一種新的MB-OFDM-UWB技術(shù)分析與應(yīng)用

　　1 引言

　　超寬帶(UWB)通信技術(shù)具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多徑衰落、易數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。在因特網(wǎng)、多媒體和無線通信技術(shù)融合的今天，它是實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)無縫覆蓋的無線多媒體傳輸需求的熱門技術(shù)手段，被視為新一代無線個(gè)域網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

　　目前UWB有兩大標(biāo)準(zhǔn)：一是以Intel公司為首提交的多帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)方案;另一個(gè)是以Freescale公司為首提交的直擴(kuò)碼分多址(DS-CDMA)方案。而MB-OFDM方案已成為MBOA聯(lián)盟事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上提出的時(shí)頻交織MB-OFDM方式，與傳統(tǒng)OFDM有很多相似之處，又符合FCC關(guān)于UWB的定義，具有UWB的特點(diǎn)，是一種新的UWB通信實(shí)現(xiàn)方式，使得MB-OFDM芯片得到了越來越多廠商的支持和應(yīng)用。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)

　　1) 多頻帶的劃分

　　FCC公布UWB信號的定義是：相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大于0.2或絕對帶寬大于500 MHz的無線電信號。UWB系統(tǒng)可在發(fā)射功率譜密度小于-41.3 dBm/MHz的情況下，使用無需授權(quán)的3.1～10.6 CHz頻段。這里沒有限制UWB信號的實(shí)現(xiàn)方式，只要絕對帶寬大于500 MHz，并非要用脈沖無線電。因此，MB-OFDM-UWB技術(shù)打破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)。可將這個(gè)頻段分為14個(gè)帶寬為528 MHz的子帶、5個(gè)頻帶組：1組：3 168～4 752 MHz;2組：4 752～6 336 MHz;3組：6 336～7 920 MHz;4組：7 920～9 504 MHz;5組：9 504～1 056 MHz。由于UWB有效帶寬在3.1～5 GHz，因此，只有1組中3個(gè)子帶可用，其余保留備用。

　　2) 時(shí)頻交織(TFI)技術(shù)

　　時(shí)頻交織技術(shù)示意圖如圖1所示。

　　OFDM符號在3個(gè)子帶上進(jìn)行時(shí)域頻域交錯(cuò)傳輸，即在一個(gè)OFDM符號時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)子帶在工作。通過交錯(cuò)各子帶信號，UWB系統(tǒng)就像使用了整個(gè)帶寬，這樣就可在小得多的帶寬上處理信息，不僅降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、功耗及成本，而且還能提高頻譜利用率和靈活性，有助于在全球范圍內(nèi)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　3) 循環(huán)前綴和保護(hù)間隔設(shè)計(jì)

　　每個(gè)子帶內(nèi)采用OFDM調(diào)制，用128點(diǎn)IFFT完成，每個(gè)子載波用QPSK實(shí)現(xiàn)星座映射。OFDM符號間隔為312.5 ns，3個(gè)符號為一個(gè)周期937.5 ns，子載波間隔為4。采用60.6 ns循環(huán)前綴對抗多徑，9.5 ns保護(hù)間隔提供充足頻帶切換時(shí)間，IFFT周期為242.4 ns，參數(shù)見表1。通過跳頻將信息比特交織到子載波上，有較好的頻率分集效果和抗頻率選擇性衰落性能。

　　4) 可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

　　MB-TFI-OFDM技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性，能兼顧到目前技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性和可升級性。信道編碼采用卷積碼，碼率有1/3，11/32，1/2，5/8和3/4，系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)速率有55，80，110，160，200，320，480 Mbit/s。使用的頻帶可從3個(gè)頻帶組擴(kuò)展到7個(gè)頻帶組。

　　3 系統(tǒng)性能和特點(diǎn)

　　3.1 性能分析

　　利用MATLAB軟件對MB-TFI-OFDM UWB系統(tǒng)進(jìn)行仿真，圖2所示為跳頻后的OFDM符號在3個(gè)子帶上的功率譜密度仿真波形，可見，每個(gè)子帶帶寬約為528 MHz，采用時(shí)頻交織技術(shù)能實(shí)現(xiàn)在相同的時(shí)間內(nèi)采用不同頻段工作，而不會引起符號間干擾。因此，在不同頻帶的3個(gè)OFDM信號可并行傳輸，系統(tǒng)容量大，信道利用率高，頻譜更加靈活。

　　可靠性是系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在此用誤包率曲線表示。如圖3所示，誤包率是隨著信噪比的增加而減小的，且相同誤包率下，高速率對應(yīng)高信噪比，因此，采用高速率的MB-TFI-OFDM超寬帶系統(tǒng)，抗噪聲和干擾能力很強(qiáng)，有很大靈活性，可方便適應(yīng)不同地區(qū)的頻譜規(guī)范。但高速率只能在一定距離上獲得，即傳輸距離和速率是相互制約的，因此UWB系統(tǒng)具有高速率、短距離等特點(diǎn)?？梢?，這種MB-TFI-OFDM UWB技術(shù)是滿足WPAN的數(shù)據(jù)速率與誤碼率和傳輸距離的要求的。

　　3.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　1) 抗多徑、捕獲多徑信號的能力強(qiáng)。借助循環(huán)前綴克服多徑信道引入的時(shí)延擴(kuò)展，用結(jié)構(gòu)較簡單的接收機(jī)，就能在高度多徑環(huán)境中捕獲到更多信號，電路簡單、成本低、功耗低，電池可支持移動(dòng)設(shè)備長時(shí)間連續(xù)使用。

　　2) 頻譜靈活性強(qiáng)、共存性好。UWB使用無需授權(quán)頻段，確保不會對授權(quán)頻段設(shè)備產(chǎn)生干擾。MB-OFDM-UWB信號是由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，可用軟件動(dòng)態(tài)地打開或關(guān)閉某些特定頻段，使其符合本地規(guī)定，這有助于在不同國家內(nèi)采用MB-OFDM系統(tǒng)。

　　3) 設(shè)計(jì)復(fù)雜度低，上市快。傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)較復(fù)雜，MB-TFI-OFDM系統(tǒng)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，只采用QPSK調(diào)制，降低了IFFT和FFT實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及對ADC和DAC的分辨率要求。模擬前端電路甚至總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，易于用90 nm CMOS實(shí)現(xiàn)，縮短了產(chǎn)品投放市場的時(shí)間。

　　4) 安全機(jī)制建立方便?？山⒁粋€(gè)嵌入式、始終處于“開通”狀態(tài)的安全架構(gòu)，在協(xié)議棧的一些層次上提供安全性和隱私機(jī)制，確保無線技術(shù)所需的強(qiáng)壯性和對用戶的透明度。

　　4 技術(shù)應(yīng)用與展望

　　4.1 MBOA的UWB通用平臺

　　由于IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)僵局，MBOA于2004年初成立了特別興趣小組，著手制訂和推廣自己的物理層和MAC層規(guī)范，力爭成為全球事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。2004年5月，WiMedia聯(lián)盟和1394聯(lián)盟與MBOA聯(lián)合，使得MBOA的物理層和MAC層規(guī)范可廣泛支持各種應(yīng)用層業(yè)務(wù)，成為UWB標(biāo)準(zhǔn)通用平臺，如圖4所示，它可支持無線USB、無線1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多種應(yīng)用。物理層規(guī)范具備了480 Mbit/s的空中解碼能力，可進(jìn)一步升級，支持無線數(shù)字顯示接口(DVI)和高清晰媒體接口(HDMI)以及Gbit/s速率的數(shù)據(jù)傳輸。

　　4.2 Wisair-UWB芯片組

　　MBOA芯片已趨于成熟，具有代表性的產(chǎn)品是Wi-sair公司開發(fā)的UWB芯片組，已獲得美國FCC認(rèn)證。該芯片組包括：基于MB-OFDM方式的射頻收發(fā)芯片(Wi-sair 502 PHY RF chip)和基帶處理芯片(Wisair 531MACBaseband chip)。其中，用0.18μm硅鍺biCMOS工藝生產(chǎn)的502收發(fā)器可替代業(yè)界第一批符合WiMedia和MBOA標(biāo)準(zhǔn)的501收發(fā)器。它減少了UWB無線解決方案的功耗、尺寸和總成本，還支持多頻帶OFDM TFI和FFI模式。占據(jù)的頻譜在3.1 GHz和4.8 GHz之間，主要是3條528 MHz寬子頻帶。它可在短距離上提供高達(dá)480 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，它包括一個(gè)片上帶通濾波器、一個(gè)具有很寬可編程動(dòng)態(tài)范圍的寬帶接收器、以及一個(gè)帶有片上壓控振蕩器的超快速跳頻寬帶混頻器。其可編程的功率放大器可確保最大允許輸出功率。而且還支持用2個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)天線分集，不需要外部匹配不平衡變壓器。Wisair531UWB基帶芯片主要針對消費(fèi)電子設(shè)備不斷增長的對超高速視頻和數(shù)據(jù)傳送的需求。它們也適用于快速實(shí)現(xiàn)PC外設(shè)、移動(dòng)和汽車產(chǎn)品、以及要求在短距離上實(shí)現(xiàn)高速傳送的其他應(yīng)用。

　　4.3 各廠商應(yīng)用情況

　　2006年是UWB激活的一年，在全球超寬帶峰會上，有12家廠商展示了UWB產(chǎn)品及解決方案。2007年1月于美國消費(fèi)電子展(CES)上，又有不少廠商展出了基于UWB技術(shù)的商用產(chǎn)品。如美國DC REDNA研究所在梅賽德斯-奔馳R500上采用寬帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)高清視頻播放，采用了Intel的UWB解決方案;三星SC-D365無線數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，是全球首個(gè)采用超寬帶技術(shù)，以無縫方式顯示了通過無線USB鏈路發(fā)送的視頻剪輯，它不再需要取出內(nèi)存或通過電線連接，而是能將家庭電影片段以無線方式傳送到PC進(jìn)行存儲或顯示;華碩公司的一款無線HDMI產(chǎn)品，采用UWB支持S-Video端口、HDMI信號以及A-DI的ADV202 JPEG2000圖像解碼芯片，可用于高速影片圖片傳輸、音樂下載、打印，以及PC外設(shè)與消費(fèi)電子產(chǎn)品的數(shù)據(jù)同步。2007年5月，香港應(yīng)科院與深圳雅圖科技演示了他們共同研發(fā)的“世界上第一臺具無線超寬帶視頻流技術(shù)的超大屏幕投影電視”。

　　4.4 存在問題與前景展望

　　UWB的應(yīng)用推廣有3個(gè)至關(guān)重要的問題：一是標(biāo)準(zhǔn)問題，業(yè)界廠商要群策群力制定標(biāo)準(zhǔn)，才能帶來廣泛的互通和應(yīng)用;二是產(chǎn)業(yè)鏈的跟進(jìn)，包括芯片、系統(tǒng)廠商技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)與推廣;三是互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議。

　　WPAN技術(shù)主要的目的就是將電子設(shè)備之間的連線替換成無線連接，使家庭或辦公室中的各種設(shè)備之間的信息交換更加方便、靈活和快捷。MB-OFDM-UWB技術(shù)又是實(shí)現(xiàn)WPAN的最佳選擇之一，因此，在數(shù)字化無線家庭網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化辦公室、個(gè)人便攜設(shè)備和軍事等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

　　5 小結(jié)

　　MB-TFI-OFDM技術(shù)是UWB通信中一種新的實(shí)現(xiàn)方式，以它獨(dú)特的優(yōu)勢，將會促進(jìn)MB-OFDM芯片的商業(yè)化和產(chǎn)品化進(jìn)程，使得MB-OFDM方案得到了越來越多廠商的支持與應(yīng)用，從而有希望成為WPAN物理層的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。該技術(shù)仍處于起步階段，市場潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。我國應(yīng)該抓住國際上UWB的研發(fā)熱潮，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，根據(jù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)制定我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，積極開拓UWB技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化道路。