超宽带无线通信技术研究进展

朱 刚,刘 玮,蒋潺潺

超宽带无线通信技术研究进展

朱 刚,刘 玮,蒋潺潺

(轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京交通大学,北京100044)

首先对超宽带(UWB)无线通信技术做了简要介绍;然后着重讨论了UWB干扰问题研究的最新进展,包括:干扰检测技术,干扰抑制的UWB波形设计和干扰检测与抑制流程;最后探讨了UWB技术的发展方向.

UWB;干扰检测;波形设计;DAA

0 引言

2002年美国联邦通信委员会(FCC)发布规定:工作在3.1～10.6 GHz频带内,-10 dB相对带宽大于20%,或-10 dB绝对带宽超过500 MHz定义为超宽带(Ultra Wide-band,UWB)[1,2].UWB具有系统容量大、多径分辨能力强、体积小、功耗低等特点.但由于UWB占用的频带基本覆盖了现有无线通信系统(也称干扰用户,如WiMAX,UMTS等)所使用的频段,因此,当两者同时在一定距离范围内工作时,必然会对对方产生干扰.目前,干扰问题是国内外UWB研究的重点.

Mitola于1999年提出了认知无线电(CR)的概念.CR核心思想是具有学习能力,能与周围环境交互信息,以感知和利用在该空间的可用频谱,并限制和降低冲突[3].将CR引入到UWB的研究中,为解决UWB干扰问题提供了一种新思路.而CR的核心思想可以具体化为干扰检测与干扰抑制两个过程[4-6],因此,国内外对UWB研究的新进展主要集中出现在这两个方面.

本文首先介绍了UWB的研究现状,随后将UWB研究进展分为3类并着重讨论,分别是:干扰检测技术、干扰抑制的波形设计及干扰检测与抑制流程;最后探讨了UWB研究的发展趋势.

1 干扰检测

干扰检测技术可以分为单用户检测与合作检测.在使用合作检测的UWB网络中,每个UWB用户都有独立检测干扰信号的能力,这些独立检测数据可在网络中UWB用户之间进行交换,从而最终确定UWB网络中干扰检测判决结果.合作检测可以采用两种方式实现:一种是采用集中式检测数据合并技术,此时UWB网络中设定某一UWB用户负责搜集其他各用户独立检测信号,并根据这些检测数据最终判决网络中干扰检测结果;第二种是采用分布式检测数据合并技术,属于网络中的各UWB用户需要彼此交互各自的检测数据,通过多路检测数据的合并实现最终的干扰测判决.可以看出,合作检测的基础是单用户检测.因此,本文将重点介绍5类单用户检测算法.

1.1 能量检测

能量检测是最早出现的干扰检测方法,其基本思想是通过检测干扰用户下行链路工作频段处的功率,判断干扰工作状态[7].具体实现方法为:先将检测信号通过一个低通滤波器滤除带外噪声和邻频信号,其次依次经过模数转换器、平方器,抽样求和后得到检测统计量,然后判断干扰用户下行链路的工作状态.其中,判断门限的设定是关键问题,需要考虑到噪声估计、路径损耗和阴影损耗等附加衰落问题,这也是现在研究的热点之一[8,9].

MB-OFDM UWB系统通过联合使用多个OFDM子系统实现超宽带,其中的OFDM是基于128点IFFT/FFT算法实现的,因此,在一定程度上为能量检测提供了便利.在发射端,UWB将数据从频域变换到时域映射到128个子载波上.在接收端,128点FFT的采样信号分布在528 MHz范围内,因此就像一个简化的数字频谱分析仪,可以捕获每个子载波对应的4.125 MHz(528 MHz/128)带宽上的能量.所以,可利用FFT在UWB接收机端对干扰用户下行链路信号进行检测.也可将检测方法做出适当改进,例如,假设干扰为带宽10 MHz的WiMAX信号,此信号带宽覆盖3个MB-OFDM信号.在UWB接收机中,可以通过WiMAX信号所占带宽处的FFT输出功率之和与其余频段处FFT输出功率之和的比值来判断干扰用户工作状态[10].这种改进的检测方法在一定程度上减小了噪声和衰落对门限值设定的影响,因而具有更好的检测性能.

能量检测相对简单易实施,而且是一种非相干检测,对相位同步要求不高.但是其性能较容易受到未知的或变化的噪声影响,而且它只能探测到有异常信号出现,而不能区分信号的类型,即它不能区分噪声与干扰用户下行链路信号.

1.2 循环平稳特征检测

对于一个时域上均值为零的信号,若其直至n阶统计特性均为时间的周期函数,则称此信号为n阶循环平稳.经过调制的信号一般都存在载频、调频序列、循环前缀等,它们使得信号具有内在的周期性.不同循环平稳信号具有不同的频谱周期特性,可以利用循环谱加以区别.具有重叠功率谱密度函数的信号,其循环谱是不重叠的.因此,具有相同的功率谱密度函数的调制信号的循环谱呈现出完全不同的特性,噪声和干扰信号也具有不同的循环谱.因此,可以利用干扰信号的频谱相关特性,通过分析信号谱相关函数中循环频率的特点来确定干扰用户下行链路信号是否存在[11].

循环平稳特征检测不依赖于噪声估计,可以将噪声能量和干扰用户下行链路能量区分开来,完全摆脱背景噪声的影响,在信噪比较低的情况下仍能得到较高的检测性能.但是此方案复杂度较高,所需观测的时间也比较长.

1.3 本振泄露功率检测

本振泄露功率检测通过检测干扰用户下行链路天线有无泄露出的待定频率信号来判断干扰用户是否在工作,用于泄漏能量一般很小,使得UWB用户直接检测泄露信号并不可行.为解决这一问题,可以在干扰用记下行链路接收机前端安装传感器装置,当传感器检测到本振泄露功率时,便通知UWB用户[12].

本振泄露功率检测算法需要UWB与干扰用户之间建立特殊控制信道进行合作,算法复杂度高,实际应用价值不大.

1.4 匹配滤波器检测

当UWB已知干扰用户下行链路的先验信息(如调制类型、脉冲成形、帧格式等)时,最优检测方法为匹配滤波器检测法.匹配滤波器的功能就是解调干扰用户下行链路信号.UWB已知干扰用户下行链路的物理层和媒体控制层的信息,如调制方式、时序、脉冲形状、封装格式等,利用这些信息来实现与待检测信号在时域和频域上的同步,从而解调干扰用户下行链路信号.将其与预设的门限值比较,大于门限值表示有干扰用户下行链路信号存在,反之则没有[10].

对于一些干扰用户下行链路信号(如:WiMAX),可以利用其数据包中的导频信号或保护间隔,简化匹配滤波检测算法.通过检测WiMAX所处频段是否存在已知的导频信号或保护间隔,来判定干扰用户下行链路的工作状态.例如:WiMAX数据包的长前导信号由两个OFDM符号组成.其中第一个OFDM符号(128个子载波,256点抽样)使用4个长为64点的PN序列,这4个PN序列相关性很好,因此在时域中可以利用其相关性找出导频信号.将所收到的序列与已知导频求相关,则可以得到由64(2×128/4)个抽样点分割开的4个峰值.通过相关值检测,可以找出干扰用户的导频信号,进而判断干扰用户下行链路工作状态.

匹配滤波器检测算法可以使信噪比最大化,所需的处理时间也比较小.但是此方案必须知道干扰用户下行链路的先验信息,而且为相干检测方案,对相位同步要求较高.由于对于不同的干扰,对应的匹配滤波器不同,从而需要有多个接收机,计算量和复杂度由此增加.

1.5 基于干扰温度的检测

干扰温度是指UWB用户预测会对干扰用户产生干扰大小,意为每单位带宽里未经授权的发射机功率与干扰系统噪声功率之和.基于干扰温度的检测算法规定只要干扰用户测量得出的干扰温度不超过门限, UWB用户就可正常通信且通信过程不会对干扰用户产生干扰,但是,该方法需要UWB设备对干扰用户进行准确定位,且不能保证对干扰用户的有力保护[13-15].

综合对比以上五种单用户检测算法,本振泄露功率检测与基于干扰温度的检测分别对干扰用户与UWB设备提出了新的要求,实际应用价值不大;匹配滤波器检测和循环平稳特征检测的性能较好,但由于复杂度问题并不十分适用于干扰检测,所以能量检测是现今UWB干扰检测技术的最佳备选方案和研究重点.

2 干扰抑制的UWB波形设计

干扰抑制的UWB波形设计要遵循四个约束条件:1)、频谱利用率高;2)、抑制干扰灵活;3)、多种正交波形;4)、波形产生容易.目前,适用于DS-UWB等单脉冲系统的干扰抑制波形设计思想与软频谱自适应(SSA)设计方案接近,即设计一组在时域上相互正交的脉冲波形,通过组合不同的脉冲波形形成灵活可调的频谱凹槽,动态地抑制干扰.适用于采用OFDM多载波UWB系统的干扰抑制波形设计方案主要思想是:通过对子载波进行扣除、置空等波形处理,在干扰用户所在频带处形成凹槽,以抑制对干扰用户的干扰.本文将重点介绍四种用于干扰抑制的UWB脉冲波形设计,其中,Hermite脉冲、压缩Chirp脉冲、PSWF脉冲适用于单脉冲UWB系统,干扰主动消除(AIC)子载波适用于多载波UWB系统.

2.1 Hermite脉冲

Hermite脉冲是基于Hermite矩阵特征向量分解生成的一组完全正交脉冲.为抑制对干扰用户WLAN (所在频段为5.5～7.5 GHz)产生干扰,需将短时脉冲频谱中5.5～7.5 GHz频段屏蔽.通过在UWB两个频段3.1～5.5 GHz和7.5～10.6 GHz上分别求其Hermite矩阵特征向量,再运用Schmidt正交化,得到一组完全正交脉冲且在5.5～7.5 GHz处形成频谱凹槽的脉冲[16,17].这种方法具有脉冲持续时间短、数据速率高、频谱旁瓣低等优点.它的缺陷在于频谱利用率较低、凹槽深度不够理想、实现较复杂.

2.2 压缩Chirp脉冲

压缩Chirp脉冲是指Chirp函数经过匹配滤波器在频域上带宽得到压缩,仍以WLAN为例,它通过去除中心频率在5.5～7.5 GHz频段内的某个或某几个chirp脉冲形成频谱凹槽,抑制对干扰用户的干扰[18].由于采用叠加的方法,压缩Chirp脉冲易于产生凹槽,凹槽深度较深.不足的是这种方法只设计出了一种脉冲波形,无法满足多用户通信要求,在接收端易产生较大干扰,致使误码率上升.

2.3 PSWF脉冲

基于长球面波(PSWF)正交函数分解生成的一组PSWF正交脉冲具有以下特性:①不含直流分量;②脉冲频带变大,则相应时域宽度就变小,通过改变脉冲持续时间就能灵活地改变频谱带宽和中心频率.在UWB两个频段3.1～5.5 GHz和7.5～10.6 GHz上分别求一个对应特征值较大的PSWF波形,将两波形直接相加便可实现在WLAN工作频段5.5～7.5 GHz处的频谱凹槽[19-21].这种设计方案算法虽然复杂,但可以动态地实现任意频点不同深度的凹槽,从而使IR-UWB动态地抑制对干扰用户的干扰.从目前来看,双正交PSWF脉冲是符合自适应脉冲成形原则且性能较理想的方法.

2.4 AIC子载波

在UWB发射端把与干扰用户工作频段重叠的子载波关闭掉的同时,在其两侧邻近位置上分别插入一个或多个新的特殊子载波,称为AIC子载波,并在这些子载波上主动发送干扰抵消信号,用来消除相邻子载波旁瓣功率的影响[22-24].AIC子载波产生的频谱凹槽,可以达到-30 dB.

3 干扰检测与抑制流程

干扰检测与抑制流程(Detect and Avoid,以下简称DAA)用于控制UWB发射端参数(如传输功率等)使其通信状态适应干扰用户工作状态的变化,从而抑制对其产生干扰.当UWB与干扰用户近距离同时工作时,规定干扰用户优先级高,而UWB优先级低,即为保障干扰用户的正常工作,可以适当牺牲UWB工作性能.如图1(a)所示流程,当干扰用户WiMAX采用TDD双工模式,即上行链路与下行链路数据在时间轴上交替传输时,DAA周期性检测WiMAX上行链路功率,并将检测结果与功率门限值进行比较以判断上行链路工作状态,比较结果决定UWB选用大发射功率或可与WiMAX共存的较小发射功率通信.这种流程具有可实时检测、普适性强等优点.对于采用FDD双工模式的干扰用户(如UMTS),DAA如图1(b)所示,该流程与图1(a)流程相似,同样具有一定普适性[25,26].

图1 单用户DAA流程Fig.1 DAA procedure of Single UWB

DAA还可以基于共存系统所处位置划分等级,以干扰用户所在位置为中心,以不同半径划分成多个环形区域,与干扰用户可实现共存的UWB发射功率值随区域半径增大而增大,如图2所示[27].

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

图3 联合检测DAAFig.3 DAA procedure of Multiple UWB

欧洲EPP(European Pulsers Phase)提出了将UWB与干扰用户集成的设计思想.集成在干扰用户中的UWB无需通过检测可直接判断干扰用户工作状态,例如传输功率、双工方式、上下行工作状态等等.此时, DAA设定一个UWB控制单元(PNC),任意两个UWB通过特定时隙进行通信,在该共存场景中,同时存在与UWB相集成干扰用户(UV,UWB Vitim)和独立干扰用户(SV,Simple Victim),称为联合DAA,如图3所示[26].为抑制对干扰用户的干扰,集成在UV中的UWB定时向PNC报告该干扰用户的工作状态,而独立UWB设备具备检测SV工作状态的能力.如果共存系统中任一UWB设备检测到SV存在,需要通过PNC通知所有网络中UWB设备,最终使整个共存系统处于无干扰状态[28].当不考虑物理层的具体实现方式时,单脉冲UWB系统与多载波UWB系统均可在链路层通过DAA实现干扰抑制.

4 小结

本文首先介绍了UWB无线通信技术,然后对近年来UWB干扰问题研究领域的新进展进行了着重讨论:对各种干扰检测、干扰抑制的UWB波形设计方案的基本原理及优缺点进行了介绍;其次详细介绍了先进的干扰检测与抑制流程.相信本文对于UWB无线通信系统的深入研究具有一定意义.

单用户检测存在一定的问题:一是单个UWB设备接收到的干扰信号往往会受到严重的信道衰落和阴影衰落影响,从而使得检测性能受限;二是由于硬件复杂度等条件限制,单个UWB设备通常只能对部分频谱进行检测,无法实现宽带频谱检测.虽然合作检测是基础是单用户检测,但其可以解决上述两个问题.因此,如何将合作检测应用于UWB以提高低信噪比情况下UWB宽带频谱检测性能将是一个非常有潜力的研究方向.

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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

国家自然科学基金重点项目(60830001);国家重点实验室自主重点项目(RCS2008ZZ007);北京交通大学科技基金资助重点项目(2006XZ001)

朱 刚(1958-),男,上海人,教授,博士生导师,研究领域:无线通信.E-mail:gzhu@bjtu.edu.cn