UWB-OFDM系统中的一种改进方法

摘要：提出了一种超宽带-正交频分复用(ultra wideband-orthogonal frequency-division muctiplexing，UWB-OFDM)系统的改进方案。该方案在不改变现有IEEE802.15.3a协议的基础上支持多速率业务，并依据重复数据不再统计独立而具有良好的相关特性这一特点，提出了一种简便高效的多速率检测方法。仿真结果表明：这种改进方法，在UWB信道下具有优异性能。

关键词：超宽带；超宽带-正交频分复用；系统模型；多速率检测

概述

UWB技术
现代意义上的UWB数据传输技术出现于20世纪60年代。20世纪70年代获得了重要的发展，其中，多数集中在军用雷达系统。到20世纪80年代后期，该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电(impulse radio，IR)。关于UWB的定义可从信号相对带宽和信号绝对带宽2个参数进行考察。绝对带宽是指信号在-10dB点最高频率与最低频率之差；相对带宽是指绝对带宽与信号中心频率的比值。1989年，美国国防部高级计划署定义UWB为相对带宽≥25%或绝对带宽≥1.5GHz。2002年，联邦通信委员会(federal communication commission，FCC)对超宽带赋予新定义，任何绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号均称超宽带。

与现有的窄带系统相比，超宽带信号具有极宽的带宽(500MHz以上)，可提供极高的数据速率(几百兆比特每秒至吉比特每秒数量级)；超宽带系统具备低功耗特点，同时大大降低了对窄带系统干扰，使超宽带系统与窄带系统有很好的共存性；超宽带系统还具有检测概率低、保密性强、分辨多径的能力极强等特点。超宽带非常适合短距离高速通信，随着传输距离增加，其优势将不复存在。对覆盖半径为10m范围的无线个域网(WPAN)，超宽带是理想的选择。由于超宽带信号具有丰富的频率成分，使其具备较强穿透能力，纳秒级时域分辨率赋予超宽带信号精确定位的能力，这无论对超宽带通信系统的自适应，还是超宽带雷达探物、成像、定位都是极为理想的特性。

基于OFDM技术的UWB实现
对于高速据速率的UWB应用来说，性能、复杂度和系统灵活性是关键因素。UWB系统的性能决定于它的抵抗多径干扰、窄带干扰和UWB干扰的能力。正交频分复用(OFDM)系统具有带宽利用率高、能对抗窄带干扰和多径干扰、带宽安排灵活(这一点很重要)这些特点，故利用OFDM技术可实现UWB。

OFDM-UWB基本思想是：
1)把频带(3.1GHz～10.6GHz)分成14个528MHz子带；
2)每一个子带用OFDM调制(128-point IFFT/FFT，QPSK)；
3)信息比特跨带交织，对多径和干扰具有鲁棒性；
4)60.6ns prefix即使在最坏的信道环境下对多径仍具有鲁棒性；
5)9.5ns guardinterval提供足够的时间供频带之间的交换。

它支持的信息速率为：53.3Mb/s，80Mb/s，110Mb/s，160Mb/s，200Mb/s，320Mb/s，480Mb/s，目前重点放在实现前3个子带(3.1～4.8GHz)。

UWB-OFDM系统多速率改进

尽管多带联盟(MBOA)已经公布了UWB-OFDM物理层实现方案，但其关键理论和技术正处于发展阶段。该方案没有考虑资源的自适应分配问题，没有充分利用OFDM系统具有带宽利用率高、能对抗窄带干扰和多径干扰、带宽安排灵活这些特性；FCC对UWB设备的发射功率谱有严格的限制，方案也没有考虑功率的自适应分配问题；UWB的致命缺点是其通信距离太短(10m内)，该方案也未提及怎样通过资源的自适应利用来提高其通信距离，因此，提出UWB产品的适应能力问题。

UWB业务流包括数据、声音、视频流，尽管UWB-OFDM仅支持53.3～480Mb/s有限的几个数据速率，但实际上，基于通信质量的考虑，有时并不需要如此高的数据速率。由于无线多媒体业务有不同的速率传输要求，支持更多的数据速率是实际通信系统的重要和必备特征。需要改变数据传输速率的情况有：①不同速率的业务需要；②不改变发射功率的情况下，降低数据速率，换取误码性能改善或通信距离增加；或通信距离和误码率不变的情况下，降低数据速率，换取发射功率下降。

再考虑FCC对UWB有严格的发射功率谱限制，合理利用功率显得十分重要。因此依据无线个域网(WPAN)物理层标准(802.15.3a)，本文提出一种改造办法，在基本不改变系统复杂度和信令结构的情况下，使系统支持更多种数据速率，同时实现多速率检测、信道空闲估计(clear channel assessment，CCA)。下面以802.15.3a物理层协议为基础，以200Mb/s数据速率为例，进行系统设计，如图1所示。

图1　UWB-OFDM系统发射接收机结构

图1结构中，在数据源端加入一个数据“重复”模块，根据重复次数不同，使得实际的数据速率发生变化；接收端加入一个模块完成多速率检测、解重复和CCA功能，CCA的作用是判断信道是否空闲，决定设备是否进入休眠状态，从而进一步节省设备功率；UWB信道采用S-V模型；OFDM调制采用128-point IFFT/FFT。

改造以后，200Mb/s模式便支持200Mb/s，100Mb/s，50Mb/s，25Mb/s等数据速率，可以支持无线局域(WLAN)中的数据业务，使UWB设备的适应性和竞争力加强。

多速率检测

在不改变系统信令结构的情况下，接收端必须首先检测实际的数据传输速率，即为多速率检测问题。下面对此问题进行数学分析。

在UWB-OFDM系统中，每528MHz带宽划分为128个子信道，再加上60.6ns的零前缀(ZP)，可以忽略多径产生的影响，所以每个子信道可以看成独立衰落的Rayleigh信道。为分析简便，以128作为一个数据单元。

数据源：{d_k，k=1，2，…，128}，如果数据不重复，接收信号r_k表示为r_k=g_kd_k+n_k，k=1，2，…，128 (1)

式中：g_k是子信道增益；n是独立同分布的白高斯噪声。如果数据重复，则接收信号r_k的情况见表1，

表1　数据重复对接收信号r_k的影响

数据源速率Sp_i重复它的数据p_i次后为p_i=2i-1，i=1，2，3，4 (2)

数据源d_k经过p_i次重复后变成S_k(k=1，2，…，128p_i)

S_(k-1)p_i+1=S_(k-1)p_i+2=…=S_kpi=d_k (3)

重复数据进行同样的OFDM传输：

r_k=g_kS_k+n_k，　k=1，2，…，128，… (4)

从上面可以看出，数据源{d_k}是统计独立的，d_k服从N(0，δ²d)，但是数据重复后，由式(3)可知，重复的数据块具有极好的相关性，正是这种相关性携带了速度信息。

从接收数据中取出N位(N最好能被128整除)来分析。假定该数据速率是Sp_i，数据重复p_i次。把N位数据分成N_i=N/p_i个数据块，每个数据块可表示为r_i(n)=g_i(n)d_n+n_i(n)　n=1，2，…，N_i (5)

式中：r_i(n)、g_i(n)、n_i(n)分别是长度为p_i的接收数据向量、信道增益向量和噪声向量。

现定义数据块的相关矩阵，接收信号和子信道增益的相关矩阵分别为

经推导得R_i=δ²_dG_i+δ²_nI_i (7)

式中：I_i是p_i阶单位阵；G_i反映了子信道的衰落特性。

不知道p_i情况下，假设pi>1，把R_i分成4个块，每一个块的大小为p_i-1×p_i-1

式中：R_i-1,12=R_i-1,21它是r_i(n)分成p_i-1长度的2块后的互相关。

假定把接收数据分为p_i长度的数据块，当实际传输数据的重复次数大于等于p_i时，式(8)非零；当传输数据的重复次数小于p_i时，由于数据源{d_k}的统计独立性，R_i-1,12=R_i-1,21=0，利用这个特性来判断数据源速率。

以上分析利用了相关特性进行多速率检测，但属于信号模拟情况下的设计，需要计算复共轭相关，计算量大，对于高数据速率的UWB-OFDM系统不太适用。因为UWB-OFDM系统数据速率调整频率不会太高，这里可在接收端解码后的数字部分先进行快速多速率检测，再去调整接收端的接收方式，把Rayleigh衰落{g_k}和噪声的影响都转化为误比特率Pe对多速率检测的影响。这样只有{1,-1,0}这些数的相乘与求和运算，从而极大地降低了运算难度。具体算法如下。

数据源：{d_k，k=1，2，…，M}，d_k∈{-1，1}且P_-1=P₁=0.5，数据重复率为p_r={1，2，4，8}，接收数据为{r_k，k=1，2，…，N}，N=p_rM取足够大时，定义

理想情况下，由式(9)有重复8次，速率

Sp₈:S₈=S₄=S₂=S₁/2=N/2
Sp₄:S₈=0　S₄=S₂=S₁/2=N/2
Sp₂:S₈=S₄=0　S₂=S₁/2=N/2
Sp₁:S₈=S₄=S₂=0　S₁/2=N/2

Sp₈:S₈≈S₄≈S₂>T_h　S₁=N
Sp₄:S₈h　S₄≈S₂>T_h　S₁=N
Sp₂:S₈≈S₄h　S₂>T_h　S₁=N
Sp₁:S₈≈S₄≈S₂h　S₁=N
无信号：S₁h

T_h是设置的判决门限，它的取值会影响多速率判决的准确度。依据上面分析，设计如下判决流程，如图2。

图2　多速率判决流程

计算机仿真结果分析

仿真是基于UWB的S-V信道模型CM3信道，系统模型依据UWB-Multiband OFDM_200Mb/s模型设计。

门限值的选择
从图2可知：判断数据速率是依据S₂，S₄，S₈这些互相关值。

图3的数据在E_b/n₀=6dB，BER约为10%的情况下得到。

图3　重复4次的S_i值分布

从图上可以看出，尽管误码率比较高，且每帧长度N不够长(128位)，如果选择合适的T_h，会很好地满足Sp₄:S₈h，S₄≈S₂>T_h而正确判断出是Sp₄。

无误码存在的情况下，S₂，S₄，S₈的值为0或N/2，理想的门限为Th_theory=(0+N/2)=N/4 (10) S₂，S₄，S₈的噪声容限的值是N/4。

有误码的情况下，依据误码率不同，门限应选在N/4左右(128/4=32)，此处误码率较高，从图3可看出，选在20帧左右能获得较好的PDE(probabilityof detection error)。

先确定一个判决门限T_h=22，其他条件不变，改变E_b/n₀，也就是改变BER，看它对PDE的影响。从图4中可以看出，随着E_b/n₀的增加，BER下降，误检率PDE也下降，但出现了“地板”效应，即后来随着E_b/n₀的增加PDE基本不变。

图4　SNR(即BER)的影响

这是由于计算帧长为128位所限，128位数字码中，{1，-1}的数目并不相等，正负极性也不是严格交错进行。图5是BER极小、数据重复2次时S_i的分布，S₂=N/2=64，S₄，S₈呈均值为0的噪声分布。

图5　BER极小，数据重复2次时S_i的分布

如果把T_h提高，且大于理论值N/4，或者增大计算帧长N的值来降低S₄，S₈的方差，以提高噪声容限达到N/4，则会显著地改善PDE性能。

计算帧长的选择
计算帧长如果取得较短，则不能满足帧内数据{1，-1}独立随机分布的特性；如果取得较长，则判断一次所需时间增大，所以需要折衷考虑。

图6给出了帧长为n×128时计算帧长为DER的影响曲线。

从图6可以看到，在信号模型3下、E_b/n₀=6dB、BER约为10%的情况下(这已经是比较差的情况)，计算帧长提高n倍(相应的Th也提高n倍)，对PDE的影响非常大：取计算1次帧长为N=4×128时，能取得很好的性能；取N=6×128时，对数据速度的判决几乎没有错误。以此证明了该方法的优越性。

图6　计算帧长对DER的影响

结论

UWB-OFDM系统的关键理论和技术正处于发展阶段，限于篇幅，本文重点讨论了UWB-OFDM系统中的多速率设计和检测方案。通过上述分析，可得出如下结论：
1)UWB-OFDM系统的多速率设计，提高了该系统支持多种速率业务的能力，提高了产品的竞争力和灵活性。
2)UWB-OFDM系统有极高的数据速率，牺牲数据速率以换取误码率，或通信距离增益，或发射功率下降，易被理解，该设计是合理的。
3)通过数据重复(相当于在OFDM的128个子信道上重复传递)极简单地实现了实际数据速率的改变，而并不改变信道的传信率，对原系统影响较小。
4)设计了一种新颖的多速率检测方法。利用数据源随机性和重复数据块具有极好的相关特性，在接收端解码后的数字部分，先进行快速多速率检测。仿真结果表明，适当选取计算帧长(4个FFT长度，512位)和判决门限(判决门限由误码率和计算帧长共同决定)，就能获得极好的判决性能。
5)进行快速多速率检测后，再去调整接收端的接收方式，本文不再进行讨论。

兼顾带宽和移动性的宽带无线接入技术已成为全球范围内备受关注的研究热点，UWB为近距离、宽带接入提供了强有力的解决方案。由于超宽带无线通信是一个正在迅速兴起的领域，其关键理论和技术是正在研发的课题。因此，为进一步提高我国在无线移动通信领域的国际地位，迅速展开对超宽带无线通信关键理论和关键技术的研究，具有重要的战略意义。