超宽带无线通信技术的研究

超宽带无线通信技术的研究

1超宽带技术概述

UWB技术,也称为超宽带无线通信技术,顾名思义其带宽很宽,并且远大于现在所采用的窄带信号,是一种通过极短的脉冲信号进行通信的技术,由于其时域持续时间一般在纳秒级别,故其带宽可以达到数Hz甚至数GHz,所以在现代高速率传输的环境中,超宽带技术因其通信速率高,通信容量大等优点从军用技术转为了民用技术,成为了现代短距离无线通信的关键技术之一。FCC(美国联邦通信委员会)将带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的信号定义为超宽带信号,其中,相对带宽定义为带宽与中心频率之比,亦即:其中fH指单个用户发射的信号的上限频率,而fL则指的是该信号的下限频率。

2两种技术方案比较

到目前为止,超宽带无线技术主要有两种技术方案:传统UWB和基于传统OFDM技术的多带UWB(MB-OFDM-UWB)。传统UWB方案采用的是发射传输脉冲信号来传输信息,亦即用户利用多个窄带脉冲信号来传送其发射的同一个原始比特信息。由于脉冲持续时间较短,所以在频域上来看,其信号带宽很宽,进而可以实现无载波的调制,使发射端无需射频等环节,减少了实际设备的复杂度,但是脉冲的可控性较差,因此会对其他一些通信设备造成干扰。目前,在超宽带系统中,脉冲的调制方式有:PAM(也称作脉冲振幅调制)、PPM(即脉冲位置调制)、OOK(二进制开关键控)以及BPSK(二进制相移键控),而由于PPM调制的功率效率较高以及PAM调制的性能优势,在UWB系统中一般采用PPM和PAM两种调制方式。而由

WiMedia提出的MB-OFDM-UWB技术方案则是采用多频带调制方式,采用单个子带的OFDM信号作为发射信号,利用OFDM的高频带利用率,同时将多个频率子带并行发送,可以避开某些频带,实现方式更加灵活。但是该方案利用了正交频分复用技术而放弃了超宽带系统中典型的脉冲形式,导致其消耗功率要高于传统的UWB方案,也缺少了传统UWB的高保密性和穿透能力强的特点。所以在现在的研究中仍是传统的UWB系统占主导地位。传统UWB方案中很多技术方案和CDMA等3G技术方案具有一致性,比如信号扩频码的使用、调制方式以及检测方法等,这里扩频序列的使用主要时用于多址识别,这是较方案不同的一点,传统的CDMA中扩频码除了多址识别更多的是要用来扩展频谱,所以在UWB方案中扩频码的设计也是研究的方向和热点。传统超宽带无线技术方案一般分为TH-UWB和DS-UWB两种。所谓TH-UWB(跳时超宽带)是指利用伪随机噪声序列原始数据重复编码后的信息进行编码,而编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移,也就是通过跳时码来选择要发送信号的码片区间;而DS-UWB(直序超宽带)则是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行正负极性的调制。由于现在的通信环境需要的是大容量,亦即实现多用户传输,而在多用户的环境下,若采用多用户检测方法,TH-UWB可以获得更大的处理增益,所以重点介绍TH-UWB技术。

3跳时超宽带技术

在跳时超宽带系统中,由于脉冲调制方式的不同,又主要可以分为2种,即PPM-TH-UWB(基于脉冲位置调制的跳时超宽带)和PAM-TH-UWB(基于脉冲振幅调制的跳时超宽带)。其中PPM-TH-UWB是指在跳时超宽带系统的基础上利用PPM实现信号在时间轴上的移动,具体实现为:当发送信号为1时,会产生PPM移位,反之,当发送信号为0时则没有PPM移位,这直接导致发送的数据信息是通过PPM位移来区分的。而PAM-TH-UWB则是在

TH的基础上改变窄带脉冲的幅度,当假设发送信号为1时脉冲的极性为正,则当发送为0时则与其相反,即脉冲在极性上是相反的,同样在该系统中发送的数据比特是靠脉冲的幅度极性来区分的。在二进制TH-UWB系统中,PPM调制与PAM调制在系统性能上不相上下,而且一般的研究都是可以进行通用的,但是随着调制进制的增加,PAM调制的跳时系统性能将越来越差,误码率也越来越大,反之PPM调制下的跳时系统性能则良好,所以在工程中较多使用PPM调制下的跳时系统,这里也主要介绍PPM调制下的跳时超宽带系统。(1)其中,p(t)为用于超宽带系统中的高斯脉冲波形,一般采用高斯脉冲的二阶导;Ts表示帧长,也指帧周期;cj表示伪随机序列,在此,0≤c≤M-1,Mj表

.

示M进制Tc;为码片长度,则有Ts=MTc;NS表示每个比特信息由多少个脉冲组成,Tb表示传输信息比特时间,则有Tb=NSTS,cjTc表示由跳时序列引起的位移,aj表示PPM调制引起的位移,是一个常数,aj表示经过重复编码器后的二进制序列。通常PPM调制引起的位移控制在一个码片时间内。总之,PPM-TH-UWB技术利用了脉冲信号占空比很小的特点,将每一个信息比特时间划分成L个脉冲持续时间(也指帧周期),然后将每一个帧周期划分成N个码片时间(码片时间为最小的时间单位),接着每个用户利用各自对应的独立的随机跳时序列在N个码片时间中选择一个作为脉冲发射位置,以此类推,最后发送到无线信道。在接收端则利用与期望用户相同的跳时码进行跟踪接收。若跳时码之间的正交性没有破坏,则脉冲之间不会发生冲突,从而避免了多用户干扰。但是在无线信道环境中,信号必然会经过多径衰落,从而在接收端引起各个用户的伪随机序列正交性严重破坏,造成多用户干扰,导致即使在系统的信噪比很高的情况下,系统性能仍然会受到严重的影响,故在TH-UWB系统中研究多用户检测算法也是未来的一个发展方向。

4UWB应用领域与未来发展方向

FCC定义了三种UWB系统:成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统。这导致了UWB系统的应用领域非常广泛,宏观上来说,主要有三个方面:通信、定位、雷达成像。在通信方面,UWB是一种短距离高速无线传输的技术,有良好的抗多径干扰性能,所以在矿井、巷道等通信环境较差的受限空间中有广泛的应用。同时UWB有望取代USB线缆,实现高速无线数据传输。在定位方面,由于较高的分辨率,UWB具有很高的定位精度,能够实现精确测量。例如在军用系统中,可以用来探测地雷,也可制成成像雷达,从而定位隐藏的敌人;在民用中主要应用在汽车防碰雷达系统(车载UWB雷达)上。在雷达方面,主要以穿墙雷达为主。UWB 信号由于具有超宽的频谱,因此可以提高信号穿透障碍物的能力,例如UWB穿墙成像技术是利用窄带脉冲信号穿过一定厚度的墙壁,通过设置在成像设备上的信息屏幕,获取墙壁另一侧的物体(运动)信息,误差很低。UWB技术由于是使用脉冲来作为信息载体的,没有使用正弦信号作为载波,所以并不需要中频处理,简化了系统的模型,实现方便简单,而且由于发送的是占空比很低的脉冲信号,所以使得所需的发射功率不需要很大,实现低功率传输。同时由于UWB 信号的平均功率很小,带宽很宽,所以发射信号常常被隐藏在噪声等信号中难以检测,实现保密、低截获/检测率传输。UWB技术的优势使得其在无线通信方面有很广阔的发展前景。UWB技术大大提高无线频谱资源利用率的优点使得无线通信变得更加敏捷。当下主要有两个大的方向,一是认知超宽带系统(是将认知技术和超宽带技术相互结合的产物);二是基于协作模式的UWB定位技术。与其他国家相比,我国在UWB技术的研究上起步较晚,仍处于需要进一步研发的状态,所以促进UWB技术的全面发展,有助于我国在该研究领域获得自主知识产权等具有很大的意义。