超宽带无线通信技术及发展解析

电信科学2001年第11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610054;2.北京邮电大学电信I程学院北京100876

摘要本文首先介绍r超宽带(uwB】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 2UWB性能特点

在过去数年中,短距离无线系统,从10m到100m,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线通信领域提出了个人局域嗍(PAN的概念。PAN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PAN的主要技术有:蓝牙(Blueiooill、IrDA(Ir如red Da诅As蛐ciaiion、Ho础RF以及超宽带(LwB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uwB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 Lm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,从而具有GHz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‘mw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:uwB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(Fcc眦及伞球其他标准化组织正在制定LwB无线技术规范:UwB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

话音和数据通信方式。美国、欧洲等}午多学者目前都在对uwB 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Intemet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。

2.1UWB信号

实现超宽带通信的首要任务是产生uwB信号,从本质卜看,LwB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uwB通信信号有两种:时间调制(TMUWB 和直接序列相位编码(Dsc乙wB。1"uwB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Jl;成多个倍道,实现多址通信,直接序列相位编码uwB采用一种以(南it/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MbiI/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,DscIuwB能提供极高的数据率。

可以看到,与一般的扩频波形(直接序列扩频Dsss或跳频扩频nIss不同.uwB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PN码调制,本质上是时域概念。另外, Dsss、删嬲波形是恒包络,扩频波形占空比为10D%,即峰平比相等,存LwB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,uwB脉冲比传统无线信号更加难以探测,例如, mLrⅣB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间,采用一

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万方数据

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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uwB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。

下面对多径传播作定量分析。扩额带宽为l 228M№的 Is-95蜂窝系统和Pcs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fts,因此一些多径信号要采用fiilke技术加以分辨和接收,但室内信道中多径时延常为ns缄,它无法在相对窄带的Is_95信道中进行分辨,因此类似 Is_95这样的系统必须克服严重的Ravld小衰落,它要求信号必须在静态信号级的20dB以上,才能达到规定的性能。而带宽超过l GHz的L肘B系统.能分辨出时延小于l ns的多径信号,然后采用Rake接收机可获得足够的信号能量。

uwB系统性能受信道传播和多径的影响很大,需要对uwB 传播环境进行深入研究以更精确地预测uwB系统性能和优化收发信机漫计。

2.3传输速率

如前所述,uWB系统巾有不同的调制方法,下面将以PAM LwB系统为例分析传输距离与速率之间的关系=假设噪声为 Aw洲.未编码时系统BER达到10,编码后减小为lO 5—

109,发射功率谱密度限制在一4l dBm/MHz,工作频段从

2.5Gm到5GHz,故带宽为2.5GHz,中心频率为

3.75GHz。路径模型设为自由空间传播,采用M_PAM调制和相下检测时的黼号率为^=等em(√器腻懈为R= M \、埘‘一l』

二,这里M=2。,扎为每比特的sNR。若每个符号传送&个信肌

息比特,则符号的sNR为≈yb,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(PRF,珈是噪声功率谱密度。因此,在平均发射功率谱和系统BER一定的条件下,增加脉冲带宽或减小PRF,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125m时.2PAM调制时系统传输速率为250Mbil/s,8PAM调制时速率为50MKl/s;当距离为27.5m 时,2PAM涮制时系统速率为50Mbit/s,8PAM调制时速率为lOMbiL/s;当距离为L00m时,系统吞吐量严重下降。

可见,uwB在近距离能提供很高速率.结果还表明高阶 PAM调制没有提高速率,这个问题可以这样理解,PAM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uwB系统性能都由有效比特信噪比E。/』v。确定,这里Ⅳ。=^7础,☆足Bol把瑚珊’8常数,乃是系统噪声温度,B是瞬时带