用于个人局域网的超宽带技术研究

引言

个人局域网（PAN）是近几年在短距离（家庭与小型办公室）无线通信技术领域提出来的新概念。PAN 的核心思想是用新的无线传输技术代替传统的有线传输技术 ，实现个人信息终端的智能化互连 ，组建个人化的办公或者家用信息网络。目前已实现的 PAN 技术主要有 ： 超宽带 （Ultra-Wideband ，UWB） 、 蓝牙 （Bluetooth）、 IrDA（Inf rared Data Ass oc iati on） 以及HomeRF 等。 其中超宽带具有性能高、 功耗低的优点 ，这使得超宽带成为个人局域网（PAN）研究领域中最富有竞争力的技术之一。

1 超宽带无线传输系统

超宽带无线技术可缩写为 "UWB"。超宽带技术是一种使用 1 GH z 以上带宽的最先进的无线通信技术。 由于频带非常宽 ，所以虽然是无线通信 ， 其通信速度仍可以达到几百Mbps 以上。超宽带的特点在于不使用载波 ，而是采用冲激脉冲（超短脉冲）。超宽带发射机端的脉冲电波是直接按照0或1发送的 ，由于只在需要时发送脉冲电波 ，因而大大减少了耗电量 ，可把电路的功耗降低到几十毫瓦。 因此与常规的无线电相比 ，超宽带具有频带宽、 平均功率低、抗截获性能好、穿透能力强、成本低以及优良的抗多径效应能力。

1. 1 超宽带 （UWB） 的信号模型

超宽带 （UWB）技术指具有很高带宽比（射频带宽与其中心频率之比）的无线电技术。 超宽带发射信号的分数带宽（带宽与中心频率之比）大于 25 %。 实现超宽带通信的首要任务是产生超宽带信号。 超宽带从本质上讲还是发射和接收高频电磁脉冲的技术 ，可使用不同的方式来产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码 ，这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。 信号模型有 ：脉冲位置调制 （ PPM） 、 脉冲幅度调制 （ PAM）、UWB-CDMA。 在超宽带通信中 ， 一般采用PPM对信号进行调制 ，扩频方式采用跳时（TH）扩频。PPM信号模型如公式 （ 1）所示 ：

其中W（t）是发送的单周期脉冲 ，满 足代表多用户系统中第 k 个用户 ，tf为脉冲重复周期，wd［ ］tf，d是信息序列 ，δ表示由信息序列控制的发射脉冲时延 ， 每Ns个单周期脉冲波形传送一个二进制符号，d 表示传送的二进制"0" 和"1"序列 ，"［ ］"表示取整运算，tc是由PN码控制的发射脉冲时延表示了所发射的冲激脉冲串中第j个脉冲的起点， 为第k用户PN码的第j个码元 ，最大值为 NmaxC（k）j ，PN码周期为 Np 。

1. 2 　 超宽带技术的发射接收框架

通过上文对信号模型的分析可知 ，研究超宽带技术实质上是以占空比很低的冲激脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术。典型的超宽带无线电直接发射冲激脉冲串 ，不再具有传统的中频和射频的概念 ，此时发射的信号可以看成基带信号也可看成射频信号。冲激脉冲通常采用单周期高斯脉冲 ，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。 单周期脉冲的宽度在纳秒级 ，具有很宽的频谱。PPM 和 PAM 是超宽带技术的主要调制方式 ，其多址方式为脉冲位置多址 （ PPMA） ，由跳时PN 码和信息比特共同控制冲激脉冲的发射时刻。 超宽带通信系统有其特有的系统结构 ，图1所示的是采用 PPM 调制的超宽带系统框图。 发射端对输入的二进制数据流进行PPM调制后发射 ; 接收机采用相关接收 ，输入脉冲通过脉冲相关器 ，然后进行脉冲序列积分 ，最后检测判决。

2 　个人局域网中的超宽带技术

2. 1 　 未来无线个人局域网

近年在短距离（家庭与小型办公室） 无线通信技术领域提出了个人局域网的概念。 无线个人局域网（ WPAN） 指的是能在便携式电器和通信设备之间进行短距离特别连接 （ad hocconnectivity）的网。WPAN 的覆盖范围一般在10m半径以内 ，需要高速率无线网络的支持和服务。 高速率WPAN主要是针对未来的多媒体应用 ，它在便携式电器和通信设备之间建立无线连接 ，是比WLAN 覆盖范围更小、数据速率更高、有一定Qos保证、使用更灵活的一种网络 ，在未来的第四代移动通信中也将占有一席之地。

为了给高速率WPAN制定标准，IEEE专门成立了一个802.15.3 高速率WPAN任务组。802.15.3物理层工作在2.4GHz和 2.4835 GHz之间的不需许可证频段。 数据速率可达 11Mbit/s ～55Mbit/s ，适合高清晰度视像和高保真度声音的配送。 802.15.3 媒体接入控制 （ MAC） 层规范是根据支持特别网、 提供多媒体Qos和支持功率管理来设计的。 与无线局域网相比 ，802.15.3 高速率W