超宽带无线传输技术

摘要:本文主要介绍了超宽带(UWB)无线传输技术的基本原理、特点、关键技术、空间容量等,并对当前的研究成果进行了概况和分析,指出UWB技术作为新兴的无线传输技术,虽具有设备简单,频谱利用率高等诸多优点,但在脉冲信号的产生、信号调制、接收端的信号检测技术等方面仍存在很多问题;与UWB技术相关的标准和规范及相应的物理层、网络层协议的制定仍是UWB商用化的主要障碍。在对UWB技术进行综合分析的基础上,指出UWB商用化面临的主要问题并指明其发展方向。

关键词:超宽带;脉冲位置调制( PPM) ;脉冲幅度调制( PAM) ;随机跳时;多级跳频;直接序列扩频;高斯脉冲;瑞克接收机

超宽带技术又被称为脉冲无线发射技术,是指占用带宽大于中心频率的1/4 或带宽大于1. 5G的无线发射方案。该技术曾被广泛应用于雷达和遥感领域,作为商用无线通信技术目前正受到越来越多的关注。UWB技术既不同于传统的窄带无线传输技术,也不同于3G蜂窝通信中的扩频宽带技术,它不需载波,能直接调制脉冲信号,产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形。其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽。

UWB 信号的宽频带、低功率谱密度的特性,决定了UWB无线传输技术具有以下优势:易于与现有的窄带系统(如全球定位系统( GPS) 、蜂窝通信系统、地面电视等) 共用频段,大大提高了频谱利用率;易于实现多用户的短距离高速数据通信;对多径衰落具有鲁棒性。UWB与其他窄带系统共用频段,必然存在与其他系统间的相互干扰,对UWB信号的合理规范和设计是应用UWB技术的前提。FCC目前正致力于对UWB发射功率的限制规范,使UWB既能与其他系统共用频带又不至于对其他系统产生破坏性干扰。目前,UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用前景已得到了专业界的普遍认可。

1 　UWB 无线传输系统的基本模型

UWB系统的基本模型主要由发射部分、无线信道和接收部分构成。与传统的无线发射、接收机结构相比,UWB 的发射、接收机结构相对简单,易于实现。下面将传统无线系统(以蓝牙为例) 与UWB系统做一个简单的比较。蓝牙是一种低功耗的无线传输技术,它的集成电路是经典的超外差电路,发射机部分包括压控振荡器,锁相环同步器(synth) ,参考振荡器(refosc) ,接收机部分包括低噪放大器(LNA) 、混频器、放大器等。UWB 的发射、接收机结构如图1 所示。

图1 　UWB 发射、接收机框图

因为脉冲产生器只需产生大约100mV的电压就能满足发射要求,因此发射端不需要功率放大器。在接收端,天线收集的信号先通过低噪放大器,再通过一个匹配滤波器或相关接收机恢复出期望信号。由于UWB信号的发射未经载波调制,UWB的接收端不再需要参考振荡器、锁相环同步器、压控振荡器及混频器。显然,UWB的发射、接收机结构比蓝牙更简单。

UWB 的发射机可灵活地调整发射距离。当发射距离增大时,UWB 可以用多个脉冲传一个信号以增加接收端的信噪比。由于UWB 的发射功率与脉冲重复频率成正比,因此可以通过软件对数据率、功耗、发射范围进行管理。这种灵活性非常有利于功率受限的便携式终端的设计。

2 　UWB 无线传输的关键技术

2.1 　可控窄脉冲产生技术
UWB 系统的性能在很大程度上依赖于脉冲信号功率谱密度的平坦性和功率谱覆盖范围,而功率谱的形状又取决于脉冲信号的形状,因此,脉冲信号的设计和产生显得尤为重要。当信号频率接近于零时,天线的发射效率大大下降,因此脉冲信号在接近零频段的信号能量应该很小。这就要求脉冲的形状具有正负对称性,如正弦波和高斯脉冲的倒数。这些脉冲信号的宽度为几纳秒,产生的带宽则高达几兆赫兹。

UWB 最常用的信号脉冲是高斯单循环脉冲。理想的单循环脉冲时域、频域特性如图2 所示。单循环脉冲是宽带信号,中心频率和带宽完全取决于脉冲宽度。高斯单循环脉冲的时域、频域表达式分别为:

式中: t _au表示脉冲宽度。

高斯单循环脉冲的频域表达式为:

单循环脉冲的中心频率是脉冲宽度的倒数,带宽是中心频率的116 %。因此,对于如图2 所示的宽度为0.5ns的脉冲信号,中心频率为2GHz , 带宽大约是2GHz。

图2 　2GHz 中心频率高斯脉冲单循环脉冲的时域图和功率谱图

2.2 　调制技术
目前UWB 采用的调制技术主要是脉冲位置调制( PPM) 和脉冲幅度调制( PAM) 。PPM 能去除UWB 频谱的能量尖峰,使功率谱更加平坦,同时还能实现多址。但规则的单循环脉冲会产生规则分布的能量尖峰,这些能量尖峰会对其它无线系统产生较大的干扰。对脉冲信号进行位置调制,即改变脉冲信号的准确发射时间,使下一时刻的脉冲信号发射提前或滞后一段时间,能使射频能量更均匀的分布在带宽内,使功率谱更平滑,从而减小对其它系统的干扰。然而,这种调制对脉冲的位置变动很小,因此对功率谱的平滑作用也较小。如果用伪随机(PN) 码对脉冲进行调制,可以使信号的频谱类似噪声频谱去除了能量尖峰。每个用户分配一个PN 码,可以同时实现多址,如果接收机没有PN 码的信息,将无法识别信号,从而加强了信号的保密性。

PAM 能有效提高频谱效率,在高斯白噪声信道中具有最佳性能。在多径信道中,据预测多进制PAM 调制表现出更好的性能。因此,为支持基于IP 的多速率业务及提高系统资源利用率,有必要进一步研究适用于UWB 信道的多进制脉冲调制和自适应脉冲调制技术。

2.3 　信号检测技术
信号检测技术主要研究如何提高UWB信号的接收质量。目前实现UWB接收的方法主要有3 种:

(1) 相关或RAKE接收机法
RAKE接收机由一组相关器或匹配滤波器组成,根据接收端所获得的信道信息对信号的多径成分做分集接收,从而提高接收端的信噪比。接收端的信道估计和相关器(或匹配滤波器) 的个数会影响RAKE接收机的性能。相关器个数越多,RAKE接收机的效果越好,但设备的复杂度也越高。

(2) 自相关器接收机法
自相关接收机将接收信号和前一时刻的信号进行相关运算,在慢衰落信道中,不用进行信道估计就能捕获到全部的信号能量。但这种接收机以带噪的信号作为参考信号,接收机的性能会随着信号质量的恶化而恶化。

(3) 采用自适应最小均方误差(MMSE) 算法的多用户检测(MUD) 接收机
RAKE 接收机虽然能有效地接收多径信号,但接收机的复杂度随着路径的增多而增加。采用自适应最小均方误差(MMSE) 算法的多用户检测(MUD) 接收机只接收落在观察窗内的可分离的多径成分,因此复杂度是一定的。而且,采用MMSE 算法能更好地抑制码间干扰。

仿真试验表明,脉冲波形在时域的相关处理可以产生良好的时间分辨性,如RAKE 接收、自相关器接收、最小均方误差多用户接收机都可不同程度地有效克服多径影响、抑制干扰和噪声。为进一步提高接收端的信号质量,空时阵列处理的概念也被尝试运用在UWB 技术中。比如,基于脉冲波形的波束成形可以产生无旁瓣的窄的主波束,从而提高接收机抗多径干扰,共道干扰的能力。但是,这种处理增加了算法和设备的复杂度。因此,在多径环境下,考虑其它系统影响的低复杂度、易于实现并具有较高性能的接收技术依旧是UWB的核心问题。

3 　UWB 无线传输系统的性能分析

正如第2 节所述,UWB可以采用多种不同的调制方式。本节将以脉冲幅度调制( PAM)为例,定量分析UWB系统的误码率、信噪比及吞吐量与距离之间的关系。对系统做如下假设:噪声为加性高斯白噪声;编码后的BER为10^{- 5}～10^{- 9} ;发射功率谱密度限制在-41dBm/MHz ;工作带宽为2. 5 GHz ;中心频率为3. 75 GHz ;信道模型为自由空间传播模型,即L(d) = 20lg (4π/λ)+20lgd 。M-PAM 系统的符号错误率为:


比特错误率为:

式中: M = 2 k ;γb 为每比特信噪比,dB。由于每个符号由k 个比特组成,每符号信噪比为kγb 。
为了更好地表示脉冲带宽和脉冲重复频率之间的关系,每符号信噪比可用下式表示:

式中: Pave = B_sP_sd为平均发射功率; P_sd为FCC 所规定的平均功率谱密度; B_s 为发射脉冲带宽;η₀ 是噪声功率谱密度; B_p=1/T_p为脉冲重复频率; N_s = B_s/ B_p 为脉冲处理增益。
由式(5) 可见,增加脉冲带宽或减小脉冲重复频率可以提高系统信噪比。用式(3) 和(4) 可以得到对于用不同进制的PAM 调制,未编码误码率达10^{- 3}时所需的比特信噪比和符号信噪比。从表1 可看出,PAM 的进制数越高,所需的信噪比越大,因此,高进制的PAM 调制虽然频谱效率高,但不省功率。




图3 　M-PAM系统中基于UWB的容量曲线

从式(5)可以看出,当要求的信噪比增加时,如果要保持发射功率不变,就必须增大符号间隔,而这将导致数据率的下降。通过自由空间信道模型公式可以得到如图3所示的吞吐量与距离的关系。显然,传播距离越近,UWB能提供的吞吐量越大。当然,还有许多其它的方法可以改善距离与吞吐量之间的关系,如增加天线增益,提高编码效率等。

同时,从图3中还能看出,在白噪声信道中,高进制的PAM调制并不能提高系统吞吐量,因为对于UWB系统而言,频谱由脉冲形状, 而不是由符号速率决定。因此, 对于AWGN信道,低阶的PAM调制能产生更好的性能。但是,如果考虑多径信道,2 - PAM 系统更易遭受码间干扰,使吞吐量受限,而M - PAM系统由于脉冲重复周期大,受码间干扰的影响相对较小。另外,信道传播模型和多径模型也将影响系统性能。有效合理的信道模型将更有利于预测UWB 系统的性能。

4 　UWB的规范和标准问题

由于UWB具有宽带特性,必然会对其它窄带系统产生干扰,因此,FCC目前正致力于对UWB发射的规划以确保它的合法性。只有制定出合理规则,才能使UWB既能有效利用可用带宽,又不会对占用这些频段的系统造成破坏性干扰。图4 显示了在超过2GHz 的频段内,NPRM 对UWB 的发射功率谱密度的限制。


图4 　NPRM 限制下的功率谱密度

从图中可以看出,UWB系统功率发射需要考虑两个重要方面。①UWB对其他的共用频段系统的干扰是一种宽带干扰,相当于提高窄带系统的背景噪声。这种干扰一旦超标,其他的窄带系统将无法正常工作。所以,UWB的发射功率谱密度必须远远低于其它窄带系统的功率谱密度。为了保护全球定位系统( GPS) , FCC 考虑在2GHz 以下采用更低的功率谱密度,但目前还没有定义出明确的上界。

②UWB系统也可能受到来自其他系统的强窄带干扰。为了有效地抑制这些窄带干扰,需要采用自适应的干扰抑制方案,这也是目前有待解决的问题。影响UWB和其他窄带系统间相互作用的因素有很多,如:设备间的隔离、信道传播损耗、调制技术、脉冲重复频率、天线增益等。如前所述,对脉冲进行位置调制,可以减少能量尖峰,使功率谱更加平坦,从而减小对其他系统的干扰。

FCC对UWB系统的功率规划才刚刚开始。一个可操作的、与其他系统共存的无线系统还必须考虑与协议的兼容性。目前支持短距离无线通信系统WLAN 和WPAN 的协议主要有802.11a 、802.11b、蓝牙和家庭射频网络。由于UWB 具有支持短距离高速率业务的特性,它必将用于高速数据的传输,因此,必须考虑在上述协议框架内MAC 的设计问题。

5 　结束语

UWB技术因具有在短距离内高速传输数据、能与其他系统共用频段等特性而备受关注。基于UWB 的近距离商用宽带无线传输技术研究已引起了国际上的广泛关注,它将为无线局域网和个域网的接入技术提供低功耗、高带宽并且易于实现的底层技术支撑,无论在创新性还是商业性上都具有巨大的潜力。但是,这项技术要真正实现仍面临许多挑战。具体表现在:

(1) 缺少确保UWB 和其他系统共存的明确规定
由于UWB 发射的宽带特性,它必然与同一频带内的其它窄带系统发生互相干扰。影响UWB 对其它系统影响的因素很多,如:发射功率、设备间的隔离、信道传播特性、调制技术、发射功率、脉冲重复频率等,制定合理的UWB 技术规范必须综合考虑这些问题。

(2) 尚未形成成熟的由UWB 信号支撑的物理层、网络层协议
成熟的物理层、网络层标准需要接收技术、同步技术、信道编码技术、调制技术、物理层及网络层的优化策略等多项成熟技术的联合支撑。从前述国际上的研究进展可以看出,针对未来无线局域网、个域网的UWB 系统的上述关键技术研究才刚刚开始,UWB技术的成熟化、商用化仍面临许多挑战。

(3) 低复杂度抗多径接收机的设计
在以室内环境为主的近距离无线传输环境中,接收信号中将包含更密集的多径成分。因此,研究采用这两种多址方式的、考虑多用户干扰、窄带干扰、多径干扰的UWB 最佳接收机及性能分析具有重要的理论意义。理论上说,UWB 信号具有良好的时间分辨力。但是,反射、衍射、散射现象会造成波形信号的失真。同时,UWB 信号对散射体的高度敏感性也使接收机很难充分利用信号中的多径成分实现多径分集接收。理想的RAKE 接收机能很好地实现分集接收,但要求大量的相关器及瞬时自适应性,这在实际系统中很难实现。因此,研究低复杂度、易实现的次最优接收机具有重要的实用意义。