用于个人局域网的超宽带技术研究

　　引言

　　个人局域网（PAN）是近几年在短距离（家庭与小型办公室）无线通信技术领域提出来的新概念。PAN 的核心思想是用新的无线传输技术代替传统的有线传输技术 ，实现个人信息终端的智能化互连 ，组建个人化的办公或者家用信息网络。目前已实现的 PAN 技术主要有 ： 超宽带 （ Ultra - Wideband ，UWB） 、 蓝牙 （Bluetoot h）、 IrDA （ In f rared Data Ass oc iati on） 以及HomeRF 等。 其中超宽带具有性能高、 功耗低的优点 ，这使得超宽带成为个人局域网 （ PAN） 研究领域中最富有竞争力的技术之一。

　　1 超宽带无线传输系统

　　超宽带无线技术可缩写为 “UWB”。超宽带技术是一种使用 1 GH z 以上带宽的最先进的无线通信技术。 由于频带非常宽 ，所以虽然是无线通信 ， 其通信速度仍可以达到几百Mbps 以上。超宽带的特点在于不使用载波 ，而是采用冲激脉冲（超短脉冲）。超宽带发射机端的脉冲电波是直接按照0或1发送的 ，由于只在需要时发送脉冲电波 ，因而大大减少了耗电量 ，可把电路的功耗降低到几十毫瓦。 因此与常规的无线电相比 ，超宽带具有频带宽、 平均功率低、抗截获性能好、穿透能力强、成本低以及优良的抗多径效应能力。

　　1. 1 超宽带 （ UW B） 的信号模型

　　超宽带 （ UW B）技术指具有很高带宽比（射频带宽与其中心频率之比）的无线电技术。 超宽带发射信号的分数带宽（带宽与中心频率之比）大于 25 %。 实现超宽带通信的首要任务是产生超宽带信号。 超宽带从本质上讲还是发射和接收高频电磁脉冲的技术 ，可使用不同的方式来产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码 ，这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。 信号模型有 ：脉冲位置调制 （ PPM） 、 脉冲幅度调制 （ PAM）、UWB-CDMA。 在超宽带通信中 ， 一般采用PPM对信号进行调制 ，扩频方式采用跳时（TH）扩频。PPM信号模型如公式 （ 1）所示 ：

　　其中W（t）是发送的单周期脉冲 ，满足代表多用户系统中第 k 个用户 ，tf为脉冲重复周期，wd［ ］tf，d是信息序列 ，δ表示由信息序列控制的发射脉冲时延 ， 每Ns个单周期脉冲波形传送一个二进制符号，d 表示传送的二进制“0” 和“1”序列 ，“［ ］”表示取整运算，tc是由PN码控制的发射脉冲时延表示了所发射的冲激脉冲串中第j个脉冲的起点， 为第k用户PN码的第j个码元 ，最大值为 NmaxC（k）j ，PN码周期为 Np 。

　　1. 2 　 超宽带技术的发射接收框架

　　通过上文对信号模型的分析可知 ，研究超宽带技术实质上是以占空比很低的冲激脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术。典型的超宽带无线电直接发射冲激脉冲串 ，不再具有传统的中频和射频的概念 ，此时发射的信号可以看成基带信号也可看成射频信号。冲激脉冲通常采用单周期高斯脉冲 ，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。 单周期脉冲的宽度在纳秒级 ，具有很宽的频谱。PPM 和 PAM 是超宽带技术的主要调制方式 ，其多址方式为脉冲位置多址 （ PPMA） ，由跳时PN 码和信息比特共同控制冲激脉冲的发射时刻。 超宽带通信系统有其特有的系统结构 ，图1所示的是采用 PPM 调制的超宽带系统框图。 发射端对输入的二进制数据流进行PPM调制后发射 ; 接收机采用相关接收 ，输入脉冲通过脉冲相关器 ，然后进行脉冲序列积分 ，最后检测判决。

　　2 　个人局域网中的超宽带技术

　　2. 1 　 未来无线个人局域网

　　近年在短距离 （家庭与小型办公室） 无线通信技术领域提出了个人局域网的概念。 无线个人局域网 （ WPAN） 指的是能在便携式电器和通信设备之间进行短距离特别连接 （ad hocconnectivity）的网。WPAN 的覆盖范围一般在10m半径以内 ，需要高速率无线网络的支持和服务。 高速率WPAN主要是针对未来的多媒体应用 ，它在便携式电器和通信设备之间建立无线连接 ，是比WLAN 覆盖范围更小、数据速率更高、有一定Qos保证、使用更灵活的一种网络 ，在未来的第四代移动通信中也将占有一席之地。

　　为了给高速率WPAN制定标准，IEEE专门成立了一个802.15.3 高速率WPAN任务组。802.15.3物理层工作在2.4GHz和 2.4835 GHz之间的不需许可证频段。 数据速率可达 11Mbit/s ～55Mbit/s ，适合高清晰度视像和高保真度声音的配送。 802.15.3 媒体接入控制 （ MAC） 层规范是根据支持特别网、 提供多媒体Qos和支持功率管理来设计的。 与无线局域网相比 ，802.15.3 高速率WPAN技术具有特别适合便携式消费者电器和通信设备及其应用的特点。表1给出了IEEE 802.15.3 高速率WPAN标准。

　　2. 2 　 用于个人局域网的超宽带技术的特点

　　超宽带技术能充分抑制多路径衰落的影响、 实现室内高质量近距离无线通信、 发送功率很小、 几乎不对其它宽带传输带来影响 ，这些使得超宽带技术成为实现个人局域网的众多技术中有极大发展优势的技术。 如图 2 为基于超宽带技术的个人局域网示例 ，其中的超宽带系统具有如下特点 ：

　　2. 2. 1 频谱宽、功耗低

　　相对于窄带收发信机及实现短距离通信的蓝牙收发信机而言 ，超宽带不需要产生正弦载波信号 ，可以直接发射受跳时伪随机码（PN码） 和信息比特控制的冲激脉冲序列 ，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率 ，有利于与其他系统共存 ，提高频谱利用率。

　　2. 2. 2 　 隐蔽性好、 安全系数高

　　由于超宽带信号采用了跳时扩频 ，其射频带宽可达1GH z以上 ，且发射功率频谱密度极低 ，信号隐蔽在环境噪声和其它信息号中 ，用传统的收发机无法分辨和接收 ，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能对大量类似于噪声的发射信息进行解调 ，由此增加了超宽带通信系统的安全性。

　　2. 2. 3 　 多径分辨能力强

　　超宽带信号波形的无载波状态导致即使在脉冲重叠时也只有很少的衰落。 为了达到103的误比特率 ，在加性高斯噪声信道下所需要的信噪比约为 13. 5d B ，而根据实测信道数据进行估算 ，在室内多径环境下 ，为了达到相同的性能 ，只需约15dB的信噪比。

　　2. 2. 4 　 超宽带信号极大的带宽带来极大的系统容量。

　　2. 2. 5 　 处理增益高

　　由以上特点可知超宽带技术最适用于拥挤的室内环境应用 ，并不太适合室外应用。 超宽带技术对高速、 短/ 中距离无线家庭网络用的下一代物理层 （ PHY ） 芯片是很理想的 ，有人预测 ，超宽带可用作待定的 Blueto ot h2. 0 版本的物理层 ，也是IEEE 802. 15.3 的下一代物理层的良好候选者。

　　图 2  基于超宽带技术的 PAN 示意图

　　2. 3 　 个人局域网中超宽带技术的研究方向

　　2. 3. 1 影响超宽带使用的一个非常实际的问题就是干扰

　　直到目前为止 ，超宽带使用非常宽的带宽来收发无线电信号 ，而实际上并不存在如此宽的空闲频带 ，总要出现与现有无线技术所使用的频带相互重叠的部分 ，特别是设计到航空、军事、 安全、 天文等领域。 超宽带的大量使用可能对GPS等其他窄带无线通信方式形成干扰 ，有关部门对 400MHz～6000MH z 工作的 UW B 的干扰进行的试验表明 ，在有条件情况下 ，3. 1 GH z～5. 65 GH z 的某些频段可以使用。 而固定卫星服务 （ 3.7GH z ～4.2GH z ） 、 微波着陆服务（ 5.03 GH z ～5.091 GH z）和多普勒气象雷达（ 5.6GHz～5.65GHz） 等还存在一些问题需要解决。 目前超宽带只能得到有限的应用 ，超宽带系统对于窄带系统的严重潜在干扰仍在进一步研究之中。

　　2.3.2 当前研究超宽带在未来 WPAN 中应用的重点之一是Ad hoc

　　Ad hoc 是一种有特殊用途的对等式网络 ，它使用无线通信技术 ，网络中直接通信范围内的节点互为路由器 ，通过相邻点转发实现Adhoc内部主机之间和内部主机与外部主机之间的通信。超宽带的特点使其有希望成为一种小空间内灵活和特别适合的传输方案 ：

　　第一 ，超宽带可在密集多径环境的室内提供高速数据速率 ，这正是未来的无线系统所需要的 ;

　　第二 ，超宽带的处理数据速率和功耗方面具有较高的灵活性 ，能根据传输参数和环境的不同而匹配最佳的数据速率。就无线终端设备而言 ，因为无需载波 ，接收机的结构将非常简单。 超宽带设备也将比传统无线技术的终端设备便宜 ;

　　第三 ，超宽带虽然要求在发射 — 接收之间同步 ， 但即使在网络中不同链路之间异步的情况下也能工作，因此对于Ad hoc ，由于无固定网络设施而使全网终端之间的同步高度复杂 ，超宽带也非常适用。

　　2 .3 .3 媒体访问控制（MAC）层的合理设计也是研究重点

　　高速数据在无线信道中传播容易产生分组丢失 、 突发损失 、 分组时延等问题 。同时，由于无线信道随时间、地点而变 ，从而为在用户移动的情况下仍能保持同样的 Qos 业务增加了难度。要解决这些问题都需要对MAC层进行合理设计 。UWB 系统的 MAC 层设计包括控制信道接入、Qos保证和安全性等 。

　　3 　 结束语

　　个人局域网对容量的要求不断提高 ，并且要求对现有通信系统不造成影响 ，超宽带脉冲无线电系统正好满足了这一要求 ， UWB 通信是一项很有发展潜力的高速无线接入技术 。相信随着对UWB研究的日益深入 ，超宽带无线电技术将更加完善 、更加有效地服务于人们的生活 。