多频带OFDM为何比直接序列(DS)技术更适合高速UWB通讯

多频带OFDM为何比直接序列 (DS) 技术更适合高速UWB通讯

第一部份：频宽和多路径

1. 前言

大约三年前，美国联邦通讯委员会发布一份历史性的Report & Order报告，将3.1 GHz至10.6 GHz的7,500 MHz频谱配置给超宽带 (UWB) 装置使用。（图一：UWB装置的发射限制值）。这份报告为产业和学术界带来许多创新与技术进步的机会，业界也纷纷成立各种组织，例如多频带OFDM联盟 (Multi-band OFDM Alliance)、UWB论坛 (UWB Forum) 以及IEEE 802.15.3a特别工作小组，希望为UWB技术建立共同的标准。

有了UWB频谱，厂商就能发展新型无线个人局域网络 (PAN) 技术，并以低功耗和低成本实现高速无线通讯。UWB承诺在真实世界的多路径环境里提供各种数据速率，其范围从10公尺距离的110 Mbps往上延展至2公尺距离的480 Mbps；事实上，唯有UWB技术既能在近期内满足消费者对更高数据速率的无止境要求，又能继续做为低成本和低功耗的解决方案。

就应用观点而言，UWB技术的主要推动力之一是其「免除缆线」的能力；有了UWB技术的协助，消费者才有可能在购买高画质电视机并接上电源之后，立刻能让这部电视兼容于家庭娱乐中心的各种装置 (例如: DVD、机上盒、个人录像机、PlayStation游戏机等)，而不需要连接任何电缆线。UWB能做到这点的主要原因，是它可以支持很高的数据速率，并且利用网络联机质量 (QoS) 技术把这种高数据速率带到室内；事实上，UWB解决方案的初期工程样品已经问世，许多产品也已在2005年的消费电子展现身。

 

图一：UWB对于室内和掌上型装置的发射限制值

2. 设计UWB系统的挑战

使用7,500 MHz频谱为高速无线UWB通讯系统的设计带来些许挑战，其中最困难的部份为设计射频电路 (低噪声放大器和混波器) 、模拟基频电路 (信道选择滤波器和可变增益放大器)、数字模拟转换器 (DACs) 以及模拟数字转换器 (ADCs) 。由于联邦通讯委员会要求频宽在任何时间最少都要达到500 MHz，这些电路必须支持至少500 MHz的频宽，甚至可能一路往上扩大到7,500 MHz。这些电路所支持的频宽越大，其设计就越困难，功耗也必然增加，这些因素显示较理想的做法为使用较小的频宽。然而选择较小的频宽却会损及传送功率（图一：清楚显示传送功率与频宽使用量有直接关系），因此在设计UWB系统时，势必要在传送功率以及射频、模拟和混合讯号电路的复杂性之间做出适当的取舍。

由于通讯系统联机距离的长短，基本上是取决于所收集的多路径能量的多寡，因此高速UWB通讯系统设计的另一项重要挑战，是从多个路径收集最多的能量。数种不同技术，例如单载波系统均衡器中的均衡器和耙式接收器 (RAKE receivers) 以及多载波系统的循环前缀 (cyclic prefix) 或是补零前缀 (zero-padded prefix)，可用来从多个路径收集能量。这些技术通常都在数字领域中实际操作，这样它们就能利用日益精密的硅芯片技术。随着作业环境的不同，选择单载波或多载波系统时，必然要就复杂性做出取舍，应用和多路径环境会决定何种方法能提供复杂性较低的解决方案。

将7,500 MHz频宽配置给UWB有个主要的缺点，那就是它会涵盖多个已有其它用途的频带，包括U-NII和WiMax。设计人员必须考虑如何处理频带内其它装置产生的干扰问题，同时控制其本身对这些装置所造成的干扰。除此之外，频带外装置发出的噪声，也是所有UWB设计人员所必须解决的问题，因此UWB系统必须具备强大的窄频噪声抵抗能力，并同时与现有及未来的装置共存。

目前仅美国完成UWB频谱的配置及规范，这是UWB系统设计的另一项挑战。欧洲、日本、韩国和世界其它地区正在为UWB产品配置频谱，但相关规范仍未定案，这些地区最后所决定的频谱配置方式和发射限制值可能与美国所制定的有所不同，因此系统设计必须提供足够的频谱弹性。最好是只要透过简单的软件修改就能完成频谱调整，使得一套解决方案就能适用于全世界各地，而不需要修改任何硬件。

最后，就市场角度而言，UWB解决方案的必须符合低成本，其功耗也应能达到目标应用的要求，这些都是UWB系统要能在市场上成功所须的关键。

总而言之，要设计一套成功的高速UWB通讯系统，这些挑战包括：
1. 频宽最佳化：射频、模拟和混合讯号设计与传送功率之间的取舍；
2. 多路径能量的收集；
3. 强大的窄频干扰抵抗能力，还能与现有及未来的装置共存；
4. 频谱弹性和全球电信法规的兼容性；以及
5. 复杂性及功耗限制。
3. 脉冲无线电和多频带OFDM UWB系统概述

传统的UWB通讯系统设计方法是采用脉冲无线电 (impulse radio)，它会将信息放入极窄的时域脉冲，使用很窄的时域脉冲是为了产生够宽的频谱 (通常等于或大于2,000 MHz)。在将信息位编码至很窄的时域脉冲前，通常会先透过很长的准随机序列或映像至多维度多讯号群 (multi-dimensional constellation) 的方式将这些信息打散，例如使用M-ary二位正交键控讯号群 (M-ary binary orthogonal keying constellation)。利用展频技术发展UWB通讯系统的主要优点，在于这些技巧已广被了解，并在IEEE 802.11b等其它商用技术中获得证明。UWB论坛是脉冲无线电UWB技术的支持者，其所制定的UWB技术通常又称为单载波直接序列超宽带技术 (single-carrier direct-sequence UWB)。

新近的UWB通讯系统设计方法则是以多频带正交分频调变 (multi-band OFDM) 技术为基础，它会将频谱分成数个次频带，同时让每个次频带宽度都略大于500 MHz，以符合UWB讯号要求。接着它会透过时间交错的方式 (time-interleaved) ，在各个次频带内利用很窄的时域OFDM符码传送信息 (请参考图二)，使得无论任何时刻，传送讯号都只局限在一个次频带。以时间交错方式利用多个次频带传送符码的主要优点，在于UWB系统可以传送同样的平均功率 – 就像它们在使用整个频宽，也就是次频带频宽乘上次频带数目所得到的频宽值。多频带的好处是瞬间处理频宽很小 (大约500 MHz)，这不但增加频谱的使用弹性和全球电信法规的兼容性，功耗及成本也会变得更低。因此采用OFDM的理由是其接收器收集多路径能量的效率相较于使用同样频宽的单载波系统为高。多频带OFDM联盟 (Multi-band OFDM Alliance) 是多频带OFDM (MB-OFDM) UWB技术的推动者。

这两种技术都已提交给IEEE 802.15.3a工作小组审核，后面将根据第二节所列出的部份挑战，例如它们的频宽、多路径能量的收集能力和接收器复杂性，来比较这两种方法。在后续文章里，将根据第二节列出的其它挑战，进一步比较这两种方法。

 

图二：以时间交错方式利用多个次频带传送OFDM符码的范例

4. MB-OFDM与DS-UWB系统比较

在这一章节里，将就频宽最佳化、多路径能量收集能力和接收器复杂性等方面，来比较多频带OFDM (MB-OFDM) 系统和直接序列UWB (DS-UWB) 系统，并特别检测分析单载波直接序列UWB系统在1,368 MHz芯片速率 (chip-rate) 下，使用16 finger耙式接收器；多频带OFDM系统使用128点快速傅立叶转换 (FFT)、60.6 ns补零前缀以及507 MHz瞬间操作频宽和1,521 MHz平均操作频宽。

4.1 频宽取舍

基本上，DS-UWB和MB-OFDM系统使用的平均工作频宽都一样，因此若忽略频谱可能出现的细微变动，这两种技术的传送功率其实相同。MB-OFDM解决方案的主要优点，在于其瞬间频宽无论何时都不会超过528 MHz，这表示基频通道选择滤波器和可变增益放大器所须支持的频宽，将远低于DS-UWB解决方案 (相差约三倍)；除此之外，MB-OFDM的混合讯号电路，特别是数字模拟转换器和模拟数字转换器，还能以低于DS-UWB解决方案的速率工作。虽然MB-OFDM解决方案所需的位数比DS-UWB解决方案多一个，但模拟数字转换器的功耗却至少能减少1.5倍以上。

由此可见，MB-OFDM解决方案的频宽表现显然优于DS-UWB解决方案。

4.2 多路径能量的收集

多路径信道环境对无线通讯系统的设计来说，具有相当的挑战性。因为无线通讯系统的效能和强固性，通常是由接收器所能收集的多路径能量多寡决定；而UWB信道模型在4到10公尺范围内，可能就会出现高度的发散性。一般非可视范围的通道环境，通常会有14 ns的均方根值延迟扩散时间 (RMS delay spread)，最恶劣通道环境的均方根值延迟扩散时间则达到25 ns。

随着系统种类的不同，接收器通常采用两种方法来收集多路径能量：或者在单载波系统中使用耙式接收器，或者在传送符码的前端加入循环前缀或补零前缀。OFDM等多载波接收器通常会采取后面一种做法。在绝大多数的UWB通讯系统中，当取样率的倒数总是远小于总延迟扩散时间，此时OFDM系统就比单载波解决方案更具有吸引力，特别当考虑到数字方面的复杂性时。

单载波系统的效能在高度发散性通道中会受到两项效应的限制。首先，它需要相当数量的RAKE finger才能收集足够的多路径能量。其次，通道的时间发散特性会造成符码间的干扰 (Inter-Symbol Interference，简称ISI)，进而导致系统效能下降。使用均衡器虽然可以减少符码间干扰的影响，但是需以更高的运算复杂性作为代价。

令r(n)相当于基频上的离散取样接收序列，则它可写成：

 

其中s(n)为传送序列，h(k)是长度为L的通道脉冲响应，w(n)是噪声序列。令y(n)代表耙式接收器的输出，它共涵盖L个系数，其中只有M个fingers不等于零，再令δ(k)代表M个延迟时间，分别对应于L-tap耙式接收器响应函数f(n)的非零系数，那么：

 

若接收器响应和通道脉冲响应完全匹配，接收器就能收集所有的多路径能量，但它也意味M必须等于L，如此将使耙式接收器的设计变得更为复杂。

图三将DS-UWB系统的多路径能量损耗以及 讯号／符码间干扰 的比值 (signal-to-ISI ratio) 表示成RAKE finger总数的函数，图中所示为通道中第90个百分位的数值，这相当于4至10公尺非可视范围的通道环境 (CM3)，以及114 Mbps的数据速率。图中还假设所选择的RAKE finger可在大约40 μs的间距内获得最大的多路径系数。从图三可看出，就算使用理想的16 finger RAKE，DS-UWB系统仍只能收集56%的多路径能量；使用16 finger耙式接收器时，符码间干扰只比讯号能量小9 dB，这会造成系统效能下降。值得注意的是，当数据速率加倍时，处理增益会减少一半，使得符码间干扰增加3 dB，例如对于16 finger耙式接收器来说，200 Mbps数据速率的符码间干扰约比讯号能量小5 dB，因此若没有均衡器的协助，讯号杂波比 (SINR) 将不足以使得信息位被成功的译码。

 

图三：DS-UWB系统在4至10公尺、非可视范围的通道环境内所收集的第90个百分位多路径能量

OFDM系统只需使用低复杂性的接收器，就能对多路径发散提供强大的抵抗能力，这项系统固有的特性，是由于其加入了循环前缀或与其等效的补零前缀。为了要支持补零前缀，接收器唯一要做的改变，就是收集与前缀等长的额外样本值，然后使用迭加法 (overlap-and-add) 以取得环形旋积的特性 (circular convolution)。我们可以证明使用循环前缀的接收器与信道脉冲响应进行线性旋积 (linear convolution) 运算时，其结果相当于执行环形旋积。由于时域的环形旋积运算等同于离散傅立叶域 (DFT domain) 的乘法运算，因此一个single-tap的频域均衡器就足以消除多路径信道对于传送讯号的影响。

补零前缀的长度决定其所能收集的多路径能量，补零前缀区间 (ZP window) 以外的多路径能量则会造成载波间干扰 (Inter-Carrier-Interference，简称ICI)，所以选择补零前缀长度时，应将载波间干扰的影响减至最小，将收集的多路径能量增至最大，同时减少循环前缀带来的额外处理负担。（图四：补零前缀的长度如何影响接收器在4至10公尺、非可视范围通道环境内所收集的能量，以及补零前缀区间外多路径能量所造成的载波间干扰）。以MB-OFDM解决方案中使用60.6 ns的补零前缀长度做比较，它在此通道环境内所实现的第90个百分位通道约能收集95%的多路径信道能量。

 

图四：将4至10公尺、非可视范围通道环境内所收集的多路径能量表示成循环前缀长度的函数

由此可见，MB-OFDM解决方案的多路径能量收集效率显然胜过DS-UWB解决方案。

4.3 接收器的复杂性

接收器复杂性是选择实体层时的重要参数，单载波系统的复杂性会随着RAKE finger数目和接收器取样率而线性增加。对于DS-UWB系统而言，一个M-finger耙式接收器的每个芯片都必须执行M次的复数乘法，因此以芯片速率进行取样的16 finger耙式接收器，平均每奈秒就必须执行21.9次的复数乘法，这只是针对DS-UWB系统的复杂性分析，还不包括导入高速可适性均衡器所需的复杂性。信息数据速率很高 (> 200 Mbps) 的单载波系统通常都需要这种均衡器。

OFDM系统的复杂性会随着快速傅立叶转换 (FFT) log2(N)的大小而以对数改变，若采用N点快速傅立叶转换，每个OFDM符码就需要执行 (N/2) 次复数运算。由于补零前缀的影响，OFDM符码通常会超过N个样本值。对于多频带OFDM系统，快速傅立叶转换每奈秒只须执行1.48次复数乘法，而single-tap频域均衡器每奈秒则需要额外的0.42次复数乘法，因此整个接收器每奈秒只须执行1.9次乘法，比DS-UWB系统的复杂性减少了十倍。除此之外，多载波系统也不必为了提高信息的数据速率而增加其复杂性。

就高发散性通道而言，MB-OFDM接收器在多路径能量收集方面，其效率远高于DS-UWB解决方案。

5. 结论

联邦通讯委员会的历史性Report & Order报告，为超高速无线个人局域网络的技术发展，开启了许多新的研究领域，本文讨论了成功建造UWB系统所须克服的数项重要挑战。我们还以第二小节所介绍的多项要求为标准，比较了高速UWB通讯系统的两种主要候选技术，结果证明MB-OFDM解决方案比DS-UWB解决方案更适合于高速UWB通讯系统。