Adhoc物理层关键问题的探讨

Ad hoc物理层关键问题的探讨吴昊,　李承恕(北京交通大学现代通信研究所,北京100044) 摘要:Ad hoc网络一般都是基于无线通信的,同样需要解决衰落、多径干扰、功率控制等无线通信经常遇到的问题。

本文针对Ad hoc网络中物理层的若干关键问题进行了探讨,包括选择和参考的标准,M IM O、O FDM、UW B、软件无线电等与物理层有关的新技术以及物理层模型对其他层的影响。

关键词:Ad hoc;物理层;M IMO;O FDM;UW B;软件无线电 中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1003-8329(2006)03-0016-04　Discussions about Ad Hoc Ph ysical Layer Key ProblemsW U H ao,　LI Cheng-shu(M odern Telecommunicatio n Institute,Beij ing J ia oto ng Univ ersity,Beij ing100044,China)Abstract:Ad hoc netw orks g enerally are based on wireless com munica tion,so they also need to solv e tho se pro blem s that a re o ften meet in wireless comm unicatio n,such as fading,mul-tipath interference,and pow er co ntrol.This paper will mainly discuss so me key pro blem s of the physical lay er in ad hoc netwo rks,including standard,M IM O,O FDM,UW B,softwa re radios and o ther new techniques related to physical layer.The im pact of phy sical m odel to other layers is also described in this paper.Key words:Ad hoc;phy sical layer;M IMO;OFDM;UW B;softw are radios1　前　言 Ad hoc网络是一种特殊的多跳移动无线网络,不依赖于任何固定基础设施,这种临时性的网络具有广泛的应用场合,而物理层技术的确定是决定Ad hoc网络潜能能否得到充分施展的一个关键所在。

本文针对ad hoc网络中物理层的若干关键问题进行了探讨,包括选择和参考的标准,M IM O、O FDM等新技术以及物理层模型对其他层的影响。

2　Ad hoc物理层可选择和参考的标准 到目前为止,ad hoc物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标准,其中包括IEEE802.11系列、蓝牙(Bluetooth)、HiperLAN 等标准所定义的物理层。

2.1　IEEE802.11系列物理层标准 在802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩展频谱技术和一个红外技术规范,无线传输的频基金项目:国家自然科学基金(No.60372093)和北京交通大学校基金项目(No.2004SM003)。

作者简介:吴昊,女,1973年出生,北京交通大学现代通信研究所,副教授/博士。

主要研究方向为移动通信,移动ad hoc网络和宽带无线通信。

道定义在2.4GHz 的ISM 波段内,可以使用跳频扩频FHSS (frequency hopping spread spectrum )和直接序列扩频DSSS (direct sequence spreadspectrum )技术,扩展频谱技术保证了802.11的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量,这项技术还可以降低同其他使用同一段的设备之间的相互干扰。

802.11无线标准定义的传输速率是1Mbit /s 和2Mbit /s 。

802.11规定了infrastructure 和ad hoc 两种工作模式,在ad ho c 模式中(见图1),至少需要包含两个无线终端,每两个无线终端之间直接相连实现资源共享,不需要无线接入点AP 和分布式系统,由此构成的无线局域网也称为独立基本服务集合IBSS (Independent Basic Service Set)网络。

图1　802.11ad hoc 工作模式 802.11b 的增强物理层增加了两个新的速率:5.5M bit /s 和11Mbit /s 。

为了实现这个目标,采用了补码序列CCK(Com plementary Code Keying )与直接序列扩频技术,采用了动态速率调节技术,允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补偿环境的不利影响。

在理想状态下,用户以11Mbit /s 的全速运行。

802.11g 其实是一种混合标准,采用了802.11a 中的正交频分复用(O FDM )技术,可提供相对短距离的高达54M bit /s 的速率,同时能适应传统的802.11b 标准,在2.4GHz 频率下提供每秒11M bit /s 数据传输率。

2.2　蓝牙物理层标准 蓝牙更适用于近距离的无线传输,发射距离一般可达10m ,增加功率情况下可达100m ,其工作频段也在ISM 2.4GHz,数据速率为1M bit /s,低功耗是蓝牙设备的一个显著特点,美国要求功耗小于0dBm (1mW ),其他国家可扩展为l 00dBm ,蓝牙采用跳频通信,跳频频率数为79个频点/M Hz,跳频速率1600跳/秒,数据连接方式支持面向连接业务和无连接业务。

蓝牙标准化团体美国蓝牙兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group ,Bluetoo th SIG )已宣布下一代高速蓝牙决定采用超宽带(UW B )技术,以获得更高速率。

2.3　HIPERLAN 物理层标准 HIPERLAN 标准是欧洲电信标准化协会(ET-SI)的宽带无线电接入网络(BRAN )小组制定的HIPER(H ig h Performa nce Radio )接入泛欧标准,已经推出HIPERLAN 1和HIPERLAN 2。

Hiper-LAN1对应IEEE802.11b;HiperLAN 2与IEEE802.11a 具有相同的物理层,强调与3G 整合,是目前较完整的W LAN 协议。

HIPERLAN 工作频段为5.15～ 5.30GHz 和17.1～17.2G Hz,数据率可达23.529M bit /s 。

它支持多跳选路(m ultihop routing )、实时业务和节电特性,使用一种类似于CSM A /CD 的接入方式来共享频带。

HIPERLAN 主要集中在ad hoc 连网应用和支持更高的数据率。

3　Ad hoc 网络物理层关键技术 Ad ho c 网络多跳共享广播信道带来的直接影响就是存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题。

这些问题的存在使得传统的无线资源管理与空中接口不再适用于ad hoc 网络中。

人们也正在根据移动ad hoc 的新特性致力于将其与现有通信技术融合,充分采用已有的通信理论和方法为其服务。

下面我们将介绍ad hoc 网络物理层所涉及的关键技术和新技术。

3.1　正交频分复用 正交频分复用(OFDM )是多载波传输的特例,是以多个副载频并发来传输高速数字信息,每个副载频留取足够长的时间和码元宽度来“躲避”多径衰落信道带来的码间干扰的影响。

目前,O FDM 技术也成为了商用高速宽带无线通信技术的主要候选。

例如,新的无线局域网标准,包括IEEE 802.11a 和IEEE 802.11g ,都采用了OFDM 技术,它能在5GHz 范围提供高达54Mbit /s 的速率。

在高性能局域网如HIPERLAN /2和ETSI -BRAN 中也有采用。

为了提高ad hoc 网络传输效率与带宽,ad hoc 网络一样可以采用O FDM 技术。

但这种采用是吸收其思想,而无法完全照搬,因为它们在ad hoc 环境下还存在下面一些问题:由于各个节点都是在运动的,在高速移动环境下(一般指速度大于150km /h )多普勒频移产生的时间选择性衰落,目前除了交织码外尚无有效的解决办法。

3.2　M IM O (多入多出)技术 M IMO (Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)是指在发射端和接收端,分别使用多个发射天线和接收天线。

利用M IM O 技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。

目前,M IMO 技术领域的另一个研究热点就是空时编码。

空时码的主要思想是,利用空间和时间上的编码,实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。

M IM O 天线阵列,是一种开环的M IM O 技术,M 个发送天线,使用编码重用技术,将同样码集的每个码重复使用M 次,每个码用来调制不同的数据子流,这样在不增加码资源的基础上,提高了原始数据的传输速率。

为了分辨M 个数据子流,在接收端,需要使用多天线和空间信号处理。

3.3　M IM O +O FDM 技术 M IM O+OFDM 技术通过在OFDM 传输系统中,采用阵列天线实现空间分集,以提高信号质量,是OFDM 与M IMO 相结合而产生的一种新技术。

它采用了时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。

图2为M IM O 和O FDM 系统的接收方案框图。

图2　M IM O 和O FDM 系统的接收方案框图 从图中可以看出,M IM O +O FDM 系统,有N t个发送天线和N r 个接收天线,提供多个空间信道,不会全部同时遭受到衰落的影响。

M IMO 和OFDM 技术在各自的领域,都发挥了巨大的作用,将二者相结合并应用到ad hoc 网络的物理层中,正在成为无线通信的一个研究热点。

可以采用波束成形和不同的空时编码算法对链路质量作自适应的调整。

因此,对每一对可能的收发信机装置(i ,j )存在一个矩阵信道H i ,j (t )。

另外在几何距离上更接近发信机的非视线距离内(N LS)终端可能比视线距离内的远端终端具有更坏的链路。

这就促使了采用更复杂的物理层和跨层研究。

3.4　超宽带(UW B) 超宽带(UWB )调制技术采用上升和下降时间都非常快的基带脉冲成形,这样脉冲占用的带宽高达几GHz,因此最大数据传输速率可达几百Mbit /s 。