用于個人局域網(wǎng)的超寬帶技術(shù)研究

　　引言

　　個人局域網(wǎng)（PAN）是近幾年在短距離（家庭與小型辦公室）無線通信技術(shù)領(lǐng)域提出來的新概念。PAN 的核心思想是用新的無線傳輸技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸技術(shù) ，實現(xiàn)個人信息終端的智能化互連 ，組建個人化的辦公或者家用信息網(wǎng)絡(luò)。目前已實現(xiàn)的 PAN 技術(shù)主要有 ： 超寬帶 （ Ultra - Wideband ，UWB） 、 藍牙 （Bluetoot h）、 IrDA （ In f rared Data Ass oc iati on） 以及HomeRF 等。 其中超寬帶具有性能高、 功耗低的優(yōu)點 ，這使得超寬帶成為個人局域網(wǎng) （ PAN） 研究領(lǐng)域中最富有競爭力的技術(shù)之一。

　　1 超寬帶無線傳輸系統(tǒng)

　　超寬帶無線技術(shù)可縮寫為 “UWB”。超寬帶技術(shù)是一種使用 1 GH z 以上帶寬的最先進的無線通信技術(shù)。 由于頻帶非常寬 ，所以雖然是無線通信 ， 其通信速度仍可以達到幾百Mbps 以上。超寬帶的特點在于不使用載波 ，而是采用沖激脈沖（超短脈沖）。超寬帶發(fā)射機端的脈沖電波是直接按照0或1發(fā)送的 ，由于只在需要時發(fā)送脈沖電波 ，因而大大減少了耗電量 ，可把電路的功耗降低到幾十毫瓦。 因此與常規(guī)的無線電相比 ，超寬帶具有頻帶寬、 平均功率低、抗截獲性能好、穿透能力強、成本低以及優(yōu)良的抗多徑效應(yīng)能力。

　　1. 1 超寬帶 （ UW B） 的信號模型

　　超寬帶 （ UW B）技術(shù)指具有很高帶寬比（射頻帶寬與其中心頻率之比）的無線電技術(shù)。 超寬帶發(fā)射信號的分數(shù)帶寬（帶寬與中心頻率之比）大于 25 %。 實現(xiàn)超寬帶通信的首要任務(wù)是產(chǎn)生超寬帶信號。 超寬帶從本質(zhì)上講還是發(fā)射和接收高頻電磁脈沖的技術(shù) ，可使用不同的方式來產(chǎn)生和接收這些信號以及對傳輸信息進行編碼 ，這些脈沖可以單獨發(fā)射或成組發(fā)射，并可根據(jù)脈沖幅度、相位和脈沖位置對信息進行編碼。 信號模型有 ：脈沖位置調(diào)制 （ PPM） 、 脈沖幅度調(diào)制 （ PAM）、UWB-CDMA。 在超寬帶通信中 ， 一般采用PPM對信號進行調(diào)制 ，擴頻方式采用跳時（TH）擴頻。PPM信號模型如公式 （ 1）所示 ：

　　其中W（t）是發(fā)送的單周期脈沖 ，滿足代表多用戶系統(tǒng)中第 k 個用戶 ，tf為脈沖重復周期，wd［ ］tf，d是信息序列 ，δ表示由信息序列控制的發(fā)射脈沖時延 ， 每Ns個單周期脈沖波形傳送一個二進制符號，d 表示傳送的二進制“0” 和“1”序列 ，“［ ］”表示取整運算，tc是由PN碼控制的發(fā)射脈沖時延表示了所發(fā)射的沖激脈沖串中第j個脈沖的起點， 為第k用戶PN碼的第j個碼元 ，最大值為 NmaxC（k）j ，PN碼周期為 Np 。

　　1. 2 　 超寬帶技術(shù)的發(fā)射接收框架

　　通過上文對信號模型的分析可知 ，研究超寬帶技術(shù)實質(zhì)上是以占空比很低的沖激脈沖作為信息載體的無載波擴譜技術(shù)。典型的超寬帶無線電直接發(fā)射沖激脈沖串 ，不再具有傳統(tǒng)的中頻和射頻的概念 ，此時發(fā)射的信號可以看成基帶信號也可看成射頻信號。沖激脈沖通常采用單周期高斯脈沖 ，一個信息比特可映射為數(shù)百個這樣的脈沖。 單周期脈沖的寬度在納秒級 ，具有很寬的頻譜。PPM 和 PAM 是超寬帶技術(shù)的主要調(diào)制方式 ，其多址方式為脈沖位置多址 （ PPMA） ，由跳時PN 碼和信息比特共同控制沖激脈沖的發(fā)射時刻。 超寬帶通信系統(tǒng)有其特有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，圖1所示的是采用 PPM 調(diào)制的超寬帶系統(tǒng)框圖。 發(fā)射端對輸入的二進制數(shù)據(jù)流進行PPM調(diào)制后發(fā)射 ; 接收機采用相關(guān)接收 ，輸入脈沖通過脈沖相關(guān)器 ，然后進行脈沖序列積分 ，最后檢測判決。

　　2 　個人局域網(wǎng)中的超寬帶技術(shù)

　　2. 1 　 未來無線個人局域網(wǎng)

　　近年在短距離 （家庭與小型辦公室） 無線通信技術(shù)領(lǐng)域提出了個人局域網(wǎng)的概念。 無線個人局域網(wǎng) （ WPAN） 指的是能在便攜式電器和通信設(shè)備之間進行短距離特別連接 （ad hocconnectivity）的網(wǎng)。WPAN 的覆蓋范圍一般在10m半徑以內(nèi) ，需要高速率無線網(wǎng)絡(luò)的支持和服務(wù)。 高速率WPAN主要是針對未來的多媒體應(yīng)用 ，它在便攜式電器和通信設(shè)備之間建立無線連接 ，是比WLAN 覆蓋范圍更小、數(shù)據(jù)速率更高、有一定Qos保證、使用更靈活的一種網(wǎng)絡(luò) ，在未來的第四代移動通信中也將占有一席之地。

　　為了給高速率WPAN制定標準，IEEE專門成立了一個802.15.3 高速率WPAN任務(wù)組。802.15.3物理層工作在2.4GHz和 2.4835 GHz之間的不需許可證頻段。 數(shù)據(jù)速率可達 11Mbit/s ～55Mbit/s ，適合高清晰度視像和高保真度聲音的配送。 802.15.3 媒體接入控制 （ MAC） 層規(guī)范是根據(jù)支持特別網(wǎng)、 提供多媒體Qos和支持功率管理來設(shè)計的。 與無線局域網(wǎng)相比 ，802.15.3 高速率WPAN技術(shù)具有特別適合便攜式消費者電器和通信設(shè)備及其應(yīng)用的特點。表1給出了IEEE 802.15.3 高速率WPAN標準。

　　2. 2 　 用于個人局域網(wǎng)的超寬帶技術(shù)的特點

　　超寬帶技術(shù)能充分抑制多路徑衰落的影響、 實現(xiàn)室內(nèi)高質(zhì)量近距離無線通信、 發(fā)送功率很小、 幾乎不對其它寬帶傳輸帶來影響 ，這些使得超寬帶技術(shù)成為實現(xiàn)個人局域網(wǎng)的眾多技術(shù)中有極大發(fā)展優(yōu)勢的技術(shù)。 如圖 2 為基于超寬帶技術(shù)的個人局域網(wǎng)示例 ，其中的超寬帶系統(tǒng)具有如下特點 ：

　　2. 2. 1 頻譜寬、功耗低

　　相對于窄帶收發(fā)信機及實現(xiàn)短距離通信的藍牙收發(fā)信機而言 ，超寬帶不需要產(chǎn)生正弦載波信號 ，可以直接發(fā)射受跳時偽隨機碼（PN碼） 和信息比特控制的沖激脈沖序列 ，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率 ，有利于與其他系統(tǒng)共存 ，提高頻譜利用率。

　　2. 2. 2 　 隱蔽性好、 安全系數(shù)高

　　由于超寬帶信號采用了跳時擴頻 ，其射頻帶寬可達1GH z以上 ，且發(fā)射功率頻譜密度極低 ，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信息號中 ，用傳統(tǒng)的收發(fā)機無法分辨和接收 ，必須采用與發(fā)射端一致的擴頻碼脈沖序列才能對大量類似于噪聲的發(fā)射信息進行解調(diào) ，由此增加了超寬帶通信系統(tǒng)的安全性。

　　2. 2. 3 　 多徑分辨能力強

　　超寬帶信號波形的無載波狀態(tài)導致即使在脈沖重疊時也只有很少的衰落。 為了達到103的誤比特率 ，在加性高斯噪聲信道下所需要的信噪比約為 13. 5d B ，而根據(jù)實測信道數(shù)據(jù)進行估算 ，在室內(nèi)多徑環(huán)境下 ，為了達到相同的性能 ，只需約15dB的信噪比。

　　2. 2. 4 　 超寬帶信號極大的帶寬帶來極大的系統(tǒng)容量。

　　2. 2. 5 　 處理增益高

　　由以上特點可知超寬帶技術(shù)最適用于擁擠的室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用 ，并不太適合室外應(yīng)用。 超寬帶技術(shù)對高速、 短/ 中距離無線家庭網(wǎng)絡(luò)用的下一代物理層 （ PHY ） 芯片是很理想的 ，有人預測 ，超寬帶可用作待定的 Blueto ot h2. 0 版本的物理層 ，也是IEEE 802. 15.3 的下一代物理層的良好候選者。

　　圖 2 基于超寬帶技術(shù)的 PAN 示意圖

　　2. 3 　 個人局域網(wǎng)中超寬帶技術(shù)的研究方向

　　2. 3. 1 影響超寬帶使用的一個非常實際的問題就是干擾

　　直到目前為止 ，超寬帶使用非常寬的帶寬來收發(fā)無線電信號 ，而實際上并不存在如此寬的空閑頻帶 ，總要出現(xiàn)與現(xiàn)有無線技術(shù)所使用的頻帶相互重疊的部分 ，特別是設(shè)計到航空、軍事、 安全、 天文等領(lǐng)域。 超寬帶的大量使用可能對GPS等其他窄帶無線通信方式形成干擾 ，有關(guān)部門對 400MHz～6000MH z 工作的 UW B 的干擾進行的試驗表明 ，在有條件情況下 ，3. 1 GH z～5. 65 GH z 的某些頻段可以使用。 而固定衛(wèi)星服務(wù) （ 3.7GH z ～4.2GH z ） 、 微波著陸服務(wù)（ 5.03 GH z ～5.091 GH z）和多普勒氣象雷達（ 5.6GHz～5.65GHz） 等還存在一些問題需要解決。 目前超寬帶只能得到有限的應(yīng)用 ，超寬帶系統(tǒng)對于窄帶系統(tǒng)的嚴重潛在干擾仍在進一步研究之中。

　　2.3.2 當前研究超寬帶在未來 WPAN 中應(yīng)用的重點之一是Ad hoc

　　Ad hoc 是一種有特殊用途的對等式網(wǎng)絡(luò) ，它使用無線通信技術(shù) ，網(wǎng)絡(luò)中直接通信范圍內(nèi)的節(jié)點互為路由器 ，通過相鄰點轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)Adhoc內(nèi)部主機之間和內(nèi)部主機與外部主機之間的通信。超寬帶的特點使其有希望成為一種小空間內(nèi)靈活和特別適合的傳輸方案 ：

　　第一 ，超寬帶可在密集多徑環(huán)境的室內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)速率 ，這正是未來的無線系統(tǒng)所需要的 ;

　　第二 ，超寬帶的處理數(shù)據(jù)速率和功耗方面具有較高的靈活性 ，能根據(jù)傳輸參數(shù)和環(huán)境的不同而匹配最佳的數(shù)據(jù)速率。就無線終端設(shè)備而言 ，因為無需載波 ，接收機的結(jié)構(gòu)將非常簡單。 超寬帶設(shè)備也將比傳統(tǒng)無線技術(shù)的終端設(shè)備便宜 ;

　　第三 ，超寬帶雖然要求在發(fā)射 — 接收之間同步 ， 但即使在網(wǎng)絡(luò)中不同鏈路之間異步的情況下也能工作，因此對于Ad hoc ，由于無固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施而使全網(wǎng)終端之間的同步高度復雜 ，超寬帶也非常適用。

　　2 .3 .3 媒體訪問控制（MAC）層的合理設(shè)計也是研究重點

　　高速數(shù)據(jù)在無線信道中傳播容易產(chǎn)生分組丟失 、 突發(fā)損失 、 分組時延等問題 。同時，由于無線信道隨時間、地點而變 ，從而為在用戶移動的情況下仍能保持同樣的 Qos 業(yè)務(wù)增加了難度。要解決這些問題都需要對MAC層進行合理設(shè)計 。UWB 系統(tǒng)的 MAC 層設(shè)計包括控制信道接入、Qos保證和安全性等 。

　　3 　 結(jié)束語

　　個人局域網(wǎng)對容量的要求不斷提高 ，并且要求對現(xiàn)有通信系統(tǒng)不造成影響 ，超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求 ， UWB 通信是一項很有發(fā)展?jié)摿Φ母咚贌o線接入技術(shù) 。相信隨著對UWB研究的日益深入 ，超寬帶無線電技術(shù)將更加完善 、更加有效地服務(wù)于人們的生活 。