超寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)

摘要:本文主要介紹了超寬帶(UWB)無(wú)線傳輸技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、空間容量等,并對(duì)當(dāng)前的研究成果進(jìn)行了概況和分析,指出UWB技術(shù)作為新興的無(wú)線傳輸技術(shù),雖具有設(shè)備簡(jiǎn)單,頻譜利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn),但在脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)制、接收端的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等方面仍存在很多問(wèn)題;與UWB技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范及相應(yīng)的物理層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的制定仍是UWB商用化的主要障礙。在對(duì)UWB技術(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上,指出UWB商用化面臨的主要問(wèn)題并指明其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:超寬帶;脈沖位置調(diào)制( PPM) ;脈沖幅度調(diào)制( PAM) ;隨機(jī)跳時(shí);多級(jí)跳頻;直接序列擴(kuò)頻;高斯脈沖;瑞克接收機(jī)

超寬帶技術(shù)又被稱為脈沖無(wú)線發(fā)射技術(shù),是指占用帶寬大于中心頻率的1/4 或帶寬大于1. 5G的無(wú)線發(fā)射方案。該技術(shù)曾被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和遙感領(lǐng)域,作為商用無(wú)線通信技術(shù)目前正受到越來(lái)越多的關(guān)注。UWB技術(shù)既不同于傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線傳輸技術(shù),也不同于3G蜂窩通信中的擴(kuò)頻寬帶技術(shù),它不需載波,能直接調(diào)制脈沖信號(hào),產(chǎn)生帶寬高達(dá)幾兆赫茲的窄脈沖波形。其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前任何商業(yè)無(wú)線通信技術(shù)所占用的帶寬。

UWB 信號(hào)的寬頻帶、低功率譜密度的特性,決定了UWB無(wú)線傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)(如全球定位系統(tǒng)( GPS) 、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等) 共用頻段,大大提高了頻譜利用率;易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信;對(duì)多徑衰落具有魯棒性。UWB與其他窄帶系統(tǒng)共用頻段,必然存在與其他系統(tǒng)間的相互干擾,對(duì)UWB信號(hào)的合理規(guī)范和設(shè)計(jì)是應(yīng)用UWB技術(shù)的前提。FCC目前正致力于對(duì)UWB發(fā)射功率的限制規(guī)范,使UWB既能與其他系統(tǒng)共用頻帶又不至于對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性干擾。目前,UWB技術(shù)在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用前景已得到了專業(yè)界的普遍認(rèn)可。

1 　UWB 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的基本模型

UWB系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無(wú)線信道和接收部分構(gòu)成。與傳統(tǒng)的無(wú)線發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相比,UWB 的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。下面將傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)(以藍(lán)牙為例) 與UWB系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。藍(lán)牙是一種低功耗的無(wú)線傳輸技術(shù),它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路,發(fā)射機(jī)部分包括壓控振蕩器,鎖相環(huán)同步器(synth) ,參考振蕩器(refosc) ,接收機(jī)部分包括低噪放大器(LNA) 、混頻器、放大器等。UWB 的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 　UWB 發(fā)射、接收機(jī)框圖

因?yàn)槊}沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mV的電壓就能滿足發(fā)射要求,因此發(fā)射端不需要功率放大器。在接收端,天線收集的信號(hào)先通過(guò)低噪放大器,再通過(guò)一個(gè)匹配濾波器或相關(guān)接收機(jī)恢復(fù)出期望信號(hào)。由于UWB信號(hào)的發(fā)射未經(jīng)載波調(diào)制,UWB的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器。顯然,UWB的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)比藍(lán)牙更簡(jiǎn)單。

UWB 的發(fā)射機(jī)可靈活地調(diào)整發(fā)射距離。當(dāng)發(fā)射距離增大時(shí),UWB 可以用多個(gè)脈沖傳一個(gè)信號(hào)以增加接收端的信噪比。由于UWB 的發(fā)射功率與脈沖重復(fù)頻率成正比,因此可以通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進(jìn)行管理。這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設(shè)計(jì)。

2 　UWB 無(wú)線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

2.1 　可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)

UWB 系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴于脈沖信號(hào)功率譜密度的平坦性和功率譜覆蓋范圍,而功率譜的形狀又取決于脈沖信號(hào)的形狀,因此,脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生顯得尤為重要。當(dāng)信號(hào)頻率接近于零時(shí),天線的發(fā)射效率大大下降,因此脈沖信號(hào)在接近零頻段的信號(hào)能量應(yīng)該很小。這就要求脈沖的形狀具有正負(fù)對(duì)稱性,如正弦波和高斯脈沖的倒數(shù)。這些脈沖信號(hào)的寬度為幾納秒,產(chǎn)生的帶寬則高達(dá)幾兆赫茲。

UWB 最常用的信號(hào)脈沖是高斯單循環(huán)脈沖。理想的單循環(huán)脈沖時(shí)域、頻域特性如圖2 所示。單循環(huán)脈沖是寬帶信號(hào),中心頻率和帶寬完全取決于脈沖寬度。高斯單循環(huán)脈沖的時(shí)域、頻域表達(dá)式分別為:

式中: t au表示脈沖寬度。

高斯單循環(huán)脈沖的頻域表達(dá)式為:

單循環(huán)脈沖的中心頻率是脈沖寬度的倒數(shù),帶寬是中心頻率的116 %。因此,對(duì)于如圖2 所示的寬度為0.5ns的脈沖信號(hào),中心頻率為2GHz , 帶寬大約是2GHz。

圖2 　2GHz 中心頻率高斯脈沖單循環(huán)脈沖的時(shí)域圖和功率譜圖

2.2 　調(diào)制技術(shù)

　　目前UWB 采用的調(diào)制技術(shù)主要是脈沖位置調(diào)制( PPM) 和脈沖幅度調(diào)制( PAM) 。PPM 能去除UWB 頻譜的能量尖峰,使功率譜更加平坦,同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)多址。但規(guī)則的單循環(huán)脈沖會(huì)產(chǎn)生規(guī)則分布的能量尖峰,這些能量尖峰會(huì)對(duì)其它無(wú)線系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾。對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行位置調(diào)制,即改變脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確發(fā)射時(shí)間,使下一時(shí)刻的脈沖信號(hào)發(fā)射提前或滯后一段時(shí)間,能使射頻能量更均勻的分布在帶寬內(nèi),使功率譜更平滑,從而減小對(duì)其它系統(tǒng)的干擾。然而,這種調(diào)制對(duì)脈沖的位置變動(dòng)很小,因此對(duì)功率譜的平滑作用也較小。如果用偽隨機(jī)(PN) 碼對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制,可以使信號(hào)的頻譜類(lèi)似噪聲頻譜去除了能量尖峰。每個(gè)用戶分配一個(gè)PN 碼,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多址,如果接收機(jī)沒(méi)有PN 碼的信息,將無(wú)法識(shí)別信號(hào),從而加強(qiáng)了信號(hào)的保密性。

PAM 能有效提高頻譜效率,在高斯白噪聲信道中具有最佳性能。在多徑信道中,據(jù)預(yù)測(cè)多進(jìn)制PAM 調(diào)制表現(xiàn)出更好的性能。因此,為支持基于IP 的多速率業(yè)務(wù)及提高系統(tǒng)資源利用率,有必要進(jìn)一步研究適用于UWB 信道的多進(jìn)制脈沖調(diào)制和自適應(yīng)脈沖調(diào)制技術(shù)。

2.3 　信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

　　信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要研究如何提高UWB信號(hào)的接收質(zhì)量。目前實(shí)現(xiàn)UWB接收的方法主要有3 種:

(1) 相關(guān)或RAKE接收機(jī)法

　　RAKE接收機(jī)由一組相關(guān)器或匹配濾波器組成,根據(jù)接收端所獲得的信道信息對(duì)信號(hào)的多徑成分做分集接收,從而提高接收端的信噪比。接收端的信道估計(jì)和相關(guān)器(或匹配濾波器) 的個(gè)數(shù)會(huì)影響RAKE接收機(jī)的性能。相關(guān)器個(gè)數(shù)越多,RAKE接收機(jī)的效果越好,但設(shè)備的復(fù)雜度也越高。

(2) 自相關(guān)器接收機(jī)法

　　自相關(guān)接收機(jī)將接收信號(hào)和前一時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在慢衰落信道中,不用進(jìn)行信道估計(jì)就能捕獲到全部的信號(hào)能量。但這種接收機(jī)以帶噪的信號(hào)作為參考信號(hào),接收機(jī)的性能會(huì)隨著信號(hào)質(zhì)量的惡化而惡化。

(3) 采用自適應(yīng)最小均方誤差(MMSE) 算法的多用戶檢測(cè)(MUD) 接收機(jī)

　　RAKE 接收機(jī)雖然能有效地接收多徑信號(hào),但接收機(jī)的復(fù)雜度隨著路徑的增多而增加。采用自適應(yīng)最小均方誤差(MMSE) 算法的多用戶檢測(cè)(MUD) 接收機(jī)只接收落在觀察窗內(nèi)的可分離的多徑成分,因此復(fù)雜度是一定的。而且,采用MMSE 算法能更好地抑制碼間干擾。

仿真試驗(yàn)表明,脈沖波形在時(shí)域的相關(guān)處理可以產(chǎn)生良好的時(shí)間分辨性,如RAKE 接收、自相關(guān)器接收、最小均方誤差多用戶接收機(jī)都可不同程度地有效克服多徑影響、抑制干擾和噪聲。為進(jìn)一步提高接收端的信號(hào)質(zhì)量,空時(shí)陣列處理的概念也被嘗試運(yùn)用在UWB 技術(shù)中。比如,基于脈沖波形的波束成形可以產(chǎn)生無(wú)旁瓣的窄的主波束,從而提高接收機(jī)抗多徑干擾,共道干擾的能力。但是,這種處理增加了算法和設(shè)備的復(fù)雜度。因此,在多徑環(huán)境下,考慮其它系統(tǒng)影響的低復(fù)雜度、易于實(shí)現(xiàn)并具有較高性能的接收技術(shù)依舊是UWB的核心問(wèn)題。

3 　UWB 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的性能分析

正如第2 節(jié)所述,UWB可以采用多種不同的調(diào)制方式。本節(jié)將以脈沖幅度調(diào)制( PAM)為例,定量分析UWB系統(tǒng)的誤碼率、信噪比及吞吐量與距離之間的關(guān)系。對(duì)系統(tǒng)做如下假設(shè):噪聲為加性高斯白噪聲;編碼后的BER為10- 5～10- 9 ;發(fā)射功率譜密度限制在-41dBm/MHz ;工作帶寬為2. 5 GHz ;中心頻率為3. 75 GHz ;信道模型為自由空間傳播模型,即L(d) = 20lg (4π/λ)+20lgd 。M-PAM 系統(tǒng)的符號(hào)錯(cuò)誤率為:

比特錯(cuò)誤率為:

式中: M = 2 k ;γb 為每比特信噪比,dB。由于每個(gè)符號(hào)由k 個(gè)比特組成,每符號(hào)信噪比為kγb 。

為了更好地表示脈沖帶寬和脈沖重復(fù)頻率之間的關(guān)系,每符號(hào)信噪比可用下式表示:

式中: Pave = BsPsd為平均發(fā)射功率; Psd為FCC 所規(guī)定的平均功率譜密度; Bs 為發(fā)射脈沖帶寬;η0 是噪聲功率譜密度; Bp=1/Tp為脈沖重復(fù)頻率; Ns = Bs/ Bp 為脈沖處理增益。

由式(5) 可見(jiàn),增加脈沖帶寬或減小脈沖重復(fù)頻率可以提高系統(tǒng)信噪比。用式(3) 和(4) 可以得到對(duì)于用不同進(jìn)制的PAM 調(diào)制,未編碼誤碼率達(dá)10- 3時(shí)所需的比特信噪比和符號(hào)信噪比。從表1 可看出,PAM 的進(jìn)制數(shù)越高,所需的信噪比越大,因此,高進(jìn)制的PAM 調(diào)制雖然頻譜效率高,但不省功率。

圖3 　M-PAM系統(tǒng)中基于UWB的容量曲線

從式(5)可以看出,當(dāng)要求的信噪比增加時(shí),如果要保持發(fā)射功率不變,就必須增大符號(hào)間隔,而這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)率的下降。通過(guò)自由空間信道模型公式可以得到如圖3所示的吞吐量與距離的關(guān)系。顯然,傳播距離越近,UWB能提供的吞吐量越大。當(dāng)然,還有許多其它的方法可以改善距離與吞吐量之間的關(guān)系,如增加天線增益,提高編碼效率等。

同時(shí),從圖3中還能看出,在白噪聲信道中,高進(jìn)制的PAM調(diào)制并不能提高系統(tǒng)吞吐量,因?yàn)閷?duì)于UWB系統(tǒng)而言,頻譜由脈沖形狀, 而不是由符號(hào)速率決定。因此, 對(duì)于AWGN信道,低階的PAM調(diào)制能產(chǎn)生更好的性能。但是,如果考慮多徑信道,2 - PAM 系統(tǒng)更易遭受碼間干擾,使吞吐量受限,而M - PAM系統(tǒng)由于脈沖重復(fù)周期大,受碼間干擾的影響相對(duì)較小。另外,信道傳播模型和多徑模型也將影響系統(tǒng)性能。有效合理的信道模型將更有利于預(yù)測(cè)UWB 系統(tǒng)的性能。

4 　UWB的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

由于UWB具有寬帶特性,必然會(huì)對(duì)其它窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,因此,FCC目前正致力于對(duì)UWB發(fā)射的規(guī)劃以確保它的合法性。只有制定出合理規(guī)則,才能使UWB既能有效利用可用帶寬,又不會(huì)對(duì)占用這些頻段的系統(tǒng)造成破壞性干擾。圖4 顯示了在超過(guò)2GHz 的頻段內(nèi),NPRM 對(duì)UWB 的發(fā)射功率譜密度的限制。

圖4 　NPRM 限制下的功率譜密度

從圖中可以看出,UWB系統(tǒng)功率發(fā)射需要考慮兩個(gè)重要方面。①UWB對(duì)其他的共用頻段系統(tǒng)的干擾是一種寬帶干擾,相當(dāng)于提高窄帶系統(tǒng)的背景噪聲。這種干擾一旦超標(biāo),其他的窄帶系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。所以,UWB的發(fā)射功率譜密度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它窄帶系統(tǒng)的功率譜密度。為了保護(hù)全球定位系統(tǒng)( GPS) , FCC 考慮在2GHz 以下采用更低的功率譜密度,但目前還沒(méi)有定義出明確的上界。

②UWB系統(tǒng)也可能受到來(lái)自其他系統(tǒng)的強(qiáng)窄帶干擾。為了有效地抑制這些窄帶干擾,需要采用自適應(yīng)的干擾抑制方案,這也是目前有待解決的問(wèn)題。影響UWB和其他窄帶系統(tǒng)間相互作用的因素有很多,如:設(shè)備間的隔離、信道傳播損耗、調(diào)制技術(shù)、脈沖重復(fù)頻率、天線增益等。如前所述,對(duì)脈沖進(jìn)行位置調(diào)制,可以減少能量尖峰,使功率譜更加平坦,從而減小對(duì)其他系統(tǒng)的干擾。

FCC對(duì)UWB系統(tǒng)的功率規(guī)劃才剛剛開(kāi)始。一個(gè)可操作的、與其他系統(tǒng)共存的無(wú)線系統(tǒng)還必須考慮與協(xié)議的兼容性。目前支持短距離無(wú)線通信系統(tǒng)WLAN 和WPAN 的協(xié)議主要有802.11a 、802.11b、藍(lán)牙和家庭射頻網(wǎng)絡(luò)。由于UWB 具有支持短距離高速率業(yè)務(wù)的特性,它必將用于高速數(shù)據(jù)的傳輸,因此,必須考慮在上述協(xié)議框架內(nèi)MAC 的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

5 　結(jié)束語(yǔ)

UWB技術(shù)因具有在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)、能與其他系統(tǒng)共用頻段等特性而備受關(guān)注。基于UWB 的近距離商用寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)研究已引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注,它將為無(wú)線局域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)的接入技術(shù)提供低功耗、高帶寬并且易于實(shí)現(xiàn)的底層技術(shù)支撐,無(wú)論在創(chuàng)新性還是商業(yè)性上都具有巨大的潛力。但是,這項(xiàng)技術(shù)要真正實(shí)現(xiàn)仍面臨許多挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)在:

(1) 缺少確保UWB 和其他系統(tǒng)共存的明確規(guī)定

由于UWB 發(fā)射的寬帶特性,它必然與同一頻帶內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)發(fā)生互相干擾。影響UWB 對(duì)其它系統(tǒng)影響的因素很多,如:發(fā)射功率、設(shè)備間的隔離、信道傳播特性、調(diào)制技術(shù)、發(fā)射功率、脈沖重復(fù)頻率等,制定合理的UWB 技術(shù)規(guī)范必須綜合考慮這些問(wèn)題。

(2) 尚未形成成熟的由UWB 信號(hào)支撐的物理層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

成熟的物理層、網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)需要接收技術(shù)、同步技術(shù)、信道編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、物理層及網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化策略等多項(xiàng)成熟技術(shù)的聯(lián)合支撐。從前述國(guó)際上的研究進(jìn)展可以看出,針對(duì)未來(lái)無(wú)線局域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)的UWB 系統(tǒng)的上述關(guān)鍵技術(shù)研究才剛剛開(kāi)始,UWB技術(shù)的成熟化、商用化仍面臨許多挑戰(zhàn)。

(3) 低復(fù)雜度抗多徑接收機(jī)的設(shè)計(jì)

在以室內(nèi)環(huán)境為主的近距離無(wú)線傳輸環(huán)境中,接收信號(hào)中將包含更密集的多徑成分。因此,研究采用這兩種多址方式的、考慮多用戶干擾、窄帶干擾、多徑干擾的UWB 最佳接收機(jī)及性能分析具有重要的理論意義。理論上說(shuō),UWB 信號(hào)具有良好的時(shí)間分辨力。但是,反射、衍射、散射現(xiàn)象會(huì)造成波形信號(hào)的失真。同時(shí),UWB 信號(hào)對(duì)散射體的高度敏感性也使接收機(jī)很難充分利用信號(hào)中的多徑成分實(shí)現(xiàn)多徑分集接收。理想的RAKE 接收機(jī)能很好地實(shí)現(xiàn)分集接收,但要求大量的相關(guān)器及瞬時(shí)自適應(yīng)性,這在實(shí)際系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)。因此,研究低復(fù)雜度、易實(shí)現(xiàn)的次最優(yōu)接收機(jī)具有重要的實(shí)用意義。

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