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用于個(gè)人局域網(wǎng)的超寬帶技術(shù)研究

作者: 時(shí)間:2017-10-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/366984.htm

  (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(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互連 ,組建個(gè)人化的辦公或者家用信息網(wǎng)絡(luò)。目前已實(shí)現(xiàn)的 PAN 技術(shù)主要有 : ( Ultra - Wideband ,UWB) 、 藍(lán)牙 (Bluetoot h)、 ( In f rared Data Ass oc iati on) 以及HomeRF 等。 其中具有性能高、 功耗低的優(yōu)點(diǎn) ,這使得成為 ( 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(jìn)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(dá)到幾百M(fèi)bps 以上。超寬帶的特點(diǎn)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(jī)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(shí)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(qiáng)、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?jǐn)?shù)帶寬(帶寬與中心頻率之比)大于 25 %。 實(shí)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(jìn)行編碼 ,這些脈沖可以單獨(dú)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(jìn)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(jìn)行調(diào)制 ,擴(kuò)頻方式采用跳時(shí)(TH)擴(kuò)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(gè)用戶 ,tf為脈沖重復(fù)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(shí)延 , 每Ns個(gè)單周期脈沖波形傳送一個(gè)二進(jìn)制符號,d 表示傳送的二進(jìn)制“0” 和“1”序列 ,“[ ]”表示取整運(yùn)算,tc是由PN碼控制的發(fā)射脈沖時(shí)延表示了所發(fā)射的沖激脈沖串中第j個(gè)脈沖的起點(diǎn), 為第k用戶PN碼的第j個(gè)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(shí)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(kuò)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(shí)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(gè)信息比特可映射為數(shù)百個(gè)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(shí)PN 碼和信息比特共同控制沖激脈沖的發(fā)射時(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行PPM調(diào)制后發(fā)射 ; 接收機(jī)采用相關(guān)接收 ,輸入脈沖通過脈沖相關(guān)器 ,然后進(jìn)行脈沖序列積分 ,最后檢測判決。

  2  中的超寬帶技術(shù)

  2. 1   未來無線個(gè)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(gè)人局域網(wǎng)的概念。 無線個(gè)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(jìn)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(dòng)通信中也將占有一席之地。

  為了給高速率WPAN制定標(biāo)準(zhǔn),IEEE專門成立了一個(gè)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(dá) 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(jì)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(fèi)者電器和通信設(shè)備及其應(yīng)用的特點(diǎn)。表1給出了IEEE 802.15.3 高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。

  2. 2   用于個(gè)人局域網(wǎng)的超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)

  超寬帶技術(shù)能充分抑制多路徑衰落的影響、 實(shí)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(shí)現(xiàn)個(gè)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(gè)人局域網(wǎng)示例 ,其中的超寬帶系統(tǒng)具有如下特點(diǎn) :

  2. 2. 1 頻譜寬、功耗低

  相對于窄帶收發(fā)信機(jī)及實(shí)現(xiàn)短距離通信的藍(lán)牙收發(fā)信機(jī)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(shí)偽隨機(jī)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(shí)擴(kuò)頻 ,其射頻帶寬可達(dá)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(jī)無法分辨和接收 ,必須采用與發(fā)射端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能對大量類似于噪聲的發(fā)射信息進(jìn)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(qiáng)

  超寬帶信號波形的無載波狀態(tài)導(dǎo)致即使在脈沖重疊時(shí)也只有很少的衰落。 為了達(dá)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(shí)測信道數(shù)據(jù)進(jìn)行估算 ,在室內(nèi)多徑環(huán)境下 ,為了達(dá)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(diǎn)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(yù)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(gè)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(gè)非常實(shí)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(shí)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(jì)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(jìn)行的試驗(yàn)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(dá)( 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(yán)重潛在干擾仍在進(jìn)一步研究之中。

  2.3.2 當(dāng)前研究超寬帶在未來 WPAN 中應(yīng)用的重點(diǎn)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(diǎn)互為路由器 ,通過相鄰點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)Adhoc內(nèi)部主機(jī)之間和內(nèi)部主機(jī)與外部主機(jī)之間的通信。超寬帶的特點(diǎn)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?yàn)闊o需載波 ,接收機(jī)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(fù)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(jì)也是研究重點(diǎn)

  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(shí)延等問題 。同時(shí),由于無線信道隨時(shí)間、地點(diǎn)而變 ,從而為在用戶移動(dòng)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(jìn)行合理設(shè)計(jì) 。UWB 系統(tǒng)的 MAC 層設(shè)計(jì)包括控制信道接入、Qos保證和安全性等 。

  3   結(jié)束語

  個(gè)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(xiàng)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 。



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