超宽带无线通信关键技术

摘要：介绍了超宽带（UWB）无线通信技术的基本概念和主要的实现方案，对其中的关键技术现状进行了剖析，并简要说明了超宽带两种候选标准的特点。 关键词：超宽带 无线通信 同步 随着各种无线通信系统相继出现，可利用的频谱资源日趋饱和，使超宽带技术引起了人们的广泛重视。2002年2月FCC对超宽带使用发布无许可证使用后，超宽带技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 所谓超宽带，根据FCC的定义，是指信号的-10dB相对带宽大于0.2，或绝对带宽不小于500MHz。其中相对带宽是指 ffoc=2(fH-fL)/(fH+fL) (1) 这里fH、fL分别对应上限和下限频率。为了不影响频谱范围内的其它通信系统，超宽带系统的发射功率受到了严格的限制。在室内通信的3.1GHz～10.6GHz频段内，信号功率严格规定要低于0.56mW，对应41.3dBm/MHz，如图1。 UWB无线通信的历史可以追溯到1942年Rosa提交的随机脉冲系统的专利，从其出现到二十世纪90年代之前，UWB技术主要采用其最初的脉冲形式。早期的UWB系统利用频带极宽的超短脉冲进行通信，通常又称为基带、无载波或脉冲系统。近年来，开始用于民用高速无线通信领域，并有了较大的发展和变化，产生了载波调制的直接序列码分多址和多载波正交频分复用等多种实现方式。 窄带与宽带系统相比，超宽带的特点是： （1）共享频谱。UWB不是独点新的频谱，而是与其它系统共享频谱，在7500MHz的大带宽内，通过严格限制发射功率，从而避免了对其它系统的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源日益稀缺的今天具有重要意义。 （2）速率高、成本低、功耗低。UWB通信采用冲击脉冲形式，因为是带宽传输，系统相对简单；而低占空比使系统功耗很低；UWB极宽的频谱，使UWB系统传输速率可达1Gbps以上，在目前的无线通信技术中，只有UWB技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求。 （3）信号衰减较小，穿透力强。采用基带窄脉冲形式的UWB信号，具有适当波形的UWB脉冲具有较强的定向性，衰减很慢。另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传播悍可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物。 （4）低侦听率。UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频等多址接入技术，使非授权者很难截获传输信息，因而安全性非常好。 （5）抗多径能力强。由于冲击脉冲持续时间极短，而占空比很大，这一传输方式具有良好的多径分辨性，使Rake接收容易实现。 1 无载波方案 无载波脉冲方案为UWB通信的传统方式，信息由冲击脉冲携带，单脉冲的宽度极窄，一般在亚纳秒级，且占空比相当小，为1%，甚至为0.1%，具有极强的多径信道分辨能力，使无线室内通信环境中，密集多径信道的分离和处理成为可能。 1．1 波形设计 尽管无载波超宽带的平均功率相当低，但考虑到其极低的占空比，峰值功率有可能很大，因此，需要对传输波形进行优化设计。波形选择通常有方波、高斯形等，其中高斯形脉冲类似于单周正弦波，频谱结构中直流及接近直流的频谱成为分较弱，有利于极窄脉冲信号的传输，接收端易于相关检测与识别，使用较多。在无载波脉冲UWB通信中，收发端的天线对输入信号分别有一次微分效应，这一点将直接影响接收模板的信号设计。 典型情况下，经过收发天线和信道传播，接收部分收到的脉冲信号为单周高斯脉冲，接收天线处的输出信号的时域波形如图2所示，函数形式为： 其中，σ为脉冲的有效持续时间长度，超宽带通信中的发射信号s(t)对于捕获部分而言，将等效为： 其中，Tf为脉冲发射间隔时间，又称一帧的持续时间。 1．2 信号调制 UWB中的每一比特信息由Nf个脉冲调制实现传输。信息调制方式有脉冲帧度调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）、二极键控（BPSK）、开关键控（OOK）等；而信道调制使用跳时方式（TH）或直接序列扩频（DS）多址接入。近来有文献探讨脉冲形状调制（PSM）进行多址接入。 以TH-PPM为例，分析超宽带信号的信号调制特点，其第k个用户的等效发射脉冲序列为： 为避免信息码间干扰，规定co=cN-1=0,Np>Nf。发射数据为二元数据信息（0,1），当发送比特1时，每个脉冲的实际发射时间比标称时间晚δ；发送比特0时，每个脉冲的实际发射时间比标称时间早δ。δ为脉位调制步长，一般取脉冲宽度Tp的1/4。对应（0,1），d取（1,-1），第j个脉冲的开始时刻改变为jTf+cj(k)Tc+δd[j/Ns]，[x]为x的数据取整。这一调制方式下，每一符号持续时间为Ts=NsTf，信息传送速率为Rs=1/Ts=1/NsTf。因信息数据随机分布，传输信号功率谱进一步被平滑。 当多址接入系统中存在Nu个发射用户时，接收到到的信号形式为： Ak、τk分别表示用户到达接收机时的帧度衰减量和时延量。 1．3 信道建模 与窄带不同，7500MHz带宽决定了UWB技术具有极高的时间分辨率，使得不同路径到达的信号能够分集接收，从而超宽带对衰落效应并不敏感。建立尽可能准确的信道模型，直接关系着信号准确接收的实现程度。 广泛认可的室内多径传播信道模型是S-V模型。该模型认为，信道在一次连续发射脉冲过程中保持不变，多径信号以簇集方式传输，簇信号的形成与环境建筑物结构相关，簇内径信号与收发器邻近物体相关。而且，接收信号相位独立，均匀分布，簇信号和簇内径信号和簇内径信号的延迟按指数衰减，两者的衰减参照系数分别为常数T和γ。 如果以Tl(l=0,1,2,…)标记簇信号的到达时间，以τk,l（k=0,1,2,…）标记第l簇内以第0条径时刻为起点第k条径的到达时间。这样，Tl和τk,l的概率密度函数为： 这里，βk,l标记各径的增益系数，服从瑞利分布，均值为： 其中，β2（0，0）是第0簇第0径的平均功率增益。对信号传输信道，信道冲击响应h(t)为： 1．4 同步算法 UWB的同步也分作两步，分别是捕获和跟踪。前者指估计相位与实际相位相差较大，如一帧时间或者指估计相位与实际相位相差几个脉冲持续时间，这里主要关注其中的捕获。 脉冲信号经过信道，到达接收部分，接收装置必须良好同步才能保证信号的正确接收。与直扩的捕获相比，UWB的同步要困难许多。这是因为，脉冲持续时间为纳秒量级，简单使用匹配滤波器显然根本不可能进行捕获；而使用滑动相关，由于搜索位置的极大，需要难以忍受的漫长搜索时间。多径效应、信号低功率、跳时的运用等将进一步加剧UWB无线通信的同步难度，因此，需要采取精致的捕获算法。 当前，已有一些捕获算法的探索，如不考虑噪声的比特反转法、不考虑多径下的编码法、循环平衡下的盲定时器、辅助数据下的极大似然法，以及使用信号自身进行相关的“脏模板”法。另外，还有使用优化测试数法、同时发射参考信号法。这些捕获算法均只适用于某种特定条件，需要进一步研究鲁棒性良好的同步算法。 作为一种有趣的捕获算法，比特反转法利用了信号的多径成簇到达性，所求延时τ0以密集形式分布在一定区域，应用某种跳转方式是可行的。本文使用比特反转法（bit reverse method），这一算法的策略是对待测单元进行2的次幂编码，如有32位待测单元，在传统滑动相关的搜索次序是0，1，2，…，14，15；而使用比特反转法，由0000，0001，0010，0011，…，1110，1111这样的次序，比特反转后，次序为0000，1000，0100，1100，…，0111，1111。使用这一算法，将极大地减小脉冲对齐的搜索时间。 运用传统线性滑动相关法，对探测区域N进行顺次滑动探测，有平均探测次数： 这里N为待测位置数，J为终止探测的位置总线。使用比特反转法搜索对齐位置的平均时间有： E(T)=1/2(N/J+1) (12) 以这一思想为基础，笔者提出了一种基于协议的超宽带捕获算法。即在同步开始阶段，使用比特反转法对均匀发射脉冲迅速实现对齐，接收端进入跳时，等待发射端跳时调制，由再次探测到导频信号与模板信号的相关积累超过门限，接收端进入捕获证实阶段。 受“脏模板”法的启发，提出了基于脏模板的捕获算法。即在发射伪随机导频码，通过对导频码的捕获确认实现信息发送前的同步，而在信息发送过程中，利用信息自身的平稳性和相关统计结果来监督发送过程的同步。具体而言，如果信号满足对k∈[0,K-1],有s(k)=-s(k+2)，即发送信号为{1,1,-1,-1,…},{1,-1,-1,1,…}，{-1，1，1，-1，…}，或者{-1，1，1，1，…}。就可以构造满足这一特性的伪随机信号来做导频信号，对这样的导频序列如果同步算法能够获得这样的解调结果，捕获过程就进入捕获确认环节。 这样，对室内信道下的UWB信号捕获，提供了一种性能良好的同步算法。所采用方案使用帧速率的采样率，降低了同步时所需采样率的要求。 2 调制载波方案 早期的无载波脉冲UWB通信系统，直接利用基带简单脉冲波形进行通信，与传统的通信系统相比，收发信机结构简单，实现成本低。但在FCC关于UWB通信功率谱的规定下，频谱利用率不高，可以通过脉冲波形优化设计加以改善。而另一条途径就是采用载波调制的方式，将UWB信号搬移到合适的频段进行传输，从而可以更加灵活、高效地利用频谱资源。 目前，有两个候选方案：Intel、TI等公司支持的频分复用（OFDM-UWB）方案和Motroal、X tremeSpectrum等公司支持的单载波直接序列-码分多址（DSC-UWB）方案，它们都采用了调制载波的信号形式。 2．1 单载波方案（DSC-UWB） 这一方案的基本思想是同时使用整个7500MHz。 如图3所示的一种单载波UWB方案有两个可用频段：低频段和高频段，UWB信号可以通过对载波的调制，在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传输。为了避免与UNII频段系统的干扰，两个频段之间的部分没有利用。该方案与传统的通信有很多相似之处，同时具有UWB的特点和优点。 多径效应相关的时延将导致符号间干扰，这一特性是单载波方案需要解决的关键问题。要克服多径衰落干扰影响，信道所传输的最佳信号形式也应是具有白噪声统计特性的信号形式，而PN序列周期愈长，接收端同步所需时间必然加长，因此在信号设计时应当合理选择。另外，单载波方案传输带宽大，对应接收部分需要快速转换电路。 2．2 多载波方案（OFDM-UWB） 这一方案的基本思想是多个波段分时使用，波段之和为7500MHz。 在OFDM系统中，将可用的频段分为多个子带，每个子带带宽大于500MHz，由多个正交的子载波信号“堆积”成一个UWB信号。 图4为一种采用时频交织技术的UWB通信系统发送端框图。与传统的OFDM系统比较，符号长度、子载波间隔、循环前级长度等具体参数有较大差别。 当子载波数较大时，各子载波幅度谱叠加的总信号幅度谱有很好的矩形特性因此可以充用利用频谱资源。该方案在频谱利用方面有很高的灵活性，可以自适应根据传输信道的干扰情况，调整各子频带的发射功率或取消特定子频带的发射，以有效地降低干扰，提高网络性能，还可以通过抑制相应的子载波，更加精确地控制合成信号的频谱形状。 图4 这一方案保留了无载波时的超带宽，同时克服了无载波方案因极短脉冲而导致的A/D转换困难，使性能获得了极大改善，是目前最看好的UWB技术，其代价是增加了硬件复杂度，如发射部分需要快速频率转换，且增加了大量数据处理负担。 7500MHz的免许可证带宽，给UWB的研究和应用带来了无限机遇，但极低的功率谱密度以及至少500MHz的带宽需要在超宽带的系统级和各个环节进行精巧的构思。 超宽带技术起步于冲击脉冲，在现代信息处理方式下，发展了载波方案，特别是多载波的OFDM方案获得了更多知名商家和重要学术机构的支持。UWB技术以极低的功耗和很低的成本实现很多其它技术难以实现的应用，各种先进的无线通信技术，都可以应用在UWB系统中。 UWB无线通信技术应用广泛、市场巨大，国际上UWB的研发如火如荼，迫切需要积极进行UWB的研发，开发拥有独立自主知识产权的技术，制定自己的技术标准，为产业化铺平道路。本文希望通过对UWB的介绍，增进对这一领域关键技术的了解，促进我国的在这个领域的研发工作，为即将到来的UWB产品国际化竞争做好准备。