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1、2005年1月第27卷 第1期系统工程与电子技术Systems Engineering and ElectronicsJan.2005Vol127No11收稿日期:2004-01-13;修回日期:2004-08-31。基金项目:国家自然科学基金项目(60372097);北京市自然科学基金项目(4052021);韩国仁荷大学IT研究中心项目(ZNAA UWB-ITRC)资助课题作者简介:李育红(1971-),女,工程师,博士研究生,主要研究方向为宽带无线通信等。文章编号:10012506X(2005)0120020205超宽带无线通信技术的新进展李育红,周 正(北京邮电大学无线网络实验室,北京1
2、00876)摘 要:首先简要介绍了超宽带(UWB)的系统性能特点及UWB的调制与多址接入技术,然后着重讨论了UWB的最新进展,包括:IEEE 802.15.3a UWB多径信道模型,UWB的多入多出(MIMO)系统,UWB的正交频分复用(OFDM)系统以及定位于低速无线个域网(LR-WPANs)的802.15.4a标准。最后提出几个值得探索的研究方向,如:寻求一种新的适合分析非正弦窄脉冲的UWB系统的无线通信理论等。关键词:无线通信;超宽带;超宽带多入多出系统;超宽带正交频分复用系统;低速无线个域网中图分类号:TN915.1 文献标识码:AUpdated progress in ultra2w
3、ideband radio communications technologyLI Yu2hong,ZHOU Zheng(Wireless Network Lab,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)Abstract:Some general system characteristics,modulation techniques as well as multiple access techniques ofUltra2Wideband(UWB)are introduced brief
4、ly.Focusing on the key advances of UWB,UWB channel model proposedby the IEEE 802.15.SG3a,UWB multiple2input multiple2output(MIMO)systems,UWB orthogonal frequency divi2sion multiplexing(OFDM)systems and the IEEE802.15.4a standardfor low rate wireless personal area networks(LR2WPANs)are discussed.Fina
5、lly,several valuable research directions are put forward,such as seeking a new wirelesscommunications theory adapted to analyze nonsinusoidal UWB impulse radio,etc.Key words:wireless communications;UWB;summary;UWB2MIMO;UWB2OFDM;LR2WPANs1 引 言未来无线通信系统是广域网(WANs)、无线局域网(WLANs)、无线个域网(WPANs)、无线体域网(WBANs)、移
6、动自组织网(ad2hoc)和家庭网等的有机结合1。其中短距离无线通信的地位日益重要,它正如一种数字化的神经末梢将各种终端设备连接在一起和骨干网络共同形成一个无缝的连接。可是正当人们充分享受现代无线通信带来的种种便利和乐趣时,可利用的频谱资源却日趋紧张,而这时一种与其它无线技术共享频带的超宽带(UWB)无线通信技术带来了全新的通信方式和频谱管理模式,为解决日趋紧张的频谱资源难题提供了新的解决方案。美国联邦通信委员会(FCC)对此项新技术进行反复论证,认为超宽带系统可以在3.1 GHz10.6 GHz之间以有限功率运行并于2002年2月14号2正式批准了将UWB技术应用于民用通信的议案,因而UWB
7、无线通信技术受到世界各国的普遍关注,现在全球标准化组织正在积极地进行超宽带标准的制订工作。UWB在无线通信领域的创新性及巨大潜力使得学术界、科研院所、各大公司及各大设备制造商不惜巨资,竞相研究、全力打造超宽带网络及相关产品。目前,UWB方面的产品及专利不断问世,最直接的体现就是2004年5月在日本京都举行的UWB国际会议“UWBST&IWUWBS 2004”上,展示了UWB方面的前沿动向及最新研究进展。2 超宽带无线通信技术简介2.1 超宽带定义根据FCC对超宽带的定义,超宽带是指信号的-10 dB相对带宽超过中心频率的20%或-10 dB绝对带宽超过500 MHz。其中相对带宽定义为=2fh
8、-flfh+fl式中:fh 频谱上界,fl 频谱下界。UWB信号(-10 dB带宽超过500 MHz)的时域、频域波形与传统窄带信号(最下面一个)的比较3如图1所示。图1UWB信号的时域、频域波形与窄带信号比较2.2 超宽带系统的主要性能特点及技术优势超宽带优于其它无线通信方式,其主要性能特点及技术优势表现在以下几个方面。(1)超宽带带来了全新的通信方式及频谱管理模式多年来,传统的无线通信技术大都是基于正弦载波的,而消耗大量发射功率的载波本身并不传送信息,真正用来传送信息的是调制信号,即用某种调制方式对载频进行调制。而超宽带系统属于无载波方式,即不使用正弦载波信号,直接调制超短窄脉冲,从而产生
9、一个数GHz量级的大带宽。这种传输方式上的革命性变化将带来一种崭新的无线通信方式。作为一种与其它现存传统无线技术共享频带的无线通信技术,对于目前日益紧张的、有限的频谱资源,超宽带技术有其独特的优势,全球频谱规划组织也对其表示高度关注和支持。所以,超宽带不仅仅只是一项革命性的技术,它更是一段免许可证的频谱资源3。目前FCC开放的频段是3.1 GHz到10.6 GHz,共7.5 GHz的带宽。(2)系统结构简单,成本低,易数字化UWB系统发射和接收的是超短窄脉冲,无需采用正弦载波而直接进行调制,所以超宽带无线通信系统不需要复杂的锁相环、混频器及中频放大等,它只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲,易数
10、字化,系统实现比较简单,系统功耗和成本也随之降低。实际上,已经有公司将这种系统集成到单芯片上。(3)抗多径衰落多径衰落一直是传统无线通信难以解决的问题,而UWB信号由于带宽达数GHz,具有高分辨率,能分辨出时延达ns级的多径信号,而正好室内等多径场合的多径时延一般也是ns级的,这样,UWB系统可以在接收端实现多径信号的分集接收。UWB信号的抗多径衰落的固有鲁棒性特别适合于室内等多径、密集场合的无线通信应用。此外,UWB还具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点,超宽带的低功耗特点对于用便携式电池供电的系统长时间工作是非常重要的。3 超宽带无线通信系统中的调制与多址技术 调制技术是影响超宽带无
11、线通信系统性能指标的关键因素之一,故调制方式的选择至关重要。影响调制方式选择的因素有两方面4。第一,调制方案的选择必须保证较高的功率,即对于给定的单位比特能量调制必须提供最佳的性能,减少误码。第二,传统的窄带系统是带宽受限,而UWB系统是功率受限,这个根本区别影响到UWB系统的调制方式和编码技术的选择,调制方式的选择影响信号功率谱密度,要求调制信号具有平坦的功率谱分布。目前,UWB采用的调制方式有M状态Walsh码调制5、脉位调制(PPM)6、脉冲幅度调制(PAM)7、通断键控(OOK)调制8及二进制移频键控(BPSK)调制9,10,而BPSK又分为跳时(TH)二进制移频键控调制和直扩(DS)
12、二进制移频键控调制。其中PPM、PAM、OOK及BPSK比较常用,这4种不同的超宽带脉冲调制信号波形如图2所示。图2 不同的超宽带脉冲调制信号波形 比较以上4种不同调制方式的功率效率,OOK和PPM具有相同的功率效率;PAM效率稍差些;而对于跳时多址接入系统,在 相 同 用 户 数 的 情 况 下,PAM的 性 能 明 显优于PPM11;BPSK对于相同的比特能量有最大的符号间距,在获得相同误码率的情况下与其余3种调制方式相比效率最高。全面考虑多址性能、实现难易、可靠性及有效性等多方面因素,UWB系统目前广泛采用的是TH2PPM及TH/DS2BP2SK,其区别在于12以下两方面。(1)在采用匹
13、配滤波器的单用户检测情况下,TH2PPM性能不如TH/DS2BPSK。对于TH2BPSK和DS2BPSK,在传输速率低时,由于DS2BPSK受远近效应的影响比TH2BPSK大,宜采用TH2BPSK方式;而在传输速率比较高时,宜采用DS2BP2SK方式。(2)在采用最小均方差(MMSE)检测方式的多用户接收机情况下,传输速率低时TH/DS2BPSK和TH2PPM的性能差别不大,而在传输速率比较高时TH2PPM性能不如TH/DS2BPSK,宜采用TH/DS2BPSK方式。除TH2PPM及TH/DS2BPSK之外,还有其它多址方式,如:伪混沌跳时多址方式(PCTH)13等。值得一提的是,在UWB a
14、d2hoc网络应用中,Horie W和12第27卷 第1期超宽带无线通信技术的新进展Sanada Y提出了一种可变扩频因子的直接序列扩频码分多址(DS2CDMA)方案14,为保证接收信号单位比特信噪比恒定,扩频因子的增加应和信号传输距离的平方成正比,这样可以实现各种距离的高速数据传输。然而,随着距离的增加,丢包数随之增加。为了解决这一问题,需要使用MAC协议。而采用多信道载波检测多址接入(CSMA,CSMA协议是MAC协议的一种)方案1517,分配专用信道用于载波检测,可以较好地解决这个问题,但却降低了系统性能。Horie W和Sanada Y又提出了采用特定组合扩频码用于载波检测的CSMA方
15、案18,改善了系统性能。另外,在2004年5月的UWB技术国际专题研讨会上,展示了日本的NICT与NEC公司等共同研制的采用BPSK调制方式的UWB技术19,数据传输速度可达100 Mbps,因为没有使用模数转换器,电路结构较简单。4UWB信号的传播特性与信道模型信道建模是研究和分析无线通信系统性能的前提,虽然已有文献提出室内窄带信道的测试方法和信道模型2023,但因为测量带宽等因素的限制,它们不适合UWB系统应用。因为UWB信号是具有纳秒级的超短脉冲,其信道模型的建立与选择有别于传统的无线衰落信道。尽快建立一种既能准确描述UWB信号传播特性又便于理论分析和仿真的、具有通用性和实用性的UWB信
16、道模型是一重要研究课题。已经有不少学者做了这方面的许多工作,比较关注的是由Cas2sioli D等提出的随机抽头延迟线(STDL)模型及Intel提出的后来成为IEEE 802.15.3a多径信道模型标准的基于修正的S2V模型。IEEE802.15.SG3a研究组于2003年7月召开的信道模型分会上发布了UWB室内多径信道模型(IEEE802.15.SG3a,2003)标准。该信道模型基于由Saleh和Valenzuela提出的著名的S2V模型,为了能更好地吻合实际测量结果,主要做了如下修改11。(1)将表征多径增益幅度的统计特性由原来的瑞利分布改为对数正态分布;(2)信道系数用实数而不是复数
17、表示。IEEE工作组发布的多径信道模型的信道脉冲响应可以表示为h(t)=XNn=1K(n)k=1nk(t-Tn-nk)式中:X 代表信道幅度增益的对数正态随机变量,N 被观察的群数,K(n)第n群内的多径分量数;nk 第n群中第k个多径分量的增益系数,Tn 第n群的到达时间,nk 第n群中的第k个多径分量的时间延迟。信道系数nk可以表示为nk=Pnknk式中:Pnk 一离散的随机变量,nk 第n群中第k个多径分量的对数正态分布信道系数,可以表示为nk=10 xnk20,xnk 一高斯随机变量。其中,群到达时间Tn和群内延迟nk均呈下列分布24p(Tn/Tn-1)=exp-(Tn-Tn-1),n
18、 0p(nk/(n-1)k)=exp-(nk-(n-1)k),k 0式中:群到达速率,群内多径分量的到达速率。不同的UWB波形有不同的带宽及不同的多径分辨率,IEEE802.15.3a允许对上述模型进行修改以与相应的仿真及分析相匹配。IEEE802.15.3a信道模型为以后研究UWB系统提供了一个好的参考和借鉴,已经有一些学者基于此模型在这方面做了比较深入地研究。(1)基于IEEE802.15.3a UWB多径信道模型,将预RAKE分集接收技术应用于UWB系统25,获得和RAKE分集接收同样的性能,并在保证较低误码率的前提下,降低了接收机的复杂度;(2)基于IEEE802.15.3a UWB多
19、径信道模型,研究UWB与通用移动通信系统(UMTS)、802.11a的共存问题26,UWB与窄带蜂窝系统的共存27及UWB系统的多用户干扰问题28;(3)基于IEEE802.15.3a UWB多径信道模型,研究采用PAM调制,跳频多带UWB系统的误码性能分析29。在2004年5月19日于日本京都举办的“UWBST&IWUWBS 2004”UWB国际专题研讨会上,NEC公司报告了他们的电波传播解析工具“RADIOSCAPE2UWB(RS22000)”的最新研究成果30:就UWB信号的传播特性,设定了是否存在无线LAN干扰两种测试条件下的模拟结果与实测结果都接近一致。NEC的RS系列是一种模拟无线
20、LAN、蓝牙及UWB等无线系统传播特性的工具,可以对UWB的衰减以及与IEEE802.11a相互干扰进行模拟实验。5 超宽带的多入多出系统作为无线移动通信领域智能天线技术的重要进展,多入多出(MIMO)技术能在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率,因而成为新一代移动通信系统的关键技术及热门研究课题。MIMO系统的多入多出是针对多径无线信道而言,大家知道,多径会引起衰落,通常是不利于通信的因素,而MIMO系统却将多径作为一个有利因素利用,MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,使用多天线来抑制信道衰落。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整
21、体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率,同时可提高信道的可靠性,降低误码率31。将MIMO技术用于UWB系统具有很高的链接可靠性和速率适配能力32,与窄带无线通信系统不同,UWB系统中多径衰落的影响要小得多,因为UWB非常窄的脉冲在多径传播时引起大量独立的衰落信号分量能够被分辨,从而能实现有效的多径信号分集接收。UWB MIMO系统能够在时域上很好地解决有害的码间干扰和信道间干扰问题,原因在于接收信号具有良好的自相关及互相关特性32,33。22系统工程与电子技术2005年6 超宽带标准制订中的多频带与单频带之争 目前,国际上超宽带标准的制订中,竞争异常激烈。比较引人瞩目的主要是以Inte
22、l、TI等为首的多频带联盟和以XtremeSpectrum、Motorola等为代表的单频带方案,即多频带提案和单频带提案之争。所谓单频带系统是指冲激无线电的超宽带方案,FCC规定UWB系统可利用的频谱范围是3.1 GHz10.6 GHz,共7.5 GHz带宽,单频带将整个7.5 GHz作为一个频带使用。而多频带系统是将FCC开放的7.5 GHz划分成15个左右的子频带,在每个子带上再通过采用OFDM技术实现高速无线通信,即所谓的超宽带正交频分复用系统(UWB2OFDM)。从频率坐标轴上看,多个频带呈并列形状,因此而得名。图3是一个单频带系统与一个划分成15个左右的子带的多频带系统的简单示意3
23、。图3 单带系统与多带系统比较 图3中两个系统信号传输速率是200 Mb/s,都是每5 ns传输一个信号,但多频带系统使用15个子带轮流传送信号,两种系统具有相同的信噪比。虽然多频带联盟在2003年7月的IEEE802.15.3a会议上占了上风,但并未达到要求的75%的选票,在随后的会议上,也未达成一致意见,超宽带的标准目前仍在协商。在2004年5月于日本京都举办的UWB技术国际会议上,展示了由德国一家公司首次采用CMOS技术研制的可生成3 GHz7 GHz载波的频率合成器34,这种频率合成器可生成多频带OFDM载波、实现高速跳频,是多带UWB系统射频电路的核心及关键技术。7UWB在低速WPA
24、N中的应用值得关注的是802.15.4a Study Group(SG4a)的成立,现在该组织试图将UWB作为802.15.4低速WPAN的一个可选的物理层解决方案,802.15.4a在无线个域网中的位置如图4所示33。最新定义的物理层支持的关键技术包括精确定位(从三英寸到三英尺)并支持多种设备的协同定位35。网络可以按比例增加到一百万个节点并且相关联的UWB设备可以无缝地运行在充满噪音和干扰的环境中,同时只需要不到1 mW的功耗,并有望实现每个单芯片的成本少于1美元。图4 低速UWB在无线个域网中位置SG4a/802.15.4a的兴趣点主要集中在高精度定位能力、超低功耗、覆盖范围、低成本等方
25、面。由于传感器网络等应用需求的出现,低速WPAN的发展空间十分广阔。目前,IEEE802.15.4a低速无线通信标准正在制定中,其标准由IEEE802.15下属负责PAN的工作小组TG4a来制订,计划2006年发布。8 未来可探索的研究方向虽然UWB无线通信技术的标准还在制订中,可是在学术界、产业界特别是FCC的大力支持下,UWB终于迎来了自身发展的良好机遇。已有多项UWB方面的专利和多种UWB产品问世,在军事和民用领域都取得了前所未有的发展。UWB的潜在应用价值及巨大市场前景已得到业界普遍共识,但机遇与挑战共存,UWB也带来了许多新的、挑战性的课题及值得探索的研究方向。因为UWB是一种与现存
26、无线通信系统共享频带的技术,UWB设备与传统窄带业务之间的兼容性及如何共存是非常有现实意义的研究方向。国际电联第一研究组(ITU2RSG1)于2002年召开的全体会议上,确立了关于“使用超宽带的无线电设备与无线电通信业务之间兼容性”的研究课题。而且ITU2R已成立了TG1/8小组,专门负责有关UWB电磁兼容等国际标准的制订。近来,ITU2R SG1国内对口研究组也正在积极开展UWB电磁兼容方面的研究工作,例如,国家无线电监测中心和北京邮电大学等合作设立了这方面的研究课题,对在我国开展这方面的研究起到了很好的促进作用。目前,信息产业的发展日新月异,国家骨干网络架构业已基本形成,为短距离无线通信提
27、供了良好的发展契机。UWB作为下一代短距离无线通信的最佳候选技术更是受到世界各国的关注。我国也高度重视这项革命性的无线通信新技术,我国863计划设立了“超宽带无线传输技术的研究与开发”的研究课题,而2004年国家自然科学基金也将超宽带高速无线通信列为重点项目。现在,国内许多大学都在开展UWB无线通信技术的研究和开发,其中北京邮电大学也正积极地进行超宽带方面的研究工作,目前承担着国家863、国家自然科学基金和教育部科技研究重点项目等诸多有关超宽带方面的研究课题。已有的研究成果包括一种新颖的超宽带无线通信多址接入方32第27卷 第1期超宽带无线通信技术的新进展式36等。时域超窄、频域超宽是UWB脉
28、冲最基本的特征,UWB不同于传统的无线通信技术,已经不能用原来建立在正弦波基础上的传统无线通信传输理论和方法进行研究和分析。如何针对UWB脉冲的特点,在传统的电磁场与电路理论等的基础上,充分利用现代信号处理的最新成果,探索出一种新的适合分析超宽带系统的无线通信传输理论,是非常有意义的研究课题。此外,目前UWB研究与开发的领域还包括以下几方面。(1)研制高性能的UWB无线传输实验系统。(2)从新的角度,探索超宽带天线的设计与分析方法并研究UWB天线与收发前端的联合优化设计理论。(3)研究UWB可控窄脉冲的产生、UWB信号的传播特性、UWB信道模型、信道估计及信号检测技术。(4)研究超宽带无线技术
29、的快速同步捕获与跟踪、多址技术等。(5)研究适用于超宽带无线通信系统的调制、解调技术及数字编解码技术。(6)研究超宽带的MIMO系统。(7)研究超宽带ad2hoc无线通信网络;研究基于UWB的无线IP协议;研究基于UWB的ad2hoc网络与蜂窝网的结合,利用ad2hoc网络节点的多跳转发功能,提高小区边缘的数据传输率及接入率。9 展 望从以上讨论可以看到,作为迅速发展的新一代短距离无线通信的最佳候选技术,UWB正引导着一场无线通信领域的革命,UWB技术打破了传统的建立在正弦波及傅立叶变换基础上的电磁场及电路理论,因为有500 MHz以上极宽频谱的、非正弦窄脉冲的UWB信号的存在,使得传统的基于
30、正弦电磁波及傅立叶变换的频域分析等传统的无线通信传输理论和方法已经不再适合。目前,UWB以其独特的系统优势及巨大的市场潜力吸引了世界各国众多知名高科技公司及科研机构的高度关注。UWB作为一项革命性的技术,正以一种崭新的、前所未有的通信方式改变着我们的观念和生活,给我们带来越来越多的生活便利,随着FCC准许UWB技术对民用的开放、UWB技术研究的进一步深化,还将开发出许多潜在的应用。我们有理由相信,随着各国科研人员的进一步努力及合作,超宽带技术将会更加完善、更加有效地服务于人们生活的各方面。参考文献:1 Porcino D,Hirt W.Ultra2wideband radio technolo
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40、.19 http:/ Saleh AA,Valenzuela RA.A statistical model for indoor multipathpropa2gationJ.IEEEJ.Select.Areas Commun,1987,5(2):128-137.(下转第99页)42系统工程与电子技术2005年对于MIMO复杂过程,若控制变量之间存在耦合,需要在模糊模型前件变量的选择上采取针对性的措施,即将有耦合关系的变量均作为模糊模型前件中的输入变量,使存在的耦合关系反映在模型中,从而可用文中所述的方法进行有效建模。图1 逼近性能仿真结果另外,上述方法是根据过程输入输出数据进行模糊建模的,因
41、此为了获得满意的模型,要充分激励复杂过程以使过程特性反映在输入输出数据中,从而使所建立的模糊模型能全面表征过程特性,但对于有不确定项存在的复杂过程,获得全面反映过程特性的输入输出数据难度较大,如何用文中的方法有效地进行建模还有待下一步深入研究。5 结束语通过上面的讨论看到,对于一个难于建立精确数学模型的MIMO复杂过程,若能获得全面反映过程特性的输入输出数据,就可以用一组模糊推理规则来描述其行为特性,而如何建立模糊推理规则模型是模糊系统研究中的关键问题之一。本文将文献6中针对MISO复杂系统提出的基于过程输入输出数据变化关系的模糊建模方法作了进一步扩充,将这一方法推广到MIMO复杂系统的情况,
42、仿真结果表明所述建模方法是有效的,而且建起的模糊模型有较好的泛化能力。另外,由于按照文中方法得到的实常值后件模糊模型具有结构简单、设计参数少的优点,因此所述模糊建模方法对于实时模糊控制算法的研究具有重要的意义。参考文献:1 Zadeh.L A.Outline of a new approach to the analysis of complex systemsand decision processesJ.IEEE T rans.on SMC,1973,SMC-3,28-44.2 Sugeno.M,Yasukawa T.Afuzzy-logic-based approach to quali
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