朱 剛,劉 瑋,蔣潺潺

超寬帶無線通信技術(shù)研究進(jìn)展

朱 剛,劉 瑋,蔣潺潺

(軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京交通大學(xué),北京100044)

首先對超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)做了簡要介紹;然后著重討論了UWB干擾問題研究的最新進(jìn)展,包括:干擾檢測技術(shù),干擾抑制的UWB波形設(shè)計(jì)和干擾檢測與抑制流程;最后探討了UWB技術(shù)的發(fā)展方向.

UWB;干擾檢測;波形設(shè)計(jì);DAA

0 引言

2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)布規(guī)定:工作在3.1～10.6 GHz頻帶內(nèi),-10 dB相對帶寬大于20%,或-10 dB絕對帶寬超過500 MHz定義為超寬帶(Ultra Wide-band,UWB)[1,2].UWB具有系統(tǒng)容量大、多徑分辨能力強(qiáng)、體積小、功耗低等特點(diǎn).但由于UWB占用的頻帶基本覆蓋了現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)(也稱干擾用戶,如WiMAX,UMTS等)所使用的頻段,因此,當(dāng)兩者同時(shí)在一定距離范圍內(nèi)工作時(shí),必然會(huì)對對方產(chǎn)生干擾.目前,干擾問題是國內(nèi)外UWB研究的重點(diǎn).

Mitola于1999年提出了認(rèn)知無線電(CR)的概念.CR核心思想是具有學(xué)習(xí)能力,能與周圍環(huán)境交互信息,以感知和利用在該空間的可用頻譜,并限制和降低沖突[3].將CR引入到UWB的研究中,為解決UWB干擾問題提供了一種新思路.而CR的核心思想可以具體化為干擾檢測與干擾抑制兩個(gè)過程[4-6],因此,國內(nèi)外對UWB研究的新進(jìn)展主要集中出現(xiàn)在這兩個(gè)方面.

本文首先介紹了UWB的研究現(xiàn)狀,隨后將UWB研究進(jìn)展分為3類并著重討論,分別是:干擾檢測技術(shù)、干擾抑制的波形設(shè)計(jì)及干擾檢測與抑制流程;最后探討了UWB研究的發(fā)展趨勢.

1 干擾檢測

干擾檢測技術(shù)可以分為單用戶檢測與合作檢測.在使用合作檢測的UWB網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)UWB用戶都有獨(dú)立檢測干擾信號的能力,這些獨(dú)立檢測數(shù)據(jù)可在網(wǎng)絡(luò)中UWB用戶之間進(jìn)行交換,從而最終確定UWB網(wǎng)絡(luò)中干擾檢測判決結(jié)果.合作檢測可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn):一種是采用集中式檢測數(shù)據(jù)合并技術(shù),此時(shí)UWB網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定某一UWB用戶負(fù)責(zé)搜集其他各用戶獨(dú)立檢測信號,并根據(jù)這些檢測數(shù)據(jù)最終判決網(wǎng)絡(luò)中干擾檢測結(jié)果;第二種是采用分布式檢測數(shù)據(jù)合并技術(shù),屬于網(wǎng)絡(luò)中的各UWB用戶需要彼此交互各自的檢測數(shù)據(jù),通過多路檢測數(shù)據(jù)的合并實(shí)現(xiàn)最終的干擾測判決.可以看出,合作檢測的基礎(chǔ)是單用戶檢測.因此,本文將重點(diǎn)介紹5類單用戶檢測算法.

1.1 能量檢測

能量檢測是最早出現(xiàn)的干擾檢測方法,其基本思想是通過檢測干擾用戶下行鏈路工作頻段處的功率,判斷干擾工作狀態(tài)[7].具體實(shí)現(xiàn)方法為:先將檢測信號通過一個(gè)低通濾波器濾除帶外噪聲和鄰頻信號,其次依次經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器、平方器,抽樣求和后得到檢測統(tǒng)計(jì)量,然后判斷干擾用戶下行鏈路的工作狀態(tài).其中,判斷門限的設(shè)定是關(guān)鍵問題,需要考慮到噪聲估計(jì)、路徑損耗和陰影損耗等附加衰落問題,這也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)之一[8,9].

MB-OFDM UWB系統(tǒng)通過聯(lián)合使用多個(gè)OFDM子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超寬帶,其中的OFDM是基于128點(diǎn)IFFT/FFT算法實(shí)現(xiàn)的,因此,在一定程度上為能量檢測提供了便利.在發(fā)射端,UWB將數(shù)據(jù)從頻域變換到時(shí)域映射到128個(gè)子載波上.在接收端,128點(diǎn)FFT的采樣信號分布在528 MHz范圍內(nèi),因此就像一個(gè)簡化的數(shù)字頻譜分析儀,可以捕獲每個(gè)子載波對應(yīng)的4.125 MHz(528 MHz/128)帶寬上的能量.所以,可利用FFT在UWB接收機(jī)端對干擾用戶下行鏈路信號進(jìn)行檢測.也可將檢測方法做出適當(dāng)改進(jìn),例如,假設(shè)干擾為帶寬10 MHz的WiMAX信號,此信號帶寬覆蓋3個(gè)MB-OFDM信號.在UWB接收機(jī)中,可以通過WiMAX信號所占帶寬處的FFT輸出功率之和與其余頻段處FFT輸出功率之和的比值來判斷干擾用戶工作狀態(tài)[10].這種改進(jìn)的檢測方法在一定程度上減小了噪聲和衰落對門限值設(shè)定的影響,因而具有更好的檢測性能.

能量檢測相對簡單易實(shí)施,而且是一種非相干檢測,對相位同步要求不高.但是其性能較容易受到未知的或變化的噪聲影響,而且它只能探測到有異常信號出現(xiàn),而不能區(qū)分信號的類型,即它不能區(qū)分噪聲與干擾用戶下行鏈路信號.

1.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測

對于一個(gè)時(shí)域上均值為零的信號,若其直至n階統(tǒng)計(jì)特性均為時(shí)間的周期函數(shù),則稱此信號為n階循環(huán)平穩(wěn).經(jīng)過調(diào)制的信號一般都存在載頻、調(diào)頻序列、循環(huán)前綴等,它們使得信號具有內(nèi)在的周期性.不同循環(huán)平穩(wěn)信號具有不同的頻譜周期特性,可以利用循環(huán)譜加以區(qū)別.具有重疊功率譜密度函數(shù)的信號,其循環(huán)譜是不重疊的.因此,具有相同的功率譜密度函數(shù)的調(diào)制信號的循環(huán)譜呈現(xiàn)出完全不同的特性,噪聲和干擾信號也具有不同的循環(huán)譜.因此,可以利用干擾信號的頻譜相關(guān)特性,通過分析信號譜相關(guān)函數(shù)中循環(huán)頻率的特點(diǎn)來確定干擾用戶下行鏈路信號是否存在[11].

循環(huán)平穩(wěn)特征檢測不依賴于噪聲估計(jì),可以將噪聲能量和干擾用戶下行鏈路能量區(qū)分開來,完全擺脫背景噪聲的影響,在信噪比較低的情況下仍能得到較高的檢測性能.但是此方案復(fù)雜度較高,所需觀測的時(shí)間也比較長.

1.3 本振泄露功率檢測

本振泄露功率檢測通過檢測干擾用戶下行鏈路天線有無泄露出的待定頻率信號來判斷干擾用戶是否在工作,用于泄漏能量一般很小,使得UWB用戶直接檢測泄露信號并不可行.為解決這一問題,可以在干擾用記下行鏈路接收機(jī)前端安裝傳感器裝置,當(dāng)傳感器檢測到本振泄露功率時(shí),便通知UWB用戶[12].

本振泄露功率檢測算法需要UWB與干擾用戶之間建立特殊控制信道進(jìn)行合作,算法復(fù)雜度高,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大.

1.4 匹配濾波器檢測

當(dāng)UWB已知干擾用戶下行鏈路的先驗(yàn)信息(如調(diào)制類型、脈沖成形、幀格式等)時(shí),最優(yōu)檢測方法為匹配濾波器檢測法.匹配濾波器的功能就是解調(diào)干擾用戶下行鏈路信號.UWB已知干擾用戶下行鏈路的物理層和媒體控制層的信息,如調(diào)制方式、時(shí)序、脈沖形狀、封裝格式等,利用這些信息來實(shí)現(xiàn)與待檢測信號在時(shí)域和頻域上的同步,從而解調(diào)干擾用戶下行鏈路信號.將其與預(yù)設(shè)的門限值比較,大于門限值表示有干擾用戶下行鏈路信號存在,反之則沒有[10].

對于一些干擾用戶下行鏈路信號(如:WiMAX),可以利用其數(shù)據(jù)包中的導(dǎo)頻信號或保護(hù)間隔,簡化匹配濾波檢測算法.通過檢測WiMAX所處頻段是否存在已知的導(dǎo)頻信號或保護(hù)間隔,來判定干擾用戶下行鏈路的工作狀態(tài).例如:WiMAX數(shù)據(jù)包的長前導(dǎo)信號由兩個(gè)OFDM符號組成.其中第一個(gè)OFDM符號(128個(gè)子載波,256點(diǎn)抽樣)使用4個(gè)長為64點(diǎn)的PN序列,這4個(gè)PN序列相關(guān)性很好,因此在時(shí)域中可以利用其相關(guān)性找出導(dǎo)頻信號.將所收到的序列與已知導(dǎo)頻求相關(guān),則可以得到由64(2×128/4)個(gè)抽樣點(diǎn)分割開的4個(gè)峰值.通過相關(guān)值檢測,可以找出干擾用戶的導(dǎo)頻信號,進(jìn)而判斷干擾用戶下行鏈路工作狀態(tài).

匹配濾波器檢測算法可以使信噪比最大化,所需的處理時(shí)間也比較小.但是此方案必須知道干擾用戶下行鏈路的先驗(yàn)信息,而且為相干檢測方案,對相位同步要求較高.由于對于不同的干擾,對應(yīng)的匹配濾波器不同,從而需要有多個(gè)接收機(jī),計(jì)算量和復(fù)雜度由此增加.

1.5 基于干擾溫度的檢測

干擾溫度是指UWB用戶預(yù)測會(huì)對干擾用戶產(chǎn)生干擾大小,意為每單位帶寬里未經(jīng)授權(quán)的發(fā)射機(jī)功率與干擾系統(tǒng)噪聲功率之和.基于干擾溫度的檢測算法規(guī)定只要干擾用戶測量得出的干擾溫度不超過門限, UWB用戶就可正常通信且通信過程不會(huì)對干擾用戶產(chǎn)生干擾,但是,該方法需要UWB設(shè)備對干擾用戶進(jìn)行準(zhǔn)確定位,且不能保證對干擾用戶的有力保護(hù)[13-15].

綜合對比以上五種單用戶檢測算法,本振泄露功率檢測與基于干擾溫度的檢測分別對干擾用戶與UWB設(shè)備提出了新的要求,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大;匹配濾波器檢測和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的性能較好,但由于復(fù)雜度問題并不十分適用于干擾檢測,所以能量檢測是現(xiàn)今UWB干擾檢測技術(shù)的最佳備選方案和研究重點(diǎn).

2 干擾抑制的UWB波形設(shè)計(jì)

干擾抑制的UWB波形設(shè)計(jì)要遵循四個(gè)約束條件:1)、頻譜利用率高;2)、抑制干擾靈活;3)、多種正交波形;4)、波形產(chǎn)生容易.目前,適用于DS-UWB等單脈沖系統(tǒng)的干擾抑制波形設(shè)計(jì)思想與軟頻譜自適應(yīng)(SSA)設(shè)計(jì)方案接近,即設(shè)計(jì)一組在時(shí)域上相互正交的脈沖波形,通過組合不同的脈沖波形形成靈活可調(diào)的頻譜凹槽,動(dòng)態(tài)地抑制干擾.適用于采用OFDM多載波UWB系統(tǒng)的干擾抑制波形設(shè)計(jì)方案主要思想是:通過對子載波進(jìn)行扣除、置空等波形處理,在干擾用戶所在頻帶處形成凹槽,以抑制對干擾用戶的干擾.本文將重點(diǎn)介紹四種用于干擾抑制的UWB脈沖波形設(shè)計(jì),其中,Hermite脈沖、壓縮Chirp脈沖、PSWF脈沖適用于單脈沖UWB系統(tǒng),干擾主動(dòng)消除(AIC)子載波適用于多載波UWB系統(tǒng).

2.1 Hermite脈沖

Hermite脈沖是基于Hermite矩陣特征向量分解生成的一組完全正交脈沖.為抑制對干擾用戶WLAN (所在頻段為5.5～7.5 GHz)產(chǎn)生干擾,需將短時(shí)脈沖頻譜中5.5～7.5 GHz頻段屏蔽.通過在UWB兩個(gè)頻段3.1～5.5 GHz和7.5～10.6 GHz上分別求其Hermite矩陣特征向量,再運(yùn)用Schmidt正交化,得到一組完全正交脈沖且在5.5～7.5 GHz處形成頻譜凹槽的脈沖[16,17].這種方法具有脈沖持續(xù)時(shí)間短、數(shù)據(jù)速率高、頻譜旁瓣低等優(yōu)點(diǎn).它的缺陷在于頻譜利用率較低、凹槽深度不夠理想、實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜.

2.2 壓縮Chirp脈沖

壓縮Chirp脈沖是指Chirp函數(shù)經(jīng)過匹配濾波器在頻域上帶寬得到壓縮,仍以WLAN為例,它通過去除中心頻率在5.5～7.5 GHz頻段內(nèi)的某個(gè)或某幾個(gè)chirp脈沖形成頻譜凹槽,抑制對干擾用戶的干擾[18].由于采用疊加的方法,壓縮Chirp脈沖易于產(chǎn)生凹槽,凹槽深度較深.不足的是這種方法只設(shè)計(jì)出了一種脈沖波形,無法滿足多用戶通信要求,在接收端易產(chǎn)生較大干擾,致使誤碼率上升.

2.3 PSWF脈沖

基于長球面波(PSWF)正交函數(shù)分解生成的一組PSWF正交脈沖具有以下特性:①不含直流分量;②脈沖頻帶變大,則相應(yīng)時(shí)域?qū)挾染妥冃?通過改變脈沖持續(xù)時(shí)間就能靈活地改變頻譜帶寬和中心頻率.在UWB兩個(gè)頻段3.1～5.5 GHz和7.5～10.6 GHz上分別求一個(gè)對應(yīng)特征值較大的PSWF波形,將兩波形直接相加便可實(shí)現(xiàn)在WLAN工作頻段5.5～7.5 GHz處的頻譜凹槽[19-21].這種設(shè)計(jì)方案算法雖然復(fù)雜,但可以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)任意頻點(diǎn)不同深度的凹槽,從而使IR-UWB動(dòng)態(tài)地抑制對干擾用戶的干擾.從目前來看,雙正交PSWF脈沖是符合自適應(yīng)脈沖成形原則且性能較理想的方法.

2.4 AIC子載波

在UWB發(fā)射端把與干擾用戶工作頻段重疊的子載波關(guān)閉掉的同時(shí),在其兩側(cè)鄰近位置上分別插入一個(gè)或多個(gè)新的特殊子載波,稱為AIC子載波,并在這些子載波上主動(dòng)發(fā)送干擾抵消信號,用來消除相鄰子載波旁瓣功率的影響[22-24].AIC子載波產(chǎn)生的頻譜凹槽,可以達(dá)到-30 dB.

3 干擾檢測與抑制流程

干擾檢測與抑制流程(Detect and Avoid,以下簡稱DAA)用于控制UWB發(fā)射端參數(shù)(如傳輸功率等)使其通信狀態(tài)適應(yīng)干擾用戶工作狀態(tài)的變化,從而抑制對其產(chǎn)生干擾.當(dāng)UWB與干擾用戶近距離同時(shí)工作時(shí),規(guī)定干擾用戶優(yōu)先級高,而UWB優(yōu)先級低,即為保障干擾用戶的正常工作,可以適當(dāng)犧牲UWB工作性能.如圖1(a)所示流程,當(dāng)干擾用戶WiMAX采用TDD雙工模式,即上行鏈路與下行鏈路數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上交替?zhèn)鬏敃r(shí),DAA周期性檢測WiMAX上行鏈路功率,并將檢測結(jié)果與功率門限值進(jìn)行比較以判斷上行鏈路工作狀態(tài),比較結(jié)果決定UWB選用大發(fā)射功率或可與WiMAX共存的較小發(fā)射功率通信.這種流程具有可實(shí)時(shí)檢測、普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).對于采用FDD雙工模式的干擾用戶(如UMTS),DAA如圖1(b)所示,該流程與圖1(a)流程相似,同樣具有一定普適性[25,26].

圖1 單用戶DAA流程Fig.1 DAA procedure of Single UWB

DAA還可以基于共存系統(tǒng)所處位置劃分等級,以干擾用戶所在位置為中心,以不同半徑劃分成多個(gè)環(huán)形區(qū)域,與干擾用戶可實(shí)現(xiàn)共存的UWB發(fā)射功率值隨區(qū)域半徑增大而增大,如圖2所示[27].

圖2 基于位置DAAFig.2 DAA procedure based on the location

圖3 聯(lián)合檢測DAAFig.3 DAA procedure of Multiple UWB

歐洲EPP(European Pulsers Phase)提出了將UWB與干擾用戶集成的設(shè)計(jì)思想.集成在干擾用戶中的UWB無需通過檢測可直接判斷干擾用戶工作狀態(tài),例如傳輸功率、雙工方式、上下行工作狀態(tài)等等.此時(shí), DAA設(shè)定一個(gè)UWB控制單元(PNC),任意兩個(gè)UWB通過特定時(shí)隙進(jìn)行通信,在該共存場景中,同時(shí)存在與UWB相集成干擾用戶(UV,UWB Vitim)和獨(dú)立干擾用戶(SV,Simple Victim),稱為聯(lián)合DAA,如圖3所示[26].為抑制對干擾用戶的干擾,集成在UV中的UWB定時(shí)向PNC報(bào)告該干擾用戶的工作狀態(tài),而獨(dú)立UWB設(shè)備具備檢測SV工作狀態(tài)的能力.如果共存系統(tǒng)中任一UWB設(shè)備檢測到SV存在,需要通過PNC通知所有網(wǎng)絡(luò)中UWB設(shè)備,最終使整個(gè)共存系統(tǒng)處于無干擾狀態(tài)[28].當(dāng)不考慮物理層的具體實(shí)現(xiàn)方式時(shí),單脈沖UWB系統(tǒng)與多載波UWB系統(tǒng)均可在鏈路層通過DAA實(shí)現(xiàn)干擾抑制.

4 小結(jié)

本文首先介紹了UWB無線通信技術(shù),然后對近年來UWB干擾問題研究領(lǐng)域的新進(jìn)展進(jìn)行了著重討論:對各種干擾檢測、干擾抑制的UWB波形設(shè)計(jì)方案的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹;其次詳細(xì)介紹了先進(jìn)的干擾檢測與抑制流程.相信本文對于UWB無線通信系統(tǒng)的深入研究具有一定意義.

單用戶檢測存在一定的問題:一是單個(gè)UWB設(shè)備接收到的干擾信號往往會(huì)受到嚴(yán)重的信道衰落和陰影衰落影響,從而使得檢測性能受限;二是由于硬件復(fù)雜度等條件限制,單個(gè)UWB設(shè)備通常只能對部分頻譜進(jìn)行檢測,無法實(shí)現(xiàn)寬帶頻譜檢測.雖然合作檢測是基礎(chǔ)是單用戶檢測,但其可以解決上述兩個(gè)問題.因此,如何將合作檢測應(yīng)用于UWB以提高低信噪比情況下UWB寬帶頻譜檢測性能將是一個(gè)非常有潛力的研究方向.

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Research Progress of Ultra-Wide Bandwidth Radio

ZHU Gang,LIU Wei,J IANG Chan-chan
(N ational Key L aboratory of Rail Traf f ic Control and Saf ety,Beijing J iaotong University,Beijing100044,China)

Firstly,a brief introduction of uItra-wide bandwidth radio was introduced.Secondly,the latest progress of study on the interference problems in UWB was discussed,such as interference detect,waveform design approach for interference,the detect and avoid procedure for UWB.Finally,the development of UWB was analyzed.

UWB;detect of interference;waveform design;DAA

TN91

A

2010-03-14;

2010-03-25

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(60830001);國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主重點(diǎn)項(xiàng)目(RCS2008ZZ007);北京交通大學(xué)科技基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(2006XZ001)

朱 剛(1958-),男,上海人,教授,博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域:無線通信.E-mail:gzhu@bjtu.edu.cn