（电磁场与微波技术专业论文）uwb超宽带系统对wimax的干扰.pdf

u w b 超宽带系统对w im a x 的干扰 摘要 w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高 速连接。具有q o s 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。w i m a x 的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的o f d m o f d m a 、 a a s 、m i m o 等先进技术，随着技术标准的发展，w i m a x 将逐步实现宽 带业务的移动化。因其在数据通信领域的高覆盖范围( 可以覆盖2 5 - - - 3 0 英里的范围) ，以及对3 g 可能构成的威胁，使w i m a x 备受业界关注 u w b 技术具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能 小、发射功率小等技术优势，是目前短距离无线通信中最为引入关注 的技术。 基于上述两种通信体制的重要性以及其共存的可能性，因此对现 有两种通信系统的相互干扰的研究显得尤为重要。而如今，u w b 系统 和众多窄带系统如u m t s 、g s m 、g p s 等等的共存问题已经在文献中被 广泛讨论，但u w b 对w i m a x 系统的干扰问题的研究并不是太多。 本文先从理论角度分析了u w b 系统发射功率和噪声系数等参数变 化对w i m a x 受扰接收机所造成的干扰可能性的影响。之后利用m a t l a b 工具建立仿真模型，利用蒙特卡罗法的思想得出u w b 系统发射功率和 w i m a x 接收机受干扰概率的对应关系。并对仿真结果进行了分析。 关键字：u w b ( 超宽带无线电) w i m a x 干扰共存电磁兼容 t 既i n t e r f e r e n c eb e t w e e nin ba n d 砸讧a xc o m 呱仉小c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t w i m a xi sa l le m e r g i n gt e c h n o l o g yo fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ， a n di tc a np r o v i d eh i 曲s p e e dc o n n e c t i o nw i t ht h ei n t e m e t w i m a xh a s g r e a ta d v a n t a g e so v e ro t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sf o rt h e g u a r a n t e eo fq o s ，h i 曲一s p e e do ft r a n s m i s s i o na n dv a r i o u sr e l a t e d b u s i n e s s m a n ya d v a n c e dt e c h n i q u e sa r ea d o p t e di n 晰m a x ，s u c ha s o f d m o f d m _ a ，a a s ，m i m o ，w h i c hl e a dt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f f u t u r ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p i n gr e g u l a t i o n ， 晰m a xw i l la c h i e v et h em o b i l i t yo fb r o a d b a n db u s i n e s ss t e pb ys t e p f o r i tc a nc o v e ra na r e ao f2 5t o3 0m i l e s ，a n dm a yp o s eat h r e a tt o3 g , w i m a xi sp a i df u l la t t e n t i o ni nt h ef i e l d u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ef i e l do fs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s f o ri td o e sa g r e a tj o bo nt h ea n t i - i n t e r f e r e n c e ，t r a n s m i s s i o nr a t e ，b r o a d b a n d ，e l e c t r i c a l e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt r a n s m i s s i o np o w e r , u w bh a sb e e nr e s e a r c h e d c o m p r e h e n s i v e l yd u r i n gt h e s ey e a r s b a s e do nt h ei m p o r t a n c ea n dc o e x i s t e n c ep r o b a b i l i t yo ft h e s et w o s y s t e m s ，t h er e s e a r c ho nt h ei n t e r f e r e n c eo ft h et w os y s t e m si sa t t a c h e dt o h i g hi m p o r t a n c e b u tn o w , t h ec o e x i s t e n c ep r o b l e m so fu w bs y s t e m w i t hm a n yn a r r o w b a n ds y s t e m ss u c hu m t s ，g s m ，g p s ，e t c h a v eb e e n i n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l yi ns o m el i t e r a t u r e ，b u tt h ei m p a c to fu w b i n t e r f e r e n c eo nw i m a xs y s t e m sh a sn o tb e e ne x p l o r e dl a r g ee n o u g h a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h a th o wt h ec h a n g e so ft r a n s m i s s i o n p o w e r a n dn o i s e f i g u r eo fu w bs y s t e me f f e c tt h ep r o b a b i l i t yo f i n t e r f e r e n c e t h e nt h ee m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db ym a t l a b ，a n df i n d o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu w bt r a n s m i s s i o n p o w e rl e v e l a n d p r o b a b i l i t yo fi n t e r f e r e n c eo nw i m a xt e r m i n a l ，u t i l i z i n gt h em o n t ec a r l o a n a l y s i sm e t h o d a n de v e n t u a l l yg a i n st h ec o n c l u s i o n so ft h ee m u l a t i o n i i i r e s u l t k e yw o r d s ：u 、7 v bw i m a xc o e x i s t e n c ee m c i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：磕丕 日期：2 掣立! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：i 垒垄 导师签名： 日期：之望兰：! 呈 日期：企颦主：盟一一一 1 1 超宽带技术发展简史 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代起就有学者开始尝试用短脉冲而不是正弦波传播无线电信 号，这曾被称为“脉冲无线电 ，“非正弦系统一，“时域通信 等。此时出现 了有关u w b 发射机和接收机的设计技术，同时u w b 在通信和雷达中也得到了 应用。此后，u w b 技术不断得到发展，到7 0 年代，有关u w b 在通信和雷达应 用中的全部体系概念都已经建立起来。由于技术发展水平的限制，自2 0 世纪末 以来，这类技术才开始得到实质性关注。1 9 9 0 年，美国国防部首先定义了“超 宽带( l n 鹏，u l t r aw i d eb a n d ) 一概念，超宽带无线通信开始得到美国军方和政 府部门的重视。1 9 9 0 年3 月，在美国新墨西哥州的l o sa l a m o 国家实验室召开 的超宽带雷达会议上提出了“超宽带( i 珊旧) 雷达”的概念。超宽带雷达是一种 新体制的雷达，它定义为：分数带宽( f b w ，f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于2 5 的雷达为超宽带雷达。1 9 9 0 年1 0 月，时域公司在美国海军陆战队对基地进行了 “秘密行动链路”( s t e a l t h l i n k ) 手持式超宽带无线电的现场演示。六部电台同时 开通了三条链路，包括移动式点对点操作和距离超过9 0 0 m 的全双工传输，并与 其它配对链路以3 2 k b s 的速率交换数字图像。能在7 0 0 m 以外测试出传统u h f 电台信号的频谱分析仪，要在1 0 m 以内才能检测到超宽带发射机的信号。演示 中使用的“秘密行动链路 电台，在1 s 内可传输1 0 0 0 万个脉冲，每个脉冲的宽 度为0 5 n s ，峰值功率为0 5 w ，平均功率为0 2 5 u w ，每个脉冲的能量被展宽在 2 g h z 以上的带宽上。这种演示证实了超宽带无线通信独特的军事应用价值和实 践的可能性。2 0 0 4 年4 月，美国f c c 通过了超宽带技术的商用许可，超宽带无 线通信在民用领域开始受到普遍关注。目前“超宽带 的定义只是针对信号频谱 的相对带宽( 或绝对带宽) 而言，没有界定信号的时域波形特征。因此，有多种 方式产生超宽带信号。 1 2 超宽带技术研究现状 了解超宽带技术在国内外的研究现状对自身的研究非常具有参考价值。基于 u w b 技术的通信所需要的频带宽度相当大。f c c 在批准u w b 无线通信技术民 用时，已规定其工作频带介于3 1 g h z 1 0 6 g h z 的7 5 0 0 m h z 。因此无论怎么分配， 总会出现与现有无线技术所使用的频带相互重叠的部分，由此带来了u w b 与其 他无线系统的兼容性问题。 1 2 1 超宽带技术在国外的研究现状 超宽带无线电技术具有巨大的市场前景。目前，为满足低廉的宽带i n t e n d 无线接入和宽带多媒体业务增长的需要，民用超宽带无线电研究主要是建立短距 离家庭、学校的宽带无线网络和位置定位上。 目前，超宽带技术在理论上的学术界的研究主要集中在超宽带无线电功率谱 密度分析方面，以及一些少量的实际测试。文献【1 】【2 】【3 】【4 】对于理想同步的脉冲信号 的功率谱密度进行了分析，理想同步的脉冲信号是指固定的时间延迟，固定的发 送时间间隔，采用简单的脉冲波形发送固定统计规律的数据信号。文献【5 】【6 1 1 7 8 】 综述了单用户跳时扩频信号的频谱分析。文献【9 】提出了设计更高阶的高斯脉冲以 符合f c c 的频谱要求。跳时序列的长度可以很大程度的影响到功率谱密度【l o l 。 文献【l l 】提出了用功率谱密度来分析跳时冲激脉冲信号在多用户干扰下的性能。在 文献【1 2 】中，研究了存在u w b 信号干扰的情况下，i s 9 5 和w c d m a 的b e r 性 能随着c d m a 系统载波频率变化的情况。 在实际应用方面，m s s i 公司在2 0 0 3 年研制出了城市定位和测距系统，这个 系统可以让消防队员以及事故处理人员用来搜索和营救受害者，工作在6 7 g h z 频段，其定位精度为1 英尺，最大的搜索范围可达6 0 英尺，具有隔墙搜 索等功能。同时该公司也研制出了另一种采用u w b 技术的定位系统p a l 6 5 0 ， 主要用来在非常杂乱的存货区给物体定位，如，医院，工厂，以及其他十分混杂 的地方。该设备包括u w b 目标装置，u w b 接收机，一个中央数据处理装置。 其工作的中心频率为6 1 9 1 g h z ，3 d b 带宽为4 0 0 m h z ，定位的精确度为l 英尺。 f a n t a s m a 网络公司是美国一家将超宽带无线电技术用于室内无线网络的公 司之一，己经在1 0 0 m 范围内实现了6 0 m b p s 的数据传输速率，在功能上与8 0 2 1 l x 相似，但带宽更宽，成本更低，网络用户更多。该公司预计，在1 8 个月后可实 现其第二代产品，数据传输速率高达1 0 0 m b p s 。 而在军方，超宽带无线电更是得到了实质性的重视。它的应用之一，是为美 国国防部开发高速移动、多节点的超宽带a dh o e 无线通信网络。该网络支持话 音数据和高速视频传输。 在2 0 0 1 年6 月，m s s i 公司、t h a l e s 公司和r o c k w e l l 公司联合研制了实验 室系统( d r a c o ) ，组成1 0 人的战术无线网络，在战术通信范围内提供数字话 音，数据和视频业务，被看作是无线a dh o c 网络发展的里程碑。2 0 0 1 年1 月， m s s i 完成了由美国海军部门支持的利用超宽带无线电技术队l i s ( p r e c i s i o na s s e t 2 l o c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 的现场测试和评估，该系统在非常复杂的多径 环境中能很好地完成定位和识别，其性能远远超过同时参与测试的d s s s 技术的 系统。2 0 0 1 年7 月底，m s s i 公司完成了其长距离超宽带无线电地面波收发信机 的首次现场测试。这套为海军设计的系统不仅能提供在6 0 英尺的非视距范围内 在船与船、船与岸之间提供3 0 帧秒的视频传输，还能完成在城市峡谷中的分布 式传感器网络通信。2 0 0 3 年，m s s i 公司研究出了给军用飞机配备的无线通信工 具，其瞬时3 d b 带宽为4 0 0 m h z ，其有效的发射功率为2 6 d b m ，可以同时支持8 个用户，可持续工作8 小时。2 0 0 4 年，m s s i 公司研究出了军用u w b 雷达传感 器，安装在直升机上用来检测入侵物体，以及是否有障碍物，还可以精确测量高 度等。峰值功率依照f c c o f 的规定，瞬时带宽为6 5 0 m h z ，分辨率可达0 3 m 。 1 2 2 超宽带技术在国内的研究现状 现在国内外主要的研究方向集中在u w b 天线的设计、信道模型的建立、 u w b 与常规无线系统相互干扰问题等方面。我国也非常重视这项革命性的技术， 在2 0 0 1 年9 月初发布的“十一五8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，把超宽 带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的 研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。 我国在u w b 技术的研究上还处于起步阶段，取得的成果主要集中在u w b 信号的产生及有效辐射方面。2 0 0 4 年5 月1 8 日在北京，海尔集团( n a i e r c o r p o r a t i o n ) 和飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 成功地展示了相距4 0i n c h 的手提摄录机与等 离子平面电视机之间采用d s u w b 技术进行的无线连接，这是市场上首度采用 d s u w b 融入家庭影音设备的全功能模式。这证明了u w b 技术在手持设备上应 用的可行性。 国家无线电监测中心从2 0 0 2 年开始跟踪u w b 技术，2 0 0 3 年积极参加 i t u r t g l 8 研究组会议，2 0 0 4 年后进行u w b 产品的调研与分析。目前他们已 经进行了u w b 技术干扰仿真分析，承担了信息产业部项目研究。2 0 0 6 年开始 与u w b 产品供应商共同进行u w b 电磁兼容测试。目前国家无线电检测中心 已经在u w b 方面获得了不少研究成果，如获得了不同u w b 技术实现方式的 辐射特性，完成了u w b 与部分公众无线通信系统的电磁兼容分析与试验，为 u w b 技术的频谱规划提供了技术支撑，并根据研究结果制定了u w b 管理模式 和要求。 2 0 0 3 年信息产业部下达了“u w b 系统电磁兼容分析 软科学研究项目，国 家无线电监测中心承担，北京邮电大学协助。自此以后，有关u w b 技术的研究 工作开展的如火如茶，北京邮电大学，北京理工大学，东南大学等研究的u w b 3 系统的信号产生，r a k e 接受等技术，先后获国家专利。 1 3 超宽带技术标准演化 2 0 0 2 年1 月，i e e e8 0 2 1 5 3s g 3 a 工作组成立，旨在为面向w p a n ( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k 无线个域网) 应用的i e e e8 0 2 1 5 3 标准制定出高速物理层 补充标准i e e e8 0 2 1 5 3 a ，u w b 的标准化进程由此开始。工作组在标准提案征 求书中提出的系统指标是： 1 ) 使用f c c 开放的3 1 g h z 1 0 6 g h z 频段，发送信号的功率谱密度低于4 1 3 d b m m h z 。 2 ) 目标速率：1 0 m 距离上实现1 1 0 m b i t s ；4 m 距离上实现2 0 0 m b i t s ；l m 距离上 实现4 8 0m b i t s 。 3 ) 支持4 个不同步的微微网同时工作。 2 0 0 3 年3 月，s g 3 a ( 8 0 2 1 5 3 a 研究组) 如期收到2 3 个提案。经过协商讨论， 在2 0 0 3 年7 月的会议上，这些提案最终融合成了两大方案，即传统的脉冲无线 电方案和多频带正交频分复用( o f d m ) 方案。前一方案的倡导者多是早期投身超 宽带无线通信研究与开发的中小公司，以美国m s s i 、x t r o m es p e c t r u m 公司等为 代表，它们拥有大量脉冲无线电方面的发明专利，在u c f b 的应用开发进程中已 先行一步。一些传统的通信大公司显然不愿意受到这些专利的制约，于是另起炉 灶，完全摒弃了无载波脉冲的思想，又回到传统的窄带通信技术上，提出将可用 的7 5 g h z 频段划分成十几个5 0 0 6 0 0 m h z 左右的子频带，在每个子频带上采用 o f d m 技术实现宽带无线通信的方案。 2 0 0 7 年3 月，以i n t e l 和t i 为首的多频带o f d m 联盟( m b o a ) 正式成立， 有5 0 多家企业加入，包括a l e r e o n ，微软，惠普，n o k i a ，s o n y 等厂商。而 另一阵营则得到了u w b 论坛的支持，u w b 论坛包括f r e e s c a l e 、摩托罗拉等厂 商。为打破僵局，一些公司已表示将免费提供与标准相关的u w b 专利。 从技术上讲，m b o a 和d s u w b ( 直接序列超宽带) 是无法彼此妥协的， d s u w b 曾提出一个通用信令模式，希望与m b o a 兼容。但这种模式在技术上 无法实现所以被m b o a ，i e e e 和u s b 协会拒绝。 4 ，45 7 lol l 图1 - 1d s - s s 模式 图卜2m b o f d m 模式 从产品上来讲，d s u w b 在开始的时候走在了前面。它的样品在2 0 0 4 年初 的时候已经在拉斯维加斯的消费电子展上展出，但看来之后的进展比较缓慢，当 时存在的问题今天依然存在，例如功耗很大、需要两根天线分别收发、在天线与 接收器中间有阻挡时会出现花屏等。而另一方的m b o a 正迎头赶上，来自 s t a c c a t o 公司芯片级的物理层芯片( p h y ) 在2 0 0 4 年的第一季度已经完成，八、 5 九月份的时候，配合t i 公司可编程门阵列( f p g a ) 的媒体存取控制器( m a c ) 已经可以工作。f p g a 还不是芯片级的产品，是在芯片生产之前用来验证和测试 逻辑功能的。这是两个芯片的方案，相比较于d s u w b 目前的四芯片方案在成 本、体积和功耗上占有较大的优势。 经过4 年争论之后，i e e e 负责8 0 2 1 5 3 a u w b 标准的任务小组经全体投票 一致通过决定解散，消费者将自己选择他们认为最方便使用的技术。与此同时， w i m e d i a 联盟建议欧洲的行业协会和标准化组织e e m ai n t e r n a t i o n a l 的成员采用 m b o f d m 标准作为消费产品中使用的u w b 全球标准并将标准提交i s o i e c j t c i 快速通过。 d s s sm b o f d m 频带数量 2l o 带宽 1 3 6 8 g h z ，2 7 3 6 g h z 5 2 8 m h z 子信道 频率 a 群：3 2 5 1 5 g h za 群：3 1 6 8 - 4 7 5 2 g h z b 群：5 8 2 5 1 0 6 g h zb 群：4 7 5 2 6 0 7 2 g h z c 群：6 0 7 2 8 1 8 4 g h z d 群：8 1 8 4 1 0 6 g h z 调制模式 b p s k , q p s k ，d s s st f i - o f d m ，q p s k 共存方法删除与w l a n 冲突的频段删除与w l a n 冲突的频段 多路复用方法c d m a 时频交织( t f i ) 支持微网数目8 4 纠错编码卷积码，r s 码卷积码 c h i p 宽度7 3 1 p s ( 低带) ，3 6 5 p s ( 高带) 3 1 2 5 n s o f d m 符号 多径解决办法判决反馈均衡器和r a k e一个抽头，6 0 6 n s 延迟扩展 表1 - 1d s - s s 和m b - 0 f d m 物理层一览表 1 4 超宽带技术与其它短距离无线技术的比较 从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输距离只有1 0 m 左右，因此我们只拿 常见的短距离无线技术与u w b 作一下对比，从中更能显示出u w b 的杰出的优 点。常见的短距离无线技术有i e e e 8 0 2 1l a 、蓝牙、h o m e r f 。 1 4 1i e e e 8 0 2 1 l a 与u w b u w b 的通信距离在1 0 m 左右。而i e e e 8 0 2 1 l a 传输层速率在2 5 m b p s ，它 6 的通信距离可能达到1 0 0 m 。在短距离的范围( 如1 0 m 以内) ，i e e e 8 0 2 1 l a 的通 信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1 1 a 的几 十倍；超过这个距离范围( 即大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性 能就差很多( 目前从演示的产品来看，u w b 的有效距离已扩展到2 0 m 左右) 。因 此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 l a 无法与u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 l a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 l a 的功耗相当大。 1 4 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 与u w b 蓝牙技术是爱立信、m m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技 术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s o ) 来负责该技术的开发和技术协议的 制定，如今全世界已有1 8 0 0 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为1 0 0 m - - 1 0 m 。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为l m b p s 。从技术参数 上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就 不会再是优势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝牙的杀手，不是 没有道理的。 1 4 3h o m e r f 与l r w b h o m e r f 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了8 0 2 11 规范中支持t c p i p 传输的协议；而其语音传输性能则来自d e c t ( 无绳电话) 标准。h o m e r f 定义的工作频段为2 4 g h z ，这是不需许可证的公用无线频段。 h o m e r f 使用了跳频空中接口，每秒跳频5 0 次，即每秒钟信道改换5 0 次。收 发信机最大功率为1 0 0 m w ，有效范围约5 0 m ，其速率为1 m b p s 至2 m b p s ，和 u w b 相比，各有优势：h o m e r f 的传输距离远，但速率太低；u w b 传输距离只 有h o m e r f 的五分之一，但速度却是h o m e r f 的几百倍甚至上千倍。 总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着 相互竞争关系，但在某些世纪应用领域内它们又互相补充。用图表罗列四者区别 如下： i 肿 蓝牙 8 0 2 1 l ah o m e r f 速率( b p s ) 最高达1 g 1 m5 4 m l 2 m 距离( 米) 1 01 01 0 1 0 05 0 功率1 毫瓦以下l 1 0 0 毫瓦1 瓦以上l 瓦以下 7 应用范围 颥黟斛r 勤缒k 品? 篙主喜觚 表1 - 2 短距离通信技术一览表 1 5 本文的研究意义和主要工作 1 5 1 本文研究的意义 有些无线电委员会的专家认为u w b 是一种能够彻底改变无线工业的“分裂 性技术。u w b 面临的最大的难题之一就是它和现有的无线通信系统的相互干 扰程度还不是很清楚。很多专家担心u w b 会给采用无线通信技术的业务带来影 响。由于超宽带系统使用很宽的频带，所以和很多其它的无线通信系统频段重叠。 虽然从理论上说超宽带系统的发射功率谱密度很低，应该能和其它系统实现共 存，但实际应用中超宽带系统对其它系统的兼容性需要用实验证明。 另外，超宽带系统的工作机理和特性还有很多不清楚的方面，比如超宽带系 统的带外干扰问题，即超宽带设备也有可能对在其工作频段之外的无线系统产生 一定的干扰，这部分干扰还很难用理论计算的方法准确估计。因此虽然f c c 将 u w b 工作频段定为3 1 gh z 以上，但超宽带设备对3 1 gh z 以下频段系统( 如 g s m ，g p s 系统和无线局域网系统) 的干扰也需要考虑。 u w b 系统和众多窄带系统如u m t s 、g s m 、g p s 等等的共存问题已经在文 献中被广泛讨论【1 3 】【1 4 】，但u w b 对w i m a x 系统的干扰问题的研究并不是太多。 在【1 5 】中分析了当f w a 接收机和u w b 的发射设备之间的距离为2 0 0 米到3 千米 二者共存时的抗干扰技术。在【1 6 】中，研究了d s u w b 系统中的w i m a x 接收机 的性能，计算了受干扰的接收机所接收到的干扰总和，并把它和接收机受干扰的 门限值作比较。在【”】中讨论了和u w b 热点同频的固定宽带接入收到的干扰，但 是用到的一些参数，像带宽，噪声系数等和c e p te c ct g 3 工作组的要求不是 很统一，因此没有做更进一步的研究。在【1 3 】【1 5 】【1 6 】的研究中，受干扰的接收机和 u w b 发射器的距离都很远，然而e c ct g 3 需要当u w b 发射器和w i m a x 接收 机相距非常近( 小于2 米) 时的干扰分析结果。 与基于i e e e 8 0 2 1 6 d e 标准的w i m a x 在3 5 g h z 的共存性问题变得越来越 重要了，并且欧洲相关条约需要出台。在两者的共存性问题上需要关注两点：1 同位置2 不同位置。第一种情况不需要在规范中讨论。这些潜在共存的困难性应 该靠工业中的合理布局来克服。而后一种情况，争论点放在3 4 3 8 g h z 频段的 u w b 功率谱密度上【1 7 】。e c ct g 3 选取了比之前7 0 d b m m h z 更严格的数值 8 8 5 d b m m h z ，因为当w i m a x 终端非常接近u w b 传输器时，其对u w b 传输 器的干扰足可以对其性能产生影响【1 7 1 。核心问题不是u w b 是否会产生干扰，原 则上可以构建出一个u w b 对其他系统产生干扰的有用模型。而是是否这些有用 的模型互相关联，而干扰是不是严重到一定要保护受影响的服务。 1 5 2 本研究所做的主要工作 本课题主要研究u w b 无线通信系统对w i m a x 的干扰。论文共分为五部分。 第一章绪论主要介绍了u w b 技术的发展简史，在国内外的研究现状，其著 名的标准之争，以及和其他短距离无线技术的比较。 第二章介绍了超宽带通信系统的定义，系统特点和关键技术，超宽带无线电 信号的典型调制方式t h p p m ，t h - p a m 等的调制解调方法。 第三章介绍了w i m a x 的基本概念，应用模式和关键技术，简单叙述了 i e e e 8 0 2 1 6 无线接入标准，并着重介绍了w i m a x 技术中的两个重要技术 一o f d m 和m i m o 的技术原理。 第四章和第五章是u w b 系统对w i m a x 终端干扰的详细仿真过程以及所得 出的结论和对未来工作的展望。 第六章是研究过程中涉及到的另一个课题，简单的进行了介绍。课题是通过 m a t l a b 中的s i m u l i n k 对正交d r f m 进行建模，进行基于d r f m 的遮盖式 干扰仿真。 9 第二章超宽带通信系统研究 2 1 超宽带通信系统基础 2 1 1 超宽带通信系统定义 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短( 小于 i n s ) 的脉冲进行通信的方式，也称作脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 、时域( t i m e d o m a i n ) 或无载波( c a r d e rf r e e ) 通信。与普通二进制移相键控( b p s k ) 信号波形相 比，u w b 方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于l n s 的脉冲。u w b 调制采用脉冲宽度在i i s 级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至 g h z ，不需常规窄带调制所需的r f 频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。 脉冲峰峰时间间隔在1 0 1 0 0p s 级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线 负载特征来调整。i m 僵信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低， r f 可同时发射多个u w b 信号。u w b 信号类似于基带信号，可采用o o k ，对 映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。u w b 不同于把基带信号变换为无线射 频( r f ) 的常规无线系统，可视为在r f 上基带传播方案，在建筑物内能以极低 频谱密度达到1 0 0m b s 数据速率。 u w b 是新一代的无线电通信技术，其中心频率至少达到5 0 0 m h z 。按照f c c 的规定，从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的带宽频率都将作为通信设备所 使用的频率范围。但为了确保现在已经使用这一频段的用户不受到干扰，u w b 的发射功率将会有所限制。值得注意的是，户内信号要比户外信号有更大程度上 的衰减。传统的超宽带通信是一种无载波通信技术，它利用皮秒至纳秒级的非正 弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，这与此前的无线通信截然不 同。由著名的关于信道容量的香农公式可知，在信道容量一定的情况下，带宽与 干扰噪声比可以互补，u w b 的带宽非常宽，故u w b 系统发射的功率谱密度可 以非常低，甚至低于p c c 规定的电磁兼容背景噪声电( 4 1 3 d b m f c cp a r t1 5 ) ，所 以短距离u w b 无线通信系统与其他窄带无线通信系统可以较好的共存。 q c=b l 0 9 2 ( 1 + 詈)式( 2 1 ) v 式中：c 信道容量( 用传输速率度量) b 信道带宽，h z s 信号功率，w 1 0 n 一噪声功率，w u w b 通信方式占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通 常扩频通信的特点，可以被分类为一种扩频技术，但又与使用特定载波的常规扩 频技术不同，它发送的是波形不变的单周期脉冲，这种脉冲持续时间非常短( 一 般为纳秒级) ，波形中有过零点。根据傅立叶交换原理，时域内信号持续时间越 短，相应的频域上占据的频带就越宽，信号能量在频谱内分布的也就越广，进而 实现扩频。 2 1 2 超宽带通信系统特点 l r w b 是一种“特立独行 的无线通信技术，它将会为无线局域网l a n 和 个人局域网p a n 的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线 通信技术。u w b 具有以下特点： 1 抗干扰性能强 u w b 信号，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出 功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中 产生扩频增益。因此，与i e e e8 0 2 1l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和蓝牙相比，在同等码速 条件下，u w b 具有更强的抗干扰性。 2 传输速率高 u w b 的数据速率可以达到几十兆比特每秒到几百兆比特每秒，有望高于蓝 牙1 0 0 倍，也可以高于i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 l b 。 3 带宽极宽 u w b 使用的带宽在1 g h z 以上，高达几吉赫兹，并且可以和目前的窄带通 信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天。开辟了一种新的时 域无线电资源。 4 频谱利用率高，系统容量大 因为不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激序列，因而u w b 系统具 有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，从而提高频谱利用率， 带来了极大的系统容量。 5 发射功率低 由于u w b 系统信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线， 也可使用小于l m w 的发射功率实现几千米的通信。 6 保密性好 u w b 保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送 端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低。用传统 的接收机无法接收。 2 1 3 超宽带通信系统的关键技术 1 脉冲信号的产生 从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级( 1 0 9 s ) 的信号源是u w b 技术的前提条 件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿 的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源 的两类方法为：( 1 ) 光电方法，基本原理是利用光导开关的陡峭上升下降沿获得 脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒( 1 0 1 2 s ) l _ 级，是最 有发展前景的一种方法。( 2 ) 电子方法，基本原理是利用晶体管p n 结反向加电， 在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广 泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的 脉冲，脉冲的宽度可以达到l n s 以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。 2 u w b 调制方式 u w b 的传输功率受传输信号的功率谱密度限制，因而在两个方面影响调制 方式的选择：一是对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能；二是调制方案 的选择影响了信号功率谱密度的结构，因此有可能把一些额外的限制加在传输功 率上。 在u w b 中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信 息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。 ( 1 ) 单脉冲调制 对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于 u w b 的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制( p a m ) 、脉冲位置调s j ( p p m ) 、 通断键控( o o k ) 、二相调制( b p m ) 和跳时直扩二进制相移键控调制t h d s b p s k 丘盘 号手o p a m 是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。p a m 既 可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的 p a m 只改变脉冲幅度的绝对值。b p m 和o o k 是p a m 的两种简化形式。b p m 通过改变脉冲的正负极性来调n - 元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。o o k 通过脉冲的有无来传递信息。在p a m 、b p m 和o o k 调制中，发射脉冲的时间 间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉 冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是p p m 的基本原理。在p p m 中，脉 冲的极性和幅度都不改变。 p a m 、o o k 和p p m 共同的优点是可以通过非相干检测恢复信，g 。p a m 和 1 2 p p m 还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。然而，p a m 、 o o k 和p p m 都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。 线谱不仅会使u w b 脉冲系统的信号难以满足一定的频谱要求( 例如，f c c 关于 u w b 信号频谱的规定) ，而且还会降低功率的利用率。 就上述5 种调制方式而言，综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素，目 前广泛受关注的是后两种调制方式：t h p p m 和t h d s b p s k 。两者的区别在于 当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，t h d s b p s k 的性能要优于t h p p m 。 而对t h d s b p s k 而言，在速率较高时，应优先选择d s b p s k 方式；速率较低 时，由于t h b p s k 受远近效应的影响较小，应选择t h b p s k 方式。在采用最 小均方误差( m m s e ) 检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在 速率较高时，t h d s b p s k 的性能还是要优于t h p p m 系统。而b p m 则可以避 免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功 率受限的u w b 脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量， b p m 是一种比较理想的脉冲调制技术。 ( 2 ) 多脉冲调制 实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在u w b 脉冲无线系 统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。 当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多 脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每 组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用p p m 或b p m 调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用p a m 、p p m 或b p m 调制。一般把第一步称为扩谱，而把第二步称为信息调