延將導(dǎo)致符號(hào)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?hào)形式也應(yīng)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式，而PN序列周期愈長，接收端同步所需時(shí)間必然加長，因此在信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選擇。另外，單載波方案傳輸帶寬大，對(duì)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(gè)波段分時(shí)使用，波段之和為7500MHz。

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

　　圖4為一種采用時(shí)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(hào)長度、子載波間隔、循環(huán)前級(jí)長度等具體參數(shù)有較大差別。

　　當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，各子載波幅度譜疊加的總信號(hào)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(hào)的頻譜形狀。



　　這一方案保留了無載波時(shí)的超帶寬，同時(shí)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(jià)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(jī)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(jí)和各個(gè)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(jī)構(gòu)的支持。UWB技術(shù)以極低的功耗和很低的成本實(shí)現(xiàn)很多其它技術(shù)難以實(shí)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(dú)立自主知識(shí)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(duì)UWB的介紹，增進(jìn)對(duì)這一領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的了解，促進(jìn)我國的在這個(gè)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。