UWB在室内高速无线传输中的应用研究

针对室内高速无线传输环境，介绍了超宽带传输新技术。研究了UWB应用于室内无线传输时信号波形设计、调制方式、多址技术、信道特性与系统构成等方面的特点及存在的问题。通过分析比较：采用高斯信号波形，进行脉冲位置调制方式及跳时技术，UWB能够在误码率、系统实现等方面取得较好的性能。
关 键 词 超宽带; 通信; 无线; 传输; 脉冲

随着无线通信技术飞速发展，给人们日常生活带来极大的便利，同时，人们对无线通信也提出了更高的要求，要求其能够提供更高的传输速率和传输质量。特别是近年来无线因特网、无线局域网、无线个人区域网等概念的提出，要求能够在室内环境下无线数据传输速率达到100 Mbps，以构建个人化的信息网络系统。在室内环境下实现如此高的无线传输速率， 超宽带(Ultra WideBand, UWB)技术是一个非常有竞争力的方式。它起源于20世纪60年代，原来主要应用于雷达、定位等系统。由于其独有的特性，特别是室内短距离无线多址通信方面，超宽带通信技术近年来受到学术界和产业界的广泛研究和关注。尤其是美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)在2002年2月开放了3.1～10.6 GHz频段进行UWB短距离通信之后，加快了UWB技术在室内高速无线通信的研究和应用。UWB具有频谱宽、功耗低、成本低、传输速率高等特点，被列为未来通信的十大技术之一[1]。

1 UWB技术
1.1 UWB技术的优点
UWB传输技术，也称脉冲传输技术，通过对非常窄(往往小于1 ns)的脉冲信号进行调制获得非常宽的
带宽来传输数据。FCC关于UWB的定义为[2]()20HLcfff−>% (或者总带宽 > 500 MHz)
式中 fH , fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时对应的高端频率和低端频率，而不是通常所定义的3 dB带宽，fc为载波频率或中心频率。
根据Shannon信道容限公式 )1(log02BNPBC+= (1)
式中 B为信道带宽，N0为高斯白噪声功率谱密度，P为信号功率。由式(1)得知，一是通过增加信号功率P的方式，增加信道容量，另一是通过增大传输带宽来实现。UWB技术就是通过后者来获得非常高的传输速率。另外，采用UWB技术进行无线传输，具有如下优点：1) 低功耗。由于传输带宽很宽，所以即使发射功率很低，也能够做到高速传输；2) 保密性好。由于能量分布在非常宽的频带上，功率低，使其具有低截获概率；3) 抗多径衰落。由于UWB通信采用窄脉冲信号，通常多径信号在时间上可分辨，不会出现多径信号之间相互抵消中的情况，另外还可以采用Rake接收等方式合并多个路径信号，来提高信号输出质量；4) 较低的系统复杂性和成本。通常采用无载波传输，UWB系统几乎可以做成全数字化；5) 对现有窄带通信系统有很低的干扰。不过，UWB通信系统由于带宽很宽，如果在室外无线环境中传输，信道条件复杂，另外随着传输距离的增大，就会要求增大发射功率，这样也会对现有通信系统(包括现有的全球定位系统GPS)产生一定的干扰[3]，所以UWB通信主要用于室内无线传输。
1.2 UWB通信系统常用波形及功率要求
在UWB通信系统中，窄脉冲信号的产生非常关键，一般可以用光导开关来完成，另外窄脉冲信号的波形对通信系统性能有重要影响，常用的窄脉冲信号波形有高斯脉冲、一阶高斯微分和二阶高斯微分，其信号波形分别为式中 Ep为脉冲能量, τ为脉冲宽度，Tc为时移量。典型波形及其功率频谱如图1、图2所示，图中脉冲能量Ep为1，时移量Tc为0.5 ns，脉冲宽度τ为0.2 ns。通过改变脉冲宽度τ来获得不同带宽的信号。
其他脉冲形状还有正弦脉冲、Manchester脉冲、方波等，二阶高斯微分信号在AWGN信道的误码率性能较好。不过，无论采用何种脉冲信号传递数据信息，其信号的能量辐射必须满足FCC相关规定的要求，在3.1 GHz～10.6 GHz频带的功率谱密度满足−41 dBm/MHz，以减少对现有其他系统的干扰。FCC对室内UWB通信的能量辐射要求如图3所示。
1.3 UWB通信系统调制及多址方式
在现有的UWB系统中，常用的调制方式主要有PPM、双极性信号(如BPSK)、脉冲幅度调制、通断键控、正交调制以及这些调制方式的结合方式[4]。