基于正交频分复用技术的超宽带通信系统

C = W log( 1 + P /N ) b it / s.
( 1)
式中: C 为传输速率, W 为信道带宽, P 为信号的平
收稿日期: 05 - 06 - 22. 作者简介: 薛 睿 ( 1980- ) , 男, 博士研究生, 主要研究方向: 超宽带通信、通信信号处理, E-m ai:l xueru@i hrbeu. edu. cn.
图 2 TF I-OFDM 时频 交织示意图
在子带 1上传输第 1个 OFDM 符号, 在子带 3 上传输第 2个 OFDM 符号, 在子带 2上传输第 3个 符号, 而第 4个 OFDM 符号重新在子带 1上进行传 输. 实际上 TF I周期可能长很多, TF I的确切长度和 模式可能随着超帧或者微网的不同而不同. 从图 2 可以看出, 循环前缀 ( CP ) 和保护间隔 ( G I) 的长度
U ltra-w ideband comm unication system based on OFDM technology
XUE Ru,i ZHAO Dan-feng, CH EN Yan
( Schoo l o f In fo rm ation and Communication Eng ineer ing, H arb in Eng ineer ing U n iversity, H arb in 150001, China)
案则为单频带方式. 鉴于目前的情况, 研究分析 MB-
OFDM 方案的系统性能具有重要的现实意义.
2 多频带的设计思想
尽管 FCC 已为 UW B 分配 了 3. 1至 10. 6 GH z 全部频谱, 但有关资料显示, 使用 4. 8GH z以上的频 率仅能够将当前 RF CMOS技术的总链路容量提高 1dB, 而这还会造成更大的复杂性与更多功耗. 由于 链路容量的增益有限, 再加上复杂性和功耗问题, 于 是可以得出这样的结论, 即 3. 1~ 4. 8 GH z之间的带 宽是 UW B器件初始部署的有效带宽. 事实上, 将上 限频率限制为 4. 8 GH z还有一些明显的好处, 加快 产品的上市进程、简化 RF 及模拟前端电路的设计 ( 低噪音放大器及混频器 ) 、使其更适于 CMOS 工艺 以及避免来自 U-N II频带 ( IEEE 802. 11a 信号驻留 于此 )的干扰 [ 4] .
图 3 M B-TF I-O FDM 发送端原理图
系统的部分参数如表 1所示.
表 1 M B-TF I-O FDM 方案部分参数
参数
数值
N : 子载波总数 B: 子频带带宽 /M H z
v F: 子载波间隔 /M H z T FFT : IFFT /FFT 周期 / ns T CP: 循环 前缀长度 /ns T GI: 保护间隔长度 /ns T SYM : 符号间隔 /ns
Abstract: The u ltra w ideband communication technology and its standardized advancem ent are dem onstrated. The design idea and basic pr incip le are proposed based on orthogonal frequency d ivision m ultiplex ing techno logy. The essen tial techn ique and system perform ance of the mu lt-i band o rthogona l frequency d iv ision m ult ip lex ing u ltra-w ideband system are ana lysed. T he research result indica tes tha,t due to the technical superiority of the applicat ion of OFDM to the UWB system s, UW B schem e based on the OFDM techno logy has ob tained supports from m ost o f the m anufacturers, and is expected to becom e the standard o f the physica l layer of UW B. K eyword s: u ltra w ideband; m u ltiband; OFDM; t im e frequency interleav ing
第 33卷第 6期 2006年 6月
应
用
科
技
A pp lied Science and T echno logy
文章编号: 1009- 671X ( 2006) 06- 0087- 03
V o .l 33, l . 6 Jun. 2006
基于正交频分复用技术的超宽带通信系统
薛 睿, 赵旦峰, 陈 艳
FB =
(fH - fL ) ( fH + fL
.
( 2)ห้องสมุดไป่ตู้
2
式中: fH 和 fL 分别为系统的高端和低端频点 (按-10 dB 计算 ). 从 FCC 的定义可以看出, 现在的 UWB 已不仅
仅局限于最初的脉冲通信了, 而是包括了任何使用超 宽频谱 (带宽大于 500MH z或相对带宽大于 0. 2) 的无
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第 33卷
均功率, N 为噪声功率. 为了促进并规范 UW B 技术的发展, FCC 重新
给出了 UW B信号的定义, 即 UW B 信号的绝对带宽
应大于 500 MH z或 相对带宽 ( fract iona l bandw idth) 大于 0. 2[ 2 ] , 这里相对带宽定义为
线通信形式.
到目前为止, UW B 仍然没有形成统一的标准,
这成为制约其飞速发展的瓶颈. 2个主要竞争者的 分歧体现在 UW B 技术的实现方式上 [ 3] , 由 Inte l和
T I领导的多频带 OFDM 联盟提交的 MBOFDM 方案
采用多频带方式, 由 M oto rala、CRL、Decaw ave和 Oki 半导体、公司等行业组织 联合支持的 DS-CDMA 方
(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要: 介绍了超宽带技术及其标准化进程, 阐述了基于正交频分复用 ( OFDM )技术 的超宽带 系统的设计 思想 和基本原理, 分析多频带正交频分复用超宽带 ( M B - OFDM - UW B )系 统中的关 键技术 和系统 性能. 研究 结果 表明, 凭借 OFDM 技术应用于超宽带系统的优势, 基于 O FDM 技术的超宽带方 案得到了业内绝大多数厂商的支 持, 有望成为超宽带物理层的标准. 关键词: 超宽带; 多频带; 正交频分复用; 时频交织 中图分类号: TN 92 文献标识码: A
第 6期
薛 睿, 等: 基于正交频分复用技术的超宽带通信系统
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分别为 60. 6 ns和 9. 5 ns, 循环前缀插在每个 OFDM 符号的开头, 而保护间隔则加在每个 OFDM 符号之 后. 保护间隔可以确保发送机与接收机有足够的时 间转换至下一个子带, CP 的长度决定着捕获多径能 量的大小, CP之外的任何多径能量都会导致载波间 干扰 ( ICI) . UW B信道模型具有很高的离散性, 最糟 糕的信道环境出现了 25 ns均方根时延, CP 的长度 通常为均方根时延的 2~ 4倍, 为了充分捕获多径能 量并尽量减少 IC I对所有子信道的影响, CP 的持续 时间应选择为 60. 6 ns[ 6 ] . 图 3为 M B-T F I-OFDM 通 信系统发送端框图.
若干子带, 每个子带带宽约为 500 MH z. 通过交错各 子带的信号, UW B系统仍可以保持同样的传输功能, 好像它们使用的是整个带宽一样.
3 M B-OFDM-UW B通信系统
多带方案将整个可用频带 ( 3. 1~ 10. 6 GH z) 分 为 13个子频带, 图 1为多带频谱划分方案, 每个子 带带宽为 528MH z. 把这 13个子带分为 4个不同的 组: A 组用于第 1代设备中 ( 3. 1~ 4. 9 GH z); B 组保 留将来用 ( 4. 9~ 6. 0 GH z); C 组用于 SOP ( 6. 0~ 8. 1 GH z); D 组保留将来用 ( 8. 1~ 10. 6 GH z) [ 5] .
超 宽带 ( ultra-w ideband) 是一种先进 的无线通 信技术, 这种原来专属军方使用的技术随着 2002年 2月美国联邦通信委员会 ( FCC ) 正式将其解禁而备 受世人关注. UWB 具有数据传输速率高、成本低、功 耗小、抗干扰能力强等优点, 被认为是下一代无线个 人局域网 ( WPAN ) 物理层的标准技术. 在物理层方 面, 到 2003年 7月基本上只剩下 2个主要竞争者, 即多频带正交频分复用 ( MB-OFDM ) 方案和直接序 列码分多址 ( DS-CDMA) 方案. 由于双方都没有达到 IEEE 标准所要求的 75% 的投票率, 因此, 均未能成 为 UW B物理层的标准.
就 3. 1~ 4. 8GH z带宽而言, 设计 UW B系统有数 种方法. 其中一种就是利用整个 1 700MH z的带宽, 这 种实现 UW B方法的主要缺点是使射频 RF 和模拟前 置电路具有如此宽的带宽, 在硬件实现上几乎是不可 能的; 需要高速率的模数转换器 ( A /D ) 处理宽带信 号, 将造成巨大的功率浪费; 在多径移动信道中捕捉 多径能量需要使用 rake接收机, 增加了系统的复杂 度. FCC规定 UW B信号的最小带宽应为 500MH z, 这 使得 UWB系统设计在许多方面发生了翻天覆地的变 化, 不需要使用整个频带来传输信息, 而把频带分为
12 8 52 8 4. 125 ( = B /N ) 242. 4 ( = 1 /v F ) 60. 61 ( = 32 /B ) 9. 47 ( = 5 /B ) 312. 5 ( = T FFT + T CP + T GI )
图中 OFDM 信号的合 成方法与 传统的 OFDM 系统类似, 只是符号长度、子载波间隔、循环前缀长 度等的具体参数与传统系统有较大差别. 每个子带 使用 128个子载波, 其中 100个数据子载波, 12个 导频子载波及 16个空子载波.
1 UW B 技术及其标准化进程
UW B 早期 的名 称 有脉 冲 无线 电 ( im pulse radio) 、无载波 ( carrier free) 等, 直到 1989年, 美国国 防部才正式使用 UW B 这一术语. 它的基本概念是 产生、发送和接收一段持续时间非常短的爆发式射 频脉冲, 持续时间范围一般在几十个皮秒到几个纳 秒 [ 1] . 由傅里叶变换的性质可知, 此脉冲在时 域内 的持续时间极短, 在频域内必然占有极宽的带宽, 利 用如此宽的频带, 可以实现数据的高速传输, 这可由 仙农公式给出解释:
图 1 多带频谱划分方案
鉴于频带范围在 3. 1 GH z至 4. 8 GH z之间, 以 及 FCC 要求 UWB 信号的带宽至少为 500MH z, 因 此, 初始部署的多频带 OFDM 系统只有 A 组中的 3 个子带可用, 之所以在每一个子带上采用 OFDM 技 术传输信息, 是因 为 OFDM 拥 有一些 非常 好的 特 性, 包括频谱利用率高、抗干扰能力强以及捕获多径 能量效率高等优点, 此外该技术非常成熟并已进行 商用 ( 如 IEEE 802. 11a /g ). 通过 ( T im e- frequency interleav ing, TF I)技术把不同子带上的信息比特进行 交织, 而在每一个子带中采用 OFDM 调制进行数据 的发送. TF I-OFDM 系统既可以 看做是一个全 频带 的 OFDM 系统, 也可以看做是一个子频带系统. 以 3 个子带为例说明通过 TF I技术如何传输 OFDM 符 号, 图 2为 TF I-OFDM 时频交织示意图.