超寬帶無(wú)線通信技術(shù)解析

1、超寬帶無(wú)線通信技術(shù)摘要：超寬帶(UWB具有傳輸速率高、通信距離短、平均發(fā)射功率低等 特點(diǎn)，非常適合于短距離高速無(wú)線通信。文章對(duì) UWB勺發(fā)送接收技術(shù)和信道建 模方式進(jìn)行了討論，指出UWB將定位于各種消費(fèi)類電子設(shè)備和終端間的高速無(wú) 線連接。對(duì)于IEEE的UW標(biāo)準(zhǔn)，文章認(rèn)為由于目前形成了脈沖無(wú)線電和多頻帶 正交頻分復(fù)用(OFDM兩大方案，因此最終采用哪種方案還需等待。關(guān)鍵詞： 超寬帶；脈沖無(wú)線電；無(wú)線個(gè)域網(wǎng)無(wú)線技術(shù)在通信發(fā)展進(jìn)程中一直扮演著重要角色。伴隨著移動(dòng)通信十幾年來(lái)的蓬勃發(fā)展以及3G B3G等概念的日益普及，無(wú)線家族中的另一成員一一短距離寬帶無(wú)線接入技術(shù)近年來(lái)異軍突起。從藍(lán)牙、HomeR倒I

2、EEE 802.11(即Wi-Fi)系列，越來(lái)越多的人開(kāi)始感受到了短距離無(wú)線通信技術(shù)所帶來(lái)的諸多便捷，甚至有人認(rèn)為短距離無(wú)線通信技術(shù)具有與3G抗衡之勢(shì)。超寬帶(UWB)技術(shù)是目前備受關(guān)注的一種新型短距離高速無(wú)線通信技術(shù)。多年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)一直在軍事領(lǐng)域中使用。 UWE在民用領(lǐng)域開(kāi)放后，有望憑借其超高的傳輸速度和低功率、低成 本等優(yōu)勢(shì)給短距離無(wú)線接入市場(chǎng)注入新的活力。1 UWB的特點(diǎn)應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域的 UWB是一種低功率的無(wú)線電技術(shù)。按照2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)在向民用領(lǐng)域開(kāi)放 UWB寸的定義，超寬帶技術(shù)指的是信號(hào)相對(duì)帶寬(即信號(hào)帶寬與中心頻率之比)不小于0.2或絕對(duì)帶寬不小于 5

3、00 MHz，并使用指定的 3.1 GHz10.6 GHz頻段的通信方式。與其他傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)相比較，UWB勺技術(shù)特點(diǎn)主要有：(1) 傳輸速率高UWB系統(tǒng)使用上千兆赫茲的超寬頻帶，所以即使把發(fā)送信號(hào)功率譜密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 Mb/s500 Mb/s的信息速率。根據(jù)仙農(nóng)信道容量公式，如使用 7 GHz帶寬，那么 即使信噪比低至 -10 dB ，理論信道容量也能達(dá)到 1 Gb/s1， 因此實(shí)際中實(shí)現(xiàn) 100 Mb/s 以上的速率是完全可能的。(2) 通信距離短 由于隨著傳播距離的增加高頻信號(hào)強(qiáng)度衰減太快，因此使用超寬頻帶的系統(tǒng)更適合于進(jìn)行短距離通信。理論分析表明，當(dāng)收發(fā)機(jī)之間

4、的距離大于12 m時(shí)，UWB勺信道容量低于傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)。(3) 平均發(fā)射功率低在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通?？勺龅降陀? mW這是通過(guò)犧牲帶寬換取的。FCC規(guī)定UWBl勺發(fā)送功率譜密度必須低于美國(guó)放射噪音規(guī)定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來(lái)說(shuō)相對(duì)于其他通信系統(tǒng)UWB 言號(hào)所產(chǎn)生的干擾僅相當(dāng)于一寬帶白噪聲。所帶來(lái)的好處體現(xiàn)在兩方面：一是可使 UWB系統(tǒng)與同頻段的現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)保持良好共存性，這對(duì)于提高無(wú)線頻 譜資源的利用率，緩解日益緊張的無(wú)線頻譜資源大有好處；二是使得UWB言號(hào)隱蔽性好，不易被截獲，保密性高。(4) 多徑分辨率極高由于UWB采用持續(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，

5、其時(shí)間、空間分辨力都很強(qiáng)，因此系統(tǒng)的多徑分辨率 極高(1 ns 脈沖的多徑分辨率為 30 cm) ，接收機(jī)通過(guò)分集可以獲得很強(qiáng)的抗衰落能力，同時(shí)在 進(jìn)行測(cè)距、定位、跟蹤時(shí)也能達(dá)到更高的精度。值得一提的是，窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透各種障 礙物的能力，例如墻壁和地板，因此UWB具有比紅外通信更為廣泛的應(yīng)用。(5) 適合于便攜型應(yīng)用傳統(tǒng)的UWBi術(shù)使用基帶傳輸，無(wú)需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào)，由此帶來(lái)的好處是設(shè)備的功耗 小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無(wú)線應(yīng)用。歸根溯源，從頻域上來(lái)看，UWB勺諸多優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的GSM IS-95、3G等通信系統(tǒng)。因此，UWB勺技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

6、與傳統(tǒng)的窄帶通信方式有很大差別。2 UWB的實(shí)現(xiàn)2.1 脈沖無(wú)線電脈沖無(wú)線電形象地說(shuō)明了UWBt接發(fā)射窄脈沖進(jìn)行通信的特點(diǎn)。將傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)與脈沖無(wú)線電的收發(fā)機(jī)進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方式上的明顯差別。窄帶系統(tǒng)一般采用正 弦載波調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，信道上傳輸?shù)氖巧漕l已調(diào)信號(hào)，接收機(jī)需要經(jīng)過(guò)逐級(jí)下變頻之后再 進(jìn)行解調(diào)，以恢復(fù)原始信息；脈沖無(wú)線電則是直接將經(jīng)過(guò)頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發(fā)射出 去，信道上傳輸?shù)氖腔鶐盘?hào)，接收機(jī)主要是一個(gè)相關(guān)檢測(cè)器，結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單 得多。為了使天線把信號(hào)能量有效地輻射出去，必須對(duì)所用脈沖的頻譜特性提出一定的要求( 即不含直流分量，低頻分量少，信號(hào)能

7、量主要集中在射頻部分)。因此，脈沖無(wú)線電采用高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖波形，通過(guò)選擇脈沖寬度和階數(shù)獲得不同的帶寬及中心頻率位置。通過(guò) 分析可以發(fā)現(xiàn)，高斯各階導(dǎo)的 10 dB 帶寬大致可以近似為脈沖寬度倒數(shù)的兩倍。因此當(dāng)脈沖寬 度低于1 ns時(shí)，就能獲得超過(guò) 2 GHz的帶寬。中心頻率的位置會(huì)隨著求導(dǎo)次數(shù)的增加而逐漸上 移。與實(shí)際傳輸速率所對(duì)應(yīng)的符號(hào)周期相比，這種納秒級(jí)乃至亞納秒級(jí)的脈沖寬度往往小了幾個(gè) 數(shù)量級(jí)，因此脈沖無(wú)線電傳輸?shù)氖且环N低占空比的信號(hào)。利用這一特點(diǎn)，系統(tǒng)中常常使用多個(gè) 脈沖來(lái)傳遞一個(gè)符號(hào)，從而獲得附加處理增益。例如假定傳輸速率為 10 Mb/s ，脈沖寬度為 0.5 ns，

8、脈沖重復(fù)頻率(PRF)為100 Mp/s，則一個(gè)符號(hào)可以擴(kuò)散到10個(gè)脈沖上重復(fù)發(fā)送，附加處理增益將為 10 dB ，再考慮到 20 倍的占空比增益，系統(tǒng)獲得的總處理增益將達(dá)到 13 dB+10 dB=23 dB。這種處理方式在實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)的好處是在保持系統(tǒng)脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率不變的情況下， 通過(guò)改變附加處理增益可以靈活地調(diào)整傳輸速率的高低，實(shí)現(xiàn)可變速率。鑒于系統(tǒng)對(duì)功率有效性的要求比較高，脈沖無(wú)線電的調(diào)制方式一般采用二進(jìn)制的脈沖相位調(diào)制(PPM)或二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)。在多址接入方式上，有跳時(shí)擴(kuò)頻(TH-SS)和直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)兩種方式可選。典型的組合方案是TH-PPM和DS-B

9、PSK相比較而言，TH-SS的優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒(méi)有DS-SS那么高，因?yàn)橹挥挟?dāng)不同用戶的信號(hào)脈沖正好在位置上岀現(xiàn)重疊時(shí)遠(yuǎn)近效應(yīng)才會(huì)體現(xiàn)岀來(lái)，從而降低了對(duì)功率控制的要求。這也許是早期的UWB系統(tǒng)在信號(hào)占空比很低的條件下選用了TH-SS的重要原因2。不過(guò)，隨著對(duì)傳輸速率的要求越來(lái)越高，信號(hào)占空比勢(shì)必要大大增加，TH-SS的優(yōu)勢(shì)已不明顯，因此DS-SS方案現(xiàn)在重新受到研究人員的重視。信號(hào)的功率譜密度特性也是決定發(fā)送方案的一個(gè)重要因素。理想的UWB言號(hào)應(yīng)該近似白噪聲，即功率譜密度(PSD)應(yīng)該為平坦的且幅度越低越好，這樣才不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)造成明顯 的干擾。周期性窄脈沖的PSD由離散譜

10、線構(gòu)成，加上PPM調(diào)制之后，功率譜得到一定的平滑，不過(guò)更強(qiáng)的平滑作用是通過(guò)偽隨機(jī)跳時(shí)碼實(shí)現(xiàn)的，而且平滑特性的好壞與偽隨機(jī)碼的選擇密切 相關(guān)3。如果采用BPSK調(diào)制，由于信號(hào)均值為零，功率譜中不含離散譜線，完全由高斯脈沖 的頻譜決定，其平坦度與白噪聲仍有很大差距，也要通過(guò)偽隨機(jī)序列進(jìn)行平滑。因此，近來(lái)的 一個(gè)研究熱點(diǎn)就是如何通過(guò)選擇調(diào)制和多址接入方式的組合及設(shè)計(jì)理想的偽隨機(jī)序列來(lái)獲得更 好的功率譜密度特性 1 。2.2 UWB 信道建模UWB信道不同于一般的無(wú)線衰落信道。例如，傳統(tǒng)上一般用Rayleigh分布來(lái)描述單個(gè)多徑分量幅度的統(tǒng)計(jì)特性，前提是每個(gè)分量可以視為多個(gè) (例如大于 10)同時(shí)到達(dá)

11、的路徑合成。但是 UW阿分離的不同多徑到達(dá)時(shí)間之差可短至納秒級(jí)，每個(gè)多徑分量包含的路徑數(shù)很可能只有23條，顯然已經(jīng)不符合 Rayleigh分布的假定4 6。同時(shí)由于強(qiáng)烈的散射效應(yīng)，UWB言道上的多徑分量呈現(xiàn)岀成組到達(dá)的特征。在典型的室內(nèi)密集多徑環(huán)境下，接收波形的時(shí)延擴(kuò)展很大， 例如比較極端的情況下，一個(gè)脈沖寬度為2 ns的信號(hào)通過(guò)UWB言道之后接收波形竟可持續(xù)230ns7 。這些特點(diǎn)反映到頻域上，則可以看到由于信號(hào)分量橫跨了吉赫茲的頻率范圍，頻率選擇 性衰落的特征極為明顯。對(duì)UWB言道的建?？梢栽跁r(shí)域或頻域上進(jìn)行，目前最常采用的仍是一種離散的延遲線模型， 即：其中L代表最大可分離的多徑數(shù)，T

12、n和gn分別代表第n條路徑的延遲和幅度衰落系數(shù)。根據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，研究人員得出以下結(jié)論：室內(nèi)信道的均方根(RMS)時(shí)延擴(kuò)展為2030 ns，無(wú)視距分量的情況下會(huì)更高。(2) 最大時(shí)延擴(kuò)展小于 250 ns ；多徑強(qiáng)度譜 E|gn|2 屬于非均勻分布，滿足指數(shù)衰減特性。(3) 幅度衰落系數(shù) gn 滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布 (標(biāo)準(zhǔn)偏差為 35 dB) 。研究表明，隨著測(cè)試脈沖寬度的增加(在3 ns左右時(shí))，多徑分辨率隨之降低， gn的分布將從對(duì)數(shù)正態(tài)分布逐步演變?yōu)?Nakagami 分布。顯然，如果進(jìn)一步增加脈寬，當(dāng)每個(gè)多徑分量包含的路徑數(shù)足夠多時(shí)，gn 的特性仍將會(huì)回到 Rayleigh 分布上去。

13、(4) 多徑到達(dá)時(shí)間 T n 符合泊松分布，具有多徑分量的成組到達(dá)特性。2.3 UWB 接收技術(shù)盡管UWB言道的時(shí)延擴(kuò)展很大，但是在信號(hào)占空比很低的情況下，前后兩個(gè)接收波形之間的 干擾可以忽略不計(jì)，因此早期的UWE接收機(jī)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只是一個(gè)等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時(shí)為了降低對(duì)器件模數(shù)變換器(ADC)變換速率的要求，相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。但是當(dāng)對(duì)傳輸速率的要求達(dá)到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對(duì)接收信 號(hào)的影響變得嚴(yán)重起來(lái)。接收信號(hào)幅度上的衰落需要通過(guò)RAKE接收機(jī)收集足夠豐富的多徑分量來(lái)克服；另一方面，信號(hào)的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號(hào)間

14、干擾 (ISI)問(wèn)題也必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮。一種比較理想的解決方案應(yīng)該是RAKE均衡，通過(guò)RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時(shí)利用均衡來(lái)消除符號(hào)間干擾。目前對(duì)接收機(jī)在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通常基于RAKE接收機(jī)8。在具體實(shí)現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可用，例如選擇信號(hào)最強(qiáng)的L 條路徑或是最先到達(dá)的 L 條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實(shí)現(xiàn)難度較大。從仿真結(jié)果來(lái) 看，就UWB言道特性而言，選擇 46條路徑進(jìn)行合并已可獲得接近最佳的性能。同步也是接收機(jī)中值得關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，在高速應(yīng)用中，快速同步的實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵。如果采 用最大比合并方式，接收機(jī)還需

15、要進(jìn)行信道估計(jì)。盡管有窄帶通信系統(tǒng)中的許多算法可以借 鑒，但需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，在UWB系統(tǒng)特有的信道環(huán)境下，對(duì)同步和信道估計(jì)都提岀了更高的要求，再考慮到有限抽樣速率下的實(shí)現(xiàn)精度和算法復(fù)雜度問(wèn)題，同步和信道估計(jì)都還需要進(jìn)行 更深入地研究。3 UWB的應(yīng)用憑借著短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率這一巨大優(yōu)勢(shì)，UWB進(jìn)軍民用市場(chǎng)之初就將其應(yīng)用定位在了無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN上?，F(xiàn)有的各種無(wú)線解決方案(例如3G802.11、藍(lán)牙等)的速率均低于 100 Mb/s，UWB則在10 m左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制。這 樣一種小范圍內(nèi)的通信，特別是高速通信，通常是用有線連接來(lái)完成的，而UWB勺

16、應(yīng)用將使得人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。家中的臺(tái)式電腦不再需要各種線纜分 別連接顯示器、打印機(jī)和掃描儀，攝像機(jī)向電視實(shí)時(shí)輸送錄像也代之以高速無(wú)線連接，這將會(huì) 給人們的生活帶來(lái)極大的便利。人們也可以用同樣的技術(shù)來(lái)幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解 救那些被圍困在倒塌建筑物里面的人們，甚至防止汽車(chē)相撞。類似的應(yīng)用將會(huì)層出不窮，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過(guò)人們目前的想象空間。就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)推斷，UWB勺應(yīng)用將主要集中在以下幾個(gè)方面：(1) 各種移動(dòng)設(shè)備之間的高速信息傳輸，例如PDA MP3可視電話、3G手機(jī)等設(shè)備之間的短距離點(diǎn)到點(diǎn)通信，包括多媒體文件傳輸、游戲互動(dòng)等。桌面PC機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)

17、備與各種外設(shè)之間的無(wú)線連接，例如與打印機(jī)、掃描儀、 存儲(chǔ)設(shè)備等的無(wú)線連接。(3)數(shù)字電視、家庭影院、DVD機(jī)、投影機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)頂盒等家用電子設(shè)備之間的可視文件和數(shù)據(jù)流的傳輸?？傊?，UWB定位于各種消費(fèi)類電子設(shè)備和終端間的高速無(wú)線連接。由于消費(fèi)類電子設(shè)備很 多，決定了 UWB勺應(yīng)用將非常廣泛。UWB技術(shù)專家們預(yù)計(jì)到 2006年，UWB技術(shù)將帶來(lái)10億美元 的市場(chǎng)銷(xiāo)售額。4 UWB的標(biāo)準(zhǔn)化巨大的市場(chǎng)誘惑力吸引了眾多通信廠商對(duì)UW豉術(shù)的關(guān)注。IEEE 802.15.3 SG3a 工作組于2002年1月成立，旨在為面向 WPAN應(yīng)用的IEEE 802.15.3 標(biāo)準(zhǔn)制定岀高速物理層補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn) IEE

18、E 802.15.3a，UWB勺標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程由此開(kāi)始。工作組在標(biāo)準(zhǔn)提案征求書(shū)中提岀的系統(tǒng)指標(biāo)是：(1) 使用FCC開(kāi)放的3.1 GHz10.6 GHz頻段，發(fā)送信號(hào)的功率譜密度低于-41.3 dBm/MHz。(2) 目標(biāo)速率為 10 m 距離上實(shí)現(xiàn) 110 Mb/s ， 4 m 距離上實(shí)現(xiàn) 200 Mb/s 以及 1 m 距離上實(shí)現(xiàn) 480 Mb/s 。(3) 支持 4 個(gè)不同步的微微網(wǎng)同時(shí)工作2003年3月，SG3a工作組如期收到 23個(gè)提案。經(jīng)過(guò)協(xié)商討論，在2003年7月的會(huì)議上,這些提案最終融合成了兩大方案，即傳統(tǒng)的脈沖無(wú)線電方案和多頻帶正交頻分復(fù)用（OFDM）方案。前一方案的倡導(dǎo)者多是早期投身超寬帶無(wú)線通信研究與開(kāi)發(fā)的中小公司，以美國(guó)MSSI、XtremeSpectrum公司等為代表，它們擁有大量脈沖無(wú)線電方面的發(fā)明專利，在UWBl勺應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)程中已先行一步。一些傳統(tǒng)的通信大公司顯然不愿意受到這些專利的制約，于是另起爐灶， 完全摒棄了無(wú)載波窄脈沖的思想，又回到傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)上，提出將可用的7.5 GHz 頻段劃分成十幾個(gè)500600 MHz左右的子頻帶，在每個(gè)子頻帶上采用OFDM術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線通信的方案。出于商業(yè)利益的爭(zhēng)奪，兩種方案的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，在2003 年 7月、