超宽带无线通信技术及发展.pdf
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1、电信科学2 0 0 1 年第1 1 期通信发展论坛超宽带无线通信技术及发展张靖1黎海涛2 张平2(1 电子科技大学电子技术系成都6 1 0 0 5 4;2 北京邮电大学电信I 程学院北京1 0 0 8 7 6)摘要本文首先介绍r 超宽带(u w B】技术的发展然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点包括信号调制方式多径传播、传输速率、接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方而,最后展单了它的发展趋抖和进一步研究的课题。关键词超宽带无线通信信号1引言2U W B 性能特点在过去数年中,短距离无线系统,从1 0 m 到1 0 0 m,由于数据业务的推动,呈现出巨大的发展潜力,特别是近年在短距离无
2、线通信领域提出了个人局域嗍(P A N)的概念。P A N 的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆,组建个人化的信息哪络。实现P A N 的主要技术有:蓝牙(B l u e i o o i l l)、I r D A(I r 如r e dD a 诅A s 蛐c i a i i o n)、H o 础R F 以及超宽带(L w B)等4 种,其中具有高性能、低功耗雨I 低成本无线数据通信能山的u w B 成为未来富有竞争力的技术之,众所周知,般通信技术是把信号从基带凋制到载波上,所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。而L m 足通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制
3、,从而具有G H z 量级的带宽:超宽带技术解决r 剧扰传统无线技术多年的有关传播方面的再人难题,它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。同时,它还具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低(数f m w 范围),有低截获能力;系统复杂度低;能提供数厘米的定位精度等优点:u w B 尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中,随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展,超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会(F c c)眦及伞球其他标准化组织正在制定L w B 无线技术规范:U w B 可能在不占用蜘在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和
4、数据通信方式。美国、欧洲等 午多学者目前都在对u w B技术在宽带高速通信巾的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和I n t e m e t 来实现传输数据、话音、视频等业务,进而形成新一代蜂窝系统。2 1U W B 信号实现超宽带通信的首要任务是产生u w B 信号,从本质卜看,L w B 是发射和接收超短电磁脉冲的技术,可使用不同的方式来产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码,这些脉冲可以单独发射或成组发射,并町根据脉冲幅度、相位和脉冲忙置对信息进行编码。目前较成熟的u w B 通信信号有两种:时间调制(T M)U W B和直接序列相位编码(D s c)乙w B
5、。1 u w B 采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波形,可以将能量扩展到很宽的频带内i 脉冲由专用宽带天线,以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射,这此脉冲在时间上蹦随机或伪随机间隔进行分布,进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时问编码J l;成多个倍道,实现多址通信,直接序列相位编码u w B 采用一种以(南i t s 速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列以数百M b i I s 的速率对数据进行编码,多个编码脉冲丧示一个比特,编码增益能提供抗多释干扰能力,在短距离范围内,D s c I u w B 能提供极高的数据率。可以看到
6、,与一般的扩频波形(直接序列扩频D s s s 或跳频扩频n I s s)不同u w B 波形的扩频带宽是直接产生的,即单个比特未经扩频序列如P N 码调制,本质上是时域概念。另外,D s s s、删嬲波形是恒包络,扩频波形占空比为1 0 D,即峰平比相等,存L w B 中,脉冲持续时间相对脉冲间隔很短,波形的占空比为一个小的百分数,峰平比很人。另外,u w B 脉冲比传统无线信号更加难以探测,例如,m L r B 系统在多个成对配置的接收机和发射机之间,采用一3 万方数据电信科学2 0 0 1 年第1 1 期种独特的时序编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲:这些传输采用极低
7、的发射功率,以提供难以被探测和截听的发全传输,而且由于极短的波形持续时间,更易于实现多用户通信中的分组突发传输。2 2 多径传播多径衰减是无线通信的一大障碍,传统的无线技术由于受到建筑物内部和周嗣多径的困扰,难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪,而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外,多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差,这在建筑物中尤为明显,而u w B 技术特别适合室内使用,它有抗多径衰落的固有鲁棒性。m 非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨,而不是在接收端被破坏,从而在窄带系统中的时变衰落被大大减小。嘞其定位精度小丁几个厘米,并通常遵循自由空间传播规律。下面对多径传播
8、作定量分析。扩额带宽为l2 2 8M 的I s-9 5 蜂窝系统和P c s 系统可以分辨时延差异略小于1 卜8 的多径信号:在室外环境中,时延可能肯好几个f t s,因此一些多径信号要采用f i i l k e 技术加以分辨和接收,但室内信道中多径时延常为n s 缄,它无法在相对窄带的I s _ 9 5 信道中进行分辨,因此类似I s _ 9 5 这样的系统必须克服严重的R a v l d 小衰落,它要求信号必须在静态信号级的2 0d B 以上,才能达到规定的性能。而带宽超过lG H z 的L 肘B 系统能分辨出时延小于ln s 的多径信号,然后采用R a k e 接收机可获得足够的信号能量
9、。u w B 系统性能受信道传播和多径的影响很大,需要对u w B传播环境进行深入研究以更精确地预测u w B 系统性能和优化收发信机漫计。2 3 传输速率如前所述,u W B 系统巾有不同的调制方法,下面将以P A ML w B 系统为例分析传输距离与速率之间的关系=假设噪声为A w 洲未编码时系统B E R 达到1 0,编码后减小为l O5 1 09,发射功率谱密度限制在一4 ld B m M H z,工作频段从2 5G m 到5 G H z,故带宽为2 5 G H z,中心频率为3 7 5G H z。路径模型设为自由空间传播,采用M _ P A M 调制和相下检测时的黼号率为=等e m(
10、器)腻懈为R=M、埘一l 二,这里M=2。,扎为每比特的s N R。若每个符号传送个信肌息比特,则符号的s N R 为y b,还可表示为氏8。瓦目o,这里是F c 限制的平均发射功率谱密度,日。是发射脉冲带宽,咒指脉冲重复频率(P R F),珈是噪声功率谱密度。因此,在平均发射功率谱和系统B E R 一定的条件下,增加脉冲带宽或减小P R F,都会影响系统速率和上作距离。在姒上假设条件下,定鼍研究表明,当通信距离为1 25 m 时2 P A M 调制时系统传输速率为2 5 0M b i l s,8 P A M 调制时速率为5 0M K l s;当距离为2 7 5m时,2 P A M 涮制时系统
11、速率为5 0M b i t s,8 P A M 调制时速率为l O M b i L s;当距离为L 0 0 m 时,系统吞吐量严重下降。可见,u w B 在近距离能提供很高速率结果还表明高阶P A M 调制没有提高速率,这个问题可以这样理解,P A M 是一种频谱有效的调制方式,但不足功率有效的,采用其他方法,如增加灭线增益、提高编码增益、喊小噪声、增大带宽能进一步提高传输速率和距离。从通信的角度来看,无论扩频还是u w B 系统性能都由有效比特信噪比E。v。确定,这里。=7 础,足B o l 把瑚珊8 常数,乃是系统噪声温度,B 是瞬时带宽。=胛,对u w B 系统P 是脉冲峰值功率,r 是
12、有效脉冲持续时间。对扩频波形而言,同样E。由P r 决定,但r 表示比特持续时问。可以看出,在给定B 肌条件下,脉冲越短,带宽越宽,所需的峰值功率越高,而在柑同的予均功率量级,扩频和U w B 有同样的B E R 性能。2 4 干扰由于u W B 发射的宽带特性,可能对其他已申请的使用频段造成干扰,因此F c c 正在审定u w B 技术的合法性。F c c 的目标是在满足市场对高效频谱利用率的L 研B 技术需要的同时,保证它对目前用户已经申请的频段不会造成干扰。1 9 9 8 年9 月,F C c 第次发出征洵通知(N O I),要求工业界对发射功率严格受限时在非授权频段使用嘞技术的提出反馈
13、意见。F C c 第1 5 条款规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限制,具体如下:F c cP 缸1 5 2 0 9 规定对频率高于9 6 0 M H z,在1 M H z 带宽内,测量距离3 m,发射功率在5 0 0p w m内,相应的发射功率谱密度限制在一4 1 3d B m 几I H z 眦下。自弗一次发出征询通知后,收到了5 0 0 多份意见,显示了业界对u w B 技术的浓厚兴趣。2 0 0 0 年5 月,F C 对工业界发出在P 矾1 5规定下允许u B 发射机工作而修改条款的通知(N P R M),并征询反馈意见。F C c 还考虑在2c H z 以下对发射功率谱做更低的限
14、制,以保护c P s 等,但目前还没有定义界限。美国国家电信信息管理局(m A)的报道结果分析出【懈电发射机对1=作在1 2 G H z 和1 5G H zG P s 的影响很大,有2 0 3 5d B 甚至更大的衰减,超出了 u cP a r t1 5 2 0 9 对功率的限制,需要对c P s 工作频段进行保护。由于频段共享会造成潜在的干扰。有许多因素对唧B 系统与其他窄带系统的共存有影响,包括L W B 系统中器件之间的隔离信道传播的损耗,调制技术,脉冲重复频率,接收天线的增益。例如,一个L w B 以脉冲重复频率发送未调制的脉冲时,会在频域产生以P R F 重复出现的峰值。加入幅度调制
15、后,I 瓜电信号经过扩频后更为平坦。结果,嘞发射机产生的干扰类似宽带干 万方数据电信科学2 0 0 1 年第1 1 期扰,它对窄带接收机的背景噪声有影响。u w B 系统中需要考虑两方面的问题:一是要求u w B 进行低功率发射,这使得乙w B 有很高的功效比和能低成本实现可以省电,也限制rL f w B 通信的距离;二是u w T I;系统町能受其他窄带无线通信设备的干扰。F C c 的限制仅是个丌端,对T 业界来说,通过制定标准来推广这项技术并与其它无线通信设备共存是重要解决途径。例如,若L 啊B 应用于个人局域刚(P N),则勺8 0 2 1 l aL A N 邻近,因此,u w B 系
16、统必须设计成与L 州共存,这刚通过工业协作和标准化工作来完成:25 接收机与传统的无线收发信机结构相比,u W B 收发信机的结构相对简单,如图1 所示。为对比分析其优点,把u w B 接收机与实现短距离通信的蓝牙接收机进行比较。蓝牙采用跳频技术把lM z带宽的信号扩展到7 9M,发射信号的中心频率为2 4 5G m,带宽为7 9M。在接收端,弱信号首先经过放大器放大后下变频到中频I F=1 2 0M H z,下变频使用外篮技术,混频后会产生镜像信号,在低频端,解凋并饿复信号。U W B 收发信机中,信息可被几种小同技术凋制,如M a r y 脉冲幅度调制或P P M 调制发射脉冲。在接收端,
17、天线收集信号能量经放大后通过匹配滤波或柑关接收机处理,再经高增益门限电路恢复原来信息。相对于超外差接收机而言它实现相对简a 1 蓝牙m lU W Bu A:低噪声放大器I F:中频u p d o n v 州e r:上下变频器P A:功率放大器T(R)x:发送接收R e f O 靶:奉振M F c o“:匹配滤波相关器s m h:频率合成幽1 接收机结构单,没有本振、功放、P L L(锁相环J、V c 0(压控振荡器)、混频器等,制造成本低。L r W B 接收机的个优点是它可以全数字化实现,采用软件无线电技术,动态调整数据率、功耗等。例如,当距离增加时,u 辑田齄用几个脉冲发送同一信息比特从而
18、在接收端提高了s N R。这种灵活性是功率受限的未来移动计算所必须的?蓝牙发射机在ln 耐平均发射功率时速率为1M b i t s,工作的距离范围为1 0m。而发射功率小于1 0p W,带宽为2 5G H z 的U W B 发射机能提供同样的吞吐量和覆盖距离:这对使携式通信装置来说,口大大延长电池工作时问。u w R 技术的最重要的特点是其低成本和低系统复朵陆,可全数字化实现。它只需要一种数字方式产生脉冲,并对脉冲进行调制,而这些电路都可以被集成到一个芯片上,目前已有这种产品=另外,它只用很少的R F或微波器件,j 其R F 设计简化,系统的频率自适应能力很高。但是,I,B 系统波、f 时也面
19、临一些挑战,一个普遍关心的可题是在u w B 接收机的频带内,宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰;匹配滤波器的精度;超宽带天线等也不易满足。由丁短的脉冲持续时间,为相关检测接收脉冲需要精确的定时。这些问题可通过采用先进技术来解决。若把u w B 发射机设计成频率自适应,带宽自适应结构,则L 邢系统能与共享频段的其他通信没备共存而不造成于扰。26 空间容量这罩孛间容量定义为H t(s 击)空间容量的概念已被许多学者使用,鱼u 加州B e r k e l e v 的J a nR a b a e y 教授等,文中采用平方米,因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比。l E
20、蛆8 0 2 1 1 b 工作的距离范围是1 0 0m,在24 G H z I s M 频段,有8 0 M H z 的未用频宽。因此,在半径为1 0 0 m的覆盖范围内,3 个2 2 M H z 咄E8 0 2 1 1 b 系统可同时工作互不干扰,每个系统提供的峰值速率达1l b i I s,总共的速率达3 3M b j t s,产生的空间容量为10 0 0b i t(s 击)。蓝牙在低功耗模式下,在1 0 m 距离内,速度可达lM b j l s,1 0 个蓝牙微微蜂窝(口j e o n e 括)能在1 0 m 圆周范围内同时工作,速度达1 0 M 场f s,从而得到的空问容量近似为3 00
21、 0 0b i I【s 秆):I E E E8 0 2 1 1 a的T 作距离范围在5 0n 1,峰值速率达5 4 M b i i s,假设在5c I z频段内,有2 册M H z 可得到的频宽,系统的空间容量可达8 30 0 0 b j f(s 矗)。L f w B 系统在1 0 m 距离范吲内的峰值速率可达5 0 M b i t s,系统的牵问容量达10 0 00 0 0b i t(s-m 2)。可阱看出,目前的一些标准如蓝牙和I E 阻8 0 2 1 1,其峰值速度和空间容量都远低丁u W B,这可从理论上找到答案。根据经典的信道容量理论,c=l h(1+s 川,最大信道容量与带宽成线性
22、关系,I,B 系统带宽一般有2G H z 甚至更宽,比带宽受限的B l u e 伽I h、I E 盯8 0 21 1 以及H i p e r n N 2 等无线系统有更大的容量。固此,U W B 系统有支持未米高容量无线通信的巨大潜5 万方数据电信科学2。0 1 年第1 1 期力。将来,随着系统功率的增大,u w B 系统的上作范围将能扩展到几公里或者史远=将来,像无线以太局域网8 0 2 1 l b 和短距的蓝牙通信技术,都有可能被u 租所取代,这是囚为L w B 产品的吞吐量将比采用8 0 2 1 1 b 的产品大1 0 0 0 倍,也就是说u w B 系统与8 0 2 1 1 b 相比,
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