UWB在室內(nèi)高速無線傳輸中的應(yīng)用研究

針對(duì)室內(nèi)高速無線傳輸環(huán)境，介紹了超寬帶傳輸新技術(shù)。研究了UWB應(yīng)用于室內(nèi)無線傳輸時(shí)信號(hào)波形設(shè)計(jì)、調(diào)制方式、多址技術(shù)、信道特性與系統(tǒng)構(gòu)成等方面的特點(diǎn)及存在的問題。通過分析比較：采用高斯信號(hào)波形，進(jìn)行脈沖位置調(diào)制方式及跳時(shí)技術(shù)，UWB能夠在誤碼率、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面取得較好的性能。
關(guān) 鍵 詞 超寬帶; 通信; 無線; 傳輸; 脈沖

隨著無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，給人們?nèi)粘Ｉ顜順O大的便利，同時(shí)，人們對(duì)無線通信也提出了更高的要求，要求其能夠提供更高的傳輸速率和傳輸質(zhì)量。特別是近年來無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)等概念的提出，要求能夠在室內(nèi)環(huán)境下無線數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到100 Mbps，以構(gòu)建個(gè)人化的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在室內(nèi)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)如此高的無線傳輸速率， 超寬帶(Ultra WideBand, UWB)技術(shù)是一個(gè)非常有競爭力的方式。它起源于20世紀(jì)60年代，原來主要應(yīng)用于雷達(dá)、定位等系統(tǒng)。由于其獨(dú)有的特性，特別是室內(nèi)短距離無線多址通信方面，超寬帶通信技術(shù)近年來受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究和關(guān)注。尤其是美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)在2002年2月開放了3.1～10.6 GHz頻段進(jìn)行UWB短距離通信之后，加快了UWB技術(shù)在室內(nèi)高速無線通信的研究和應(yīng)用。UWB具有頻譜寬、功耗低、成本低、傳輸速率高等特點(diǎn)，被列為未來通信的十大技術(shù)之一[1]。

1 UWB技術(shù)
1.1 UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
UWB傳輸技術(shù)，也稱脈沖傳輸技術(shù)，通過對(duì)非常窄(往往小于1 ns)的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制獲得非常寬的
帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。FCC關(guān)于UWB的定義為[2]()20HLcfff?>% (或者總帶寬 > 500 MHz)
式中 fH , fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時(shí)對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率，而不是通常所定義的3 dB帶寬，fc為載波頻率或中心頻率。
根據(jù)Shannon信道容限公式 )1(log02BNPBC+= (1)
式中 B為信道帶寬，N0為高斯白噪聲功率譜密度，P為信號(hào)功率。由式(1)得知，一是通過增加信號(hào)功率P的方式，增加信道容量，另一是通過增大傳輸帶寬來實(shí)現(xiàn)。UWB技術(shù)就是通過后者來獲得非常高的傳輸速率。另外，采用UWB技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 低功耗。由于傳輸帶寬很寬，所以即使發(fā)射功率很低，也能夠做到高速傳輸；2) 保密性好。由于能量分布在非常寬的頻帶上，功率低，使其具有低截獲概率；3) 抗多徑衰落。由于UWB通信采用窄脈沖信號(hào)，通常多徑信號(hào)在時(shí)間上可分辨，不會(huì)出現(xiàn)多徑信號(hào)之間相互抵消中的情況，另外還可以采用Rake接收等方式合并多個(gè)路徑信號(hào)，來提高信號(hào)輸出質(zhì)量；4) 較低的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。通常采用無載波傳輸，UWB系統(tǒng)幾乎可以做成全數(shù)字化；5) 對(duì)現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)有很低的干擾。不過，UWB通信系統(tǒng)由于帶寬很寬，如果在室外無線環(huán)境中傳輸，信道條件復(fù)雜，另外隨著傳輸距離的增大，就會(huì)要求增大發(fā)射功率，這樣也會(huì)對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)(包括現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)GPS)產(chǎn)生一定的干擾[3]，所以UWB通信主要用于室內(nèi)無線傳輸。
1.2 UWB通信系統(tǒng)常用波形及功率要求
在UWB通信系統(tǒng)中，窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生非常關(guān)鍵，一般可以用光導(dǎo)開關(guān)來完成，另外窄脈沖信號(hào)的波形對(duì)通信系統(tǒng)性能有重要影響，常用的窄脈沖信號(hào)波形有高斯脈沖、一階高斯微分和二階高斯微分，其信號(hào)波形分別為式中 Ep為脈沖能量, τ為脈沖寬度，Tc為時(shí)移量。典型波形及其功率頻譜如圖1、圖2所示，圖中脈沖能量Ep為1，時(shí)移量Tc為0.5 ns，脈沖寬度τ為0.2 ns。通過改變脈沖寬度τ來獲得不同帶寬的信號(hào)。
其他脈沖形狀還有正弦脈沖、Manchester脈沖、方波等，二階高斯微分信號(hào)在AWGN信道的誤碼率性能較好。不過，無論采用何種脈沖信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)信息，其信號(hào)的能量輻射必須滿足FCC相關(guān)規(guī)定的要求，在3.1 GHz～10.6 GHz頻帶的功率譜密度滿足?41 dBm/MHz，以減少對(duì)現(xiàn)有其他系統(tǒng)的干擾。FCC對(duì)室內(nèi)UWB通信的能量輻射要求如圖3所示。
1.3 UWB通信系統(tǒng)調(diào)制及多址方式
在現(xiàn)有的UWB系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式主要有PPM、雙極性信號(hào)(如BPSK)、脈沖幅度調(diào)制、通斷鍵控、正交調(diào)制以及這些調(diào)制方式的結(jié)合方式[4]。