UWB超宽带无线通信技术及其发展前景

收稿日期:2004203208

UWB超宽带无线通信技术及其发展前景张新跃　沈树群(北京邮电大学电子工程学院　北京100876)摘　要:　本文首先介绍了超宽带技术的定义,描述了超宽带技术的特点和信道模型,阐述用于超宽带系统常用的多址方式和调制方式,给出了超宽带通信收发机结构,最后分析了国内外超宽带技术发展应用的前景。关键词:　UWB　多址技术　超宽带脉冲

0　引言 UWB超宽带技术(Ultra2WideBand)是一种新兴的无线技术,被认为是未来五年电信热门技术之一,在今后的十年中将在多种应用范围内获得迅速发展。如无线视频,声频和数据发送领域以及家用网络设备领域。以传统无线通信技术不同的是,UWB技术不使用载波,而是以占空比很低(几十分之一)的超短电磁能量窄脉冲作为信息载体的无载波通信技术。其特点是在非常宽的带宽内,发送噪音以下功率的低功率信号。超宽带技术解决了困扰无线技术多年的有关传播方面的重大难题,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、有低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。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。UWB在过去主要应用在雷达和GPS定位设备中,近年来关于UWB技术在宽带无线通信中应用的研究热潮正在兴起。诸如英特尔、摩托罗拉、Nokia、TI等通信设备制造商和芯片制造商相继投入大量的人力物力开始UWB的研究和开发工作,美国和日本已经开始了超宽带技术的商业化活动。我国在2001年9月初发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中,首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容,鼓励国内学者加强这方面的研发工作。1　UWB技术简介 超宽带无线电(UWB)的历史渊源,可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB无线电,又称冲激无线电(ImpulseRadio)技术,出现于1960年代,但其应用一直限于军事中雷达定位、测距等用途。2002年2月14日FCC(美国联邦通信委员会)在充

分讨论和研究UWB系统对GPS、WLAN等现有系统的干扰、电磁干扰性、安全性等问题后,批准将超宽带无线技术用于民用产品,尽管FCC对UWB的功率谱指标提出了苛刻的要求,但任何人不必申请就可以使用超宽带频段3.1GHz～10.6GHz进行通信,由此掀起了UWB技术用于民用高速率、低功耗通信的研究热潮。UWB是一种无载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。一般认为-10dB相对带宽超过25%,或者-10dB绝对带宽超过500MHz就称为超宽带。由计算信道容量的仙农公式:C=B・log

2(1+S/N)

可得,在信道容量

C

一定的情况下,带宽B与信噪比S/N可以互补。对于一个UWB无线系统来说,带宽可能比现存系统的带宽高很多,因此系统能够在很低的信噪比下工作。这也意味着UWB系统能以相对低的传输功率实现高数据率。理论上,UWB系统的传输速率可达几Gbps。1.1　UWB特点

・9・新技术《数据通信》　2004年　第2期UWB系统采用窄脉冲信号来实现通信,相对于扩频通信等传统连续载波调制传输方式而言是一种全新的传输与处理方式。其有如下特点:UWB信号占有频带宽,传输速率高:目前FCC开放的频段是3.1～10.6GHz,故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低较为平坦,具有很强的抗窄带干扰能力;极宽的频带加上室内多径影响的消除,可以实现较高数据传输速率,最大数据传输速度可达到每秒几千兆比特。很强的室内多径分辨能力:由试验数据表明,室内通信信道中多径时延常为纳秒级,当前的相对窄带无线通信系统无法对如此小的时延进行分辨,室内UWB通信系统采用时间宽度为纳秒级的时间离散窄脉冲进行传输,经多径反射的延时信号与直达信号在时间上是可以分离的,具有强抗多径衰落能力。硬件易实现:UWB通信系统无需中频处理,采用几乎全数字硬件结构,是典型的零中频处理系统。全数字结构非常适合软件无线电方式在通信传输系统中的应用,使得UWB通信系统可以做到低功耗、低成本、易维护,而且容易向COMS芯片集成。抗干扰能力强:在抗干扰通信领域,UWB通信系统与扩频通信的抗干扰机理相似,也是利用信号的宽带特性来实现抗干扰的性能要求。但与扩频系统相比,UWB系统占用更宽的信号带宽,具有更低的平均功率谱和很高的瞬时功率,在扩频处理增益和抗截获/探测概率两项重要性能指标上均远高于目前的常规扩频通信系统。功耗低:超宽带技术采用占空比很小(几十分之一)的窄脉冲进行通信,发射脉冲持续时间远小于脉冲重复周期,在实现同样传输速率时,功率消耗仅有传统技术的1/10～1/100。另外,由于功率谱密度非常低,几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中,具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等非常突出的优点,能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。UWB技术所拥有的这些独特优势使其成为室内密集多径的环境条件下高速大容量无线个域网系统的最佳解决方式。学术界和商界普遍认为它是完成室内点到点或者点到多点的数据、视频、传感信息传输的一种极具竞争力的实现方式,同时也是解决高速网络本地分配点与家庭或办公室之间高速无线连接的一种方式。1.2　UWB信道模型UWB信道不同于一般的无线衰落信道。传统无线衰落信道一般用瑞利分布来描述单个多径分量幅度的统计特性,前提是每个分量可以视为多个同时到达的路径合成。但是UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级,在典型的室内环境下,

每个多径分量包含的路径数目是有限的,这显然不符合瑞利分布的假定条件。UWB信道可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级,而且频率选择性衰落要比一般窄带信号严重得多。接收波形会产生严重失真,而且时延扩展极大。图1所示的是UWB信道上的发送和接收脉冲波形。

图1　UWB信道上的发送和接收脉冲波形 国际电子电气工程师协会IEEE802.15.3无线个域网工作组TG3a定义了四种UWB信道模型:CM1、CM2、CM3、CM4。这四种信道模型分别是CM1:0～4米的有视距信道(LOS);CM2:0～4

米的非视距信道(NLOS);CM3:4～10米的非视距信道(NLOS);CM4:特殊的非视距信道(NLOS),25

纳秒延迟扩展。信道的数学模型:

ci(t)=Xi

∑

L

l=1∑K

k=1αik,lδ(t-T

il-τi

k,l)

其中:L—多径信道的簇数;K—每簇中的径数;l—多径的增益系数;Tl—第l簇的到达时间;

k,l—第k径相对于Tl

的延迟;t—Deracdelat函

数。1.3　调制方式UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度限制,因而在两个方面影响调制方式的选择:第一,对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能;第二,

调制方案的选择影响了信号功率谱密度的结构,因此有可能把一些额外的限制加在传输功率上。适用于UWB的主要调制方式有:脉冲幅度调制PAM、通断键控调制OOK、跳时脉位调制TH2PPM、跳时/直扩二进制移频键控调制TH/DS2BP2

・01・《数据通信》　2004年　第2期新技术SK。就上述四种调制方式而言,综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素,目前广泛受关注的是后两种调制方式TH2PPM和TH/DS2BPSK。二者的区别在于采用匹配滤波器的单用户检测情况下,TH/DS2BPSK的性能要优于TH2PPM。而对TH/DS2BPSK而言,在速率高时,应优先选择DS2BPSK方式,速率低时,由于TH2BPSK受远近效应的影响要小,此时应选择TH2BPSK方式。在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时,两者差别不大;但在速率较高时,TH/DS2BPSK的性能还是要优于TH2PPM系统。1.4　多址方式无线信道的特点是多用户、多业务共享介质。如果没有完善的多址接入机制,将会发生碰撞而造成无线资源的浪费,因此要有效地共享无线资源,就需要一套完善的多址接入机制。在UWB系统中,多址接入方式与调制方式有密切联系。当系统采用PPM调制方式,多址接入方式多采用跳时(TH)多址;若系统采用BPSK方式,多址接入方式通常有两种:直序方式DS和跳时方式TH。基于上述两种基本的多址方式,许多其他多址方式陆续被提出,主要包括以下几种:1.4.1　伪混沌跳时多址方式(PCTH)PCTH根据调制的数据,产生非周期的混沌编码,用它替代TH2PPM中的伪随机序列和调制的数据,控制短脉冲的发送时刻,使信号的频谱发生变化,PCTH调制一方面能减少对现有的无线通信系统的影响,同时更不易被检测到。1.4.2　DS2BPSK/TH混合多址方式此方式在跳时(TH)的基础之上,通过直接序列扩频码进一步减少多址干扰,其多址性能优于TH2PPM,与DS2BPSK相当,但在实现同步和抗远近效应方面,具有一定的优势。1.4.3　DS2BPSK/FixedTH混合多址方式此方式的特点是:打破TH2PPM多址方式中采用随机跳时码的常规思路,利用具有特殊结构的固定跳时码(FixedTHCode),减少不同用户脉冲信号的碰撞概率。而且,即使有碰撞发生时,利用直接序列扩频的伪随机码的特性,也可以进一步削弱多址干扰。此外,由于UWB脉冲信号具有极低的占空比,其频谱能够达到GHz的数量级,因而UWB在时域中具有其他调制方式所不具有的特性。当多个用户的UWB信号被设计成不同的具有正交波形时,根据多个UWB用户时域发送波形的正交性,以区分用户,实现多址,这被称之为波分多址技术。

2　UWB收发机结构 由于UWB系统直接通过脉冲调制发送信号而无传统的中频处理单元,所以UWB收发系统可以采用软件无线电的全数字硬件接收结构,实现简单,

同时具有通信系统灵活性和可扩展性等特点,数字信号处理部分还可以通过软件动态加载实现传输速率、编码方式、功耗等可配置。这种灵活性正是功率受限的未来移动计算所必须的。另外,全数字结构的UWB通信系统可以做到功耗低、成本低、易维护、易升级,而且很容易向单片COMS芯片集成,达到便携式设备在高速家庭网络应用的商业目的。UWB收发机结构如图2所示:

图2　UWB收发机结构 因为没有复杂的射频、中频变换,UWB收发机模拟信号处理可以简化,接收的脉冲信号通过天线匹配、滤波、放大后直接作A/D转换,将复杂的解调、匹配滤波、分集接收、信道估计、均衡等基带处理交给数字信号处理器处理。同样发送的信号由数字信号处理器完成复杂的编码、交织处理,数字信号通过D/A转换后脉冲成形、放大,然后发射。整个系统通过几个芯片就能完成。当然,UWB系统的设计也面临一些挑战,如UWB系统所用的超宽带天线、超窄脉冲的生成、低能量窄脉冲的检测、A/D和D/A变换的精度及速度、脉冲接收精确定时等。据最新报道,美国XtremEspectrum公司已经开始销售使用超宽带无线技术的芯片组。该芯片组的最大数据传输速度高达100Mbit每秒,与此同时,耗电量仅200mW,尚不足5GHzWLAN芯片组的一半。芯片包括遵循近距离无线标准方式