关于超宽带技术调研

关于超宽带技术调研关于超宽带技术调研 目录 一 前言 1 二 国内外发展现状 4 三 超宽带技术发展趋势 7 四 总结 8 参考文献 11 1 一 前言一 前言 1 1 超宽带无线通信技术 超宽带 UWB 技术为拥挤的无线电频谱带来了新的应用理念 其创新的使用模式和用有 线链接无法实现的产品特性正在吸引着全球的目光 这种短距离的传输技术具有耗电量低 安全性高 高速传输 不易产生干扰 低成本的芯片结构等优点 更重要的是他可以帮助家 庭和办公室中的各种信息设备摆脱有线的束缚而实现互联互通 目前 许多国家正在致力于 超宽带技术的研究开发 尽管还没有成熟产品进入市场消费阶段 但将推动超宽带与大部分消 费电子 移动设备和个人电脑的连接嵌入 UWB 技术在 1994 年以前主要限于军方使用 限 制了 UWB 的软件和硬件开发 由于 UWB 使用许多专用频段 美国联邦通信委员会 FCC 直到 2001 年才正式开放 UWB 技术的广泛研究 此后全球对 UWB 的研究进入高速探讨阶段 随着互联网 多媒体和无线通信的快速发展 人们对高速率 高质量无线业务的需求 日益迫切 然而 可用的频谱资源却日渐匮乏 这激发了人们对各种新技术的不断探索 其中超宽带 Ultra Wideband UWB 为解决这一问题提供了崭新途径 超宽带技术适合于 密集多径环境下的高速率 低功耗 短距离无线接入场合 可作为无线个域网 Wireless Personal Area Network WPAN 无线传感器网 Wireless Sensor Network WSN 等网络的 物理层技术 具有广阔的应用领域和市场前景 超宽带技术的历史可追溯到 1895 年意大利科学家马可尼采用火花隙脉冲信号实现的 无线通信 这被认为是超宽带技术的萌芽 之后 随着窄带载波无线通信的兴起 使无载 波的超宽带技术陷入了较长时间的沉寂 直到 20 世纪 60 年代 Ross 等人论证了超宽带 在雷达和通信方面应用的可行性 才出现了现代意义上的超宽带技术 超宽带技术的理论体系则建立于 20 世纪 80 年代 最初受到了美国国防部高级研究 计划局 DefenseAdvanced Research ProjectsAgency DARPA 的高度关注 当时该技术被称 为基带 无载波 或冲激无线电 Impulse Radio IR 直到 1989 年美国国防部将其命名 为超宽带 并将它应用于雷达 无线通信 成像和高精度定位系统 1993 年 Scholtz 等 人提出了跳时多址脉冲无线电概念 引起了学术界的广泛关注 奠定了将 IR 作为无线通 信载体实现多址通信的理论基础 为了促进超宽带技术的发展 2002 年 4 月 美国联邦 通信委员会 FederalCommunications Commission FCC 通过了超宽带无线设备在严格功 率辐射限制下的商用规范 并重新对超宽带进行了定义 自此 超宽带技术的研究和应用 2 进入了快速发展期 许多国家政府都大力支持该项技术 一些知名公司 如 Intel AT T TI IBM 和摩托罗拉等 以及大学科研机构 如斯坦福大学 南加州大学等 都在该领域投入了大量的研究 我国也很重视这项有着巨大发展潜力的技术 在 2001 年发布的 十五 国家 863 计 划通信技术主题研究项目中 首次将 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 积极推动国内学者在该领域的研究工作 在 2008 年发布的 十一五 国家 863 计划信息技术领域中 支持并开展了 超宽带无线通 信系统研发与应用示范 重点项目 拟通过该项目的支持 突破 UWB 相关芯片设计和组 网等一些关键技术 研制出基于自主芯片的试验与验证系统 推广 UWB 技术的应用范围 在国家一些重大项目的持续资助下 我国在 UWB 关键技术研发方面已取得了一些重要进 展 具备了一定的芯片 软件以及实际应用系统的开发能力 1 2 超宽带的概念 超宽带早期被称为脉冲无线电 IR 即采用持续时间极短的基带脉冲来传送信息 是一种无载波通信方式 当时主要被应用于雷达 定位及测距等领域 直到 1989 年美国 的 DARPA 首次使用超宽带这一术语 为了推动该技术进一步发展 2002 年 4 月 美国 FCC 发布了超宽带无线通信的初步规范 将超宽带信号定义为绝对带宽大于 500MHz 或相 对带宽大于 20 的信号 这里绝对带宽是指 10dB 带宽 即信号功率谱密度的峰值衰减 10dB 时所对应的上限频率 fH 和下限频率 fL 之差 而相对带宽则定义为绝对带宽与中心 频率之比 为了促进超宽带技术在民用领域的应用 同时为了避免其对现有无线通信系统 的干扰 FCC 一方面为超宽带系统开放了免授权的 3 1 10 6GHz 频段 我国工业和信息化部的无线电管理机构则于 2008 年 12 月发布了 超宽带 UWB 技术频率使用规定 规定中明确了超宽带设备的发射信号带宽至少为 500MHz 同时分 别给出了几个频段的超宽带发射信号的 EIRP 限值 见表 1 1 所示 表 1 1 我国 UWB 无线电设备发射信号的 EIRP 限值 频率范围 GHz 限值 dBm MHz 检波方式 1 6GHz 以下 90 1 6 3 6GHz 85 有效值 RMS 3 3 6 6 0GHz 70 6 0 9 0 41 9 0 10 6 70 10 6GHz 以上 85 1 3 超宽带的特点 与其它无线通信技术相比 超宽带技术的主要特点可概括如下 1 高速率 大容量 超宽带信号的带宽极宽 包含了高达 7 5GHz 的频谱资源 根据香农信道容量理论 即使在 10dB 左右的低 SNR 下 也可提供约 1Gbps 的通信容量 这使得超宽带适合于高 速率无线传输应用 与其它短距离无线通信方式相比较 超宽带系统的空间通信容量 即 单位面积上的传输速率 约为 1000 kbps m 其分别是 IEEE802 11b 和蓝牙系统的空间通 信容量的 1000 倍和 33 倍 2 低成本 低功耗 脉冲超宽带无需采用正弦载波而直接进行调制 因此 系统的射频前端 模拟以及数 字信号处理部分都相对较简单 很大程度上降低了系统的复杂度并且易于全数字化实现 此外 超宽带脉冲的持续时间极短 一般在 0 20ns 1 5ns 之间 占空比很低 约为 0 01 0 001 加之 FCC 对超宽带信号的辐射功率的严格限制 低于 41 3dBm MHz 这些因 素使得超宽带系统的功耗很低 仅为几百 W 至几十 mW 约是蓝牙设备所需功率的二 十分之一左右 因此 超宽带设备在成本和功耗上 相对于传统无线设备有着很大的优势 超宽带系统中接收技术研究 3 良好的多径分辨率 高精度定位 在时域上 超宽带脉冲的极短持续时间和低占空比的特性使其具有极高的多径分辨率 和良好的时间解析力 一般带宽超过 1GHz 的超宽带系统 能分辨出时延小于 1ns 的多 径分量 这有利于 Rake 接收机收集较多路径的能量 从而提高超宽带系统的抗衰落能力 研究表明 对其它无线电信号多径衰落达 10 30dB 的传播环境 对超宽带无线电信号的 4 衰落则不超过 5dB 超宽带系统良好的时间解析力 也使其具有精确的测距与定位能力 定位精度可达厘米量级 这远远高出全球定位系统 Global Positioning System GPS 和其 它无线系统的定位精度 精确定位功能可用于人员三维定位跟踪和精准的存货追踪管理等 领域 4 高度安全性 超宽带信号的发射功率非常小 而带宽却极宽 因而其功率谱密度很低 信号淹没在 背景噪声和其它无线电信号中 不易被一些侦测设备所截获 此外 超宽带系统中可采用 跳时 跳频 直接序列等扩频技术 这也进一步提高了其安全保密性能 5 共享频谱资源 美国 FCC 规定的超宽带系统的工作频段为 3 1 10 6GHz 这与现有的大多数通信系统 的工作频段相重叠 为了避免对其它系统的干扰 FCC 同时对超宽带信号的辐射功率提出 了十分严格的限制 EIRP 不超过 41 3dBm MHz 这样超宽带可以与其它系统共享频谱资 源 这对于频率资源日趋稀缺的今天尤其具有重要意义 6 穿透能力强 超宽带基带窄脉冲中含有较丰富的低频分量 所以具有很强的穿透地表 墙壁以及其 它物体的能力 可应用于隔墙成像或探地雷达等领域 2 国内外发展现状国内外发展现状 2 1 国外研究现状 现在有许多公司在进行 UWB 技术的研究开发工作 美国 XtremeSpectrun 公司能够提 供在各种设备之间无线传输音频 视频的 UWB 芯片组 他采用双相调制技术和 IEEE 802 15 3 MAC 协议 传输速率达到 100 Mb s Intel 在 2000 年成立了 UWB 研究实验室 其实 验室产品在 2 3 年内能达到 100 Mb s 的数据速率 Intel 认为 UWB 在短距离内可以达到 400 500 Mb s 因此 Intel 称 UWB 为无线 USB Time Domain 公司利用 UWB PPM 技术 开发了两代 PulsON 芯片 第三代 PulsON 商用产 品也即将问世 2003 年 1 月 Philips 和 GA 签订了一个备忘录 利用 Philips 在 BiCOMS 的优势和 GA 的 5 UWB 技术联合开发速率达 480 Mb s 的 UWB 芯片组 并支持 IEEE 802 15 3a 标准 Pulse Link 公司在 2003 年第一季度推出了传输速率达 400 Mb s 的 UWB 芯片组 新加坡的 Cellonics 公司开发了基于非线性动态理论的新技术 他只需要使用一个电感器 和一个二极管就可以实现数字调制解调器 不需要混频器 振荡器和锁相环 该技术可以改 善 UWB 接收器设计中的相关接收 而且简单 成本低 功耗也低 美国 Discrete Time 公司开发了多频段 UWB 技术 他采用不同频段发送信息而不是发射 单个脉冲 与单频段 UWB 相比 多频段 UWB 系统的每频段内可以用较低的速率发送信息 这降低了 UWB 的成本 具有较好的自适应性 可以与 802 11a 共存 目前有不少技术公司都对 UWB 技术加大了开发力度 但由于之前 UWB 技术民用化的 政策还没有得到批准 许多 UWB 技术公司目前主要是通过向美国军方出售 UWB 技术来维持 生计 如 Time Domain 公司 2002 年在获得了的军方合同以后 其全年总销售收入达到了 750 万美元 比他在 2001 年所取得的 500 万美元的销售额有所增长 该公司最近已经在开始销 售他的第一批 UWB 芯片集产品 在 FCC 批准了 UWB 技术民用市场之后 在硬件方面 美国 Multispectral Solutions 公司已经达到了即将开始提供 UWB 芯片组工业样品的阶段 在操作 系统的支持方面 如果继续使用现有的软件 那么制造商的负担也许并不大 这是因为 UWB 只 不过是相当于接口最下层的物理层规格 比如 英特尔将 UWB 定位于 无线 USB2 00 实际 上 尽管还面临着如何认证与个人电脑连接的设备等无线技术所特有的问题 但是只需提供用 于控制终 端产品的设备驱动程序 基本上就可以直接沿用上层程序 与此同时 飞利浦电子与美国 通用原子公司 GeneralAtomics GA 已经开始联手进行 UWB 芯片组的开发工作了 飞利浦将 接受 GA 的包括多频带技术 关键子频带 0 在内的 UWB 相关技术 使用面向 RF 的 BiCMOS 技 术开 发 RF 芯片 GA 的关键子频带技术是将 UWB 的频带分割成 15 个子频带进行信号传输 的技术 由此我们可以看到 未来 UWB 的市场前景还是十分广阔的 UWB 必将成为今后的主 流无线互联标准呈现在我们面前 早在 1965 年 美国就确立了 UWB 的技术基础 在后来的二十年内 UWB 技术主要用 于美国的军事应用 其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关 团体 美国国 6 防部正开发几十种 UWB 系统 包括战场防窃听网络等 民用方面 由于超宽带技术的种 种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力 近几年来国外对 UWB 信号应用的研究比较 热门 主要用于通信 如家庭和个人网络 公路信息服务系统和无线音频 数据和视频分发 等 雷达 如车辆及航空器碰撞 故障避免 入侵检测和探地雷达等 以及精确定位 如资产 跟踪 人员定位等 索尼 时域 摩托罗拉 英特尔 戴姆勒 克莱斯勒等高技术公司都 已涉足 UWB 技术的开发 将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连 以满足消费 者对短距离无线通信小型化 低成本 低功率 高速数据传输等要求 国际学术界对超宽 带无线通信的研究也越来越深入 2002 年 5 月 20 23 日 IEEE 举办了一期会议 专门讨 论 UWB 技术及其应用 2002 年 2 月 14 日 美国联邦通信委员会 FCC 正式通过了将 UWB 技术应用于民用的议案 定义了三种 UWB 系统 成像系统 通信与测量系统 车载雷达 系统 并对三种系统的 EIRP 全向有效辐射功率 分别做了规定 但是 UWB 技术的协议与 标准尚未确定 只有美国允许民用 UWB 器件的使用 而欧洲正在讨论 UWB 的进一步使用 情况 并观望美国的 UWB 标准 2 2 国内研究现状 2001 年 9 月初发布的 十五 863 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 但是国内今天关于 UWB 技术的深入研究仅限于雷达方面 关于 UWB 通信系统的研究还没有形成规模 在超宽带领域 学者们已提出了众多的接收机设计方案和算法 对不同接收机的评价 主要从实现复杂度和性能测度两个方面考虑 实现复杂度可包括接收机所需的系统参数 假定知识 和计算复杂度两个方面 而性能测度最重要的指标是误码率 对于多用户检 测器 还要进一步分析渐近多用户有效性和抗远近能力等指标 对于一些自适应算法 还 需考虑收敛速度 稳健性等因素 最简单的超宽带接收机是能量检测器和匹配滤波器 能量检测器是一种非相干接收机 其通过检测接收信号能量 并将之与设定的门限相比较 从而判决出数据信息 能量检测 器结构简单 不需要本地模板信号 其误码性能与滤波器带宽 积分时长以及信道的多径 特点都有着密切的关系 匹配滤波器是一种基于相关处理的简单而最优接收机 匹配滤波 器将接收信号和发射脉冲模板进行相关运算 再对相关值进行判决 匹配滤波接收机仅在 7 加性高斯白噪声 Additive WhiteGaussion Noise AWGN 信道下才是最优检测 而在多径 信道下 能量检测器和匹配滤波器这两种接收机性能均不理想 考虑到超宽带信道的特点 为了有效收集多径能量 获得分集增益 Rake 接收机被广 泛地应用于超宽带系统中 Rake 接收机在结构上是由一组并行的相关器组成 每个相关器 Rake 接收机的支路 的模板具有不同的时延 分别对应于不同的多径分量 接收信号首 先通过相关器组的相关运算提取出各多径分量 再对多径分量进行合并处理 显然 Rake 接收机的性能依赖于多径分量的选择方式和多径信道的估计 当选择处理所有多径分量时 即为完全 Rake All Rake ARake 接收机 ARake 接收机的支路数等于多径分量数 其能 最大限度地提高信噪比 但其复杂度随支路数的增加而线性增长 对于包含多达几十甚至 上百条多径分量的超宽带信道而言 受实现复杂度的限制 ARake 很难实际应用 其通常 作为传统 Rake 接收机理论研究的性能上限 为了降低实现复杂度 可考虑仅选取全部多 径中的 L L 值小于总的多径数 条路径进行处理 若选取的是最先到达的 L 条多径分量 称之为部分 Rake Partial Rake PRake 接收机 而若选取的是最强的 L 条多径分量 则称 之为选择性 Rake Selective Rake SRake 接收机 PRake 较之 SRake 由于无需对多径 进行选择 因此复杂度较低 但其误码性能不及 SRake 常用的估计算法有最大似然方法 子空间方法 隐藏训练序列方法 自适应方法等 从实际应用角度考虑 超宽带的典型应 用场景可能是 PDA 家电产品等用户终端与室内接入点 Access Point AP 之间的通信 用户终端的接收机往往是低成本的便携设备 采用 Rake 接收技术会增加接收机的硬件复 杂度 为了解决这一问题 可以将复杂的 Rake 接收处理过程从用户终端侧移到强大的接 入点 AP 侧 即预 Rake 技术 Pre Rake Pre Rake 技术是在发射侧完成信道估计 分集合并以及均衡等信号处理过程 而在接收侧只需简单的匹配滤波接收机就可实现信号 的检测 Pre Rake 接收机的缺陷是 对于较长的信道冲激响应 接收侧可能会出现高的误 码平台 为了克服这一点 当超宽带系统中存在多个用户时 为了有效抑制 MUI 多用户 检测 Multi UserDetection MUD 也被应用于超宽带系统中 同一符号信息的多个帧采用 MMSE 合并 OMC 方案则先将不同帧的同一多径分量采用等增益合并 Equal Gain Combining EGC 得到该多径分量的合并样值 再将多径分量样值采用 MMSE 合并 而两 步 MMSE 合并方案是将不同帧和多径分量的采样值分成不同的组 对每组分别采用 MMSE 合并 这些次优方案由于是分步实现的 所以大大降低了实现复杂度 次优多用户检测方案是性能和实现复杂度之间的折衷 更接近于实际应用 因此大部 8 分研究都集中于此 考虑到所需较少先验知识等因素 一些盲 MUD 方案更被关注 其中 最重要的是盲 MMSE 检测器 其批处理实现主要包括直接矩阵求逆法 Direct Matrix Inversion DMI 和子空间法 Subspace SS 但因涉及到矩阵求逆或特征值分解 Eigenvalue Decomposition ED 等问题 这两种方法计算量均很大 且不能满足实时性要 求 另外 考虑到无线信道的动态特性 盲自适应 MUD 方案便成为解决在线实现问题的 关键 与两种批处理方法对应的常用自适应算法分别是最小输出能量 Minimum Output Energy MOE 算法和紧缩近似投影子空间跟踪 Projection Approximation Subspace Tracking withDeflation PASTd 算法 然而 随着检测数据维数的增加 自适应滤波器的长度也相 应的增加 这导致了计算复杂度的增加及滤波器稳健性的下降 为了进一步减小算法复杂 度 降维自适应滤波技术也受到人们的青睐 包括 主分量法 Principal Component PC 互谱法 Cross Spectral CS 辅助向量滤波 Auxiliary Vector filtering AVF 和多级维纳滤 波器 Multi Stage Wiener Filter MSWF 等 其中 PC 法和 CS 法均需要通过特征值分解得 到降维子空间 运算量较大 相比较而言 MSWF 无需特征值分解 具有较低的计算复杂 度和接近于满秩 MMSE 接收机的性能 而 AVF 与 MSWF 因具有相同的降秩子空间 所 以 AVF 等效于 MSWF 且两者的计算复杂度接近 基于以上分析 本课题研究的主要工作是 考虑到超宽带脉冲信号的特点并结合超宽 带室内信道传输模型 设计适用于超宽带系统的接收机 设计接收机时兼顾了误码性能和 实现复杂度的要求 重点解决接收端的干扰抑制和信道估计问题 对于 TH UWB 和 DS UWB 两种系统模型 考虑多径 多用户情况 提出了盲 Rake 接收机 盲多用户检测接收 机 盲自适应恒模算法 Constant ModulusAlgorithm CMA 接收机以及盲自适应降秩接收 机等 三 超宽带技术发展趋势三 超宽带技术发展趋势 美国国防部于 1989 年首先使用了 超宽带 一词 那时 超宽带理论及技术已经发展了 近 30 年 自 1994 年以来 美国大部分超宽带技术的开发工作不再受到严格应用类别的限 制 由于商业需求日益增长 超宽带技术的开发进程得以大大加快 两方面的进展刺激了 商业需求和商业活动 1 人们意识到超宽带系统可以与其他使用高得多的频谱密度的通信 系统共存而不互相干扰 2 美国联邦通信委员会的报告及 02 48 规范 这份发表于 2002 年 2 月 14 日的报告及规范 定义了共存规则 其中定义了适用于各类超宽带设备的发射指 9 标限制 这一法律框架刺激了专用超宽带设备市场的诞生并从长远角度激发了人们对标准 化产品的强烈兴趣 超宽带的潜在应用浩如烟海 包括无线局域网 WLAN 个人区域网 PAN 近距离雷达 系统 汽车感应器 防撞系统 智能高速公路应用系统 液体水平感应装置 穿透地面雷 达系统 以及用于医疗监控或体育训练感应器的人体区域网 本文的重点放在超宽带的连 接应用系统 尤其是无线个人区域网 无线局域网 众所周知 由于美国联邦通信委员会出 于保密原因对超宽带技术做出了一些保守的限制 因而我们将重点放在了无线个人局域网 该网络范围传输距离大约 10 米 数据传输速率从 110Mbps 至 480Mbps 如此高的数据传 输速率将很容易在用户的起居室里实现数字消费类娱乐设备的多媒体连接应用 DVD 卫星 电缆机顶盒 电视监控器及环绕立体声音频处理设备 显而易见 数字相机 及 MP3 播 放机都将从与电脑的无线连接技术中受益 从而为配备了有线 USB2 0 或 IEEE 1394 技术的 设备增添额外的价值 并有可能最终使有线连接成为历史 我们还可以设想多房间应用场 景 尽管这将对现有的信号处理技术提出严峻的挑战 因为要求保持低发射功率的限制 将使信号在 3 10GHz 的频率范围内穿透墙面变得非常困难 尽管处于对未来无法预测的时 期 随着越来越多的消费者将超宽带技术接纳为家用多媒体连接产品 标准化进程被看作 是实现广泛市场潜力的重要举措 能够与自身或相邻的非协调超宽带微微网络共存也非常 重要 尽管需要解决的问题仍然很多 包括飞利浦公司在内的众多业界专家 都在潜心致 力于寻找合适的方法整合现有标准 以合理的价格为最终用户带来标准化的产品 四 总结四 总结 4 1 全文总结 基于超宽带技术的无线个人区域网在多媒体设备互连 家庭和个人网络方面极大地提 高了系统性能 这意味着 UWB 将会在无线通信领域的主导技术之一 超宽带是无线通信 领域涌现出的极具发展潜力的技术 它采用低占空比因子 小于 0 5 的极窄脉冲 纳秒 量级 发射和接收信息 相应地 其具有很宽的带宽 吉赫兹量级 可提供高速的数据 传输 而极低的辐射限制 不超过 41 3dBm MHz 又使得超宽带系统可与已有的无线系统 共存 为稀缺的频谱资源利用问题开辟了新的解决途径 与其它无线通信技术相比 超宽 带技术具有一些独特优势 如高速率 大容量 低功耗 低成本 多径分辨率高 精确定 位等 在军事和民用领域都有着广泛的应用前景 因此也激起了人们对其研究的极大兴趣 10 本文对超宽带系统的接收检测技术做了较深入的研究 主要的研究内容和成果如下 1 超宽带通信系统的设计 测试以及物理层技术的评估都依赖于对信道的研究 随着 超宽带应用领域的不断扩展 超宽带信道模型的研究也不断深入 已有的超宽带信道模型 包括 室内信道模型 室外信道模型 实验室环境信道模型 交通工具内信道模型等 本 文对煤矿井下超宽带信道模型进一步研究 采用自回归 AR 方法对多径信道进行了建模 并对信道特征参数进行了仿真和分析 为超宽带技术应用于煤矿井下提供了参考 2 针对传统 Rake 接收机不能消除多用户干扰的缺陷 本文提出了一种适用于多用户 环境下盲 Rake 接收机 该接收机首先利用跳时码的良好相关性设计滤波器 消除部分多 用户干扰和码间干扰 再对滤波器的输出数据采用紧缩近似投影子空间跟踪方法进行信道 估计并实现最大比合并 进一步提高输出信干噪比 仿真结果证实 该接收机的误码性能 优于传统的相关接收机和 Rake 接收机 且其所需先验知识较少 计算复杂度较低 3 针对超宽带系统中的码间干扰和多用户干扰问题 本文将线性预测方法应用于 DS UWB 系统中实现盲多用户检测 该算法首先通过对接收数据进行线性变换和线性预测来 抑制多用户干扰 再对线性预测误差采用子空间跟踪算法进行信道估计 消除码间干扰 仿真结果表明 在超宽带信道模型下 与传统的接收机相比较 其具有较低的误码率和较 好的抗远近效应能力 4 在多径及多用户环境下 本文提出了一种盲自适应多用户检测方案 用来解决高速 TH UWB 系统中的多用户干扰和码间干扰问题 该方案首先采用约束 RLS CMA 算法消除多 用户干扰和码间干扰 接着在信道估计的基础上采用最大比合并进一步提高系统性能 仿 真结果表明 提出的接收机在 UWB 四种类型信道下能快速收敛 且误码性能较好 5 在解决 DS UWB 系统中多用户干扰和码间干扰问题的同时 为了降低复杂度 本 文提出了一种降秩盲自适应接收机 该接收机首先将 MOE 算法和 MSWF 方法相结合 实 现盲自适应解相关 抑制多用户干扰并提取期望信号各多径分量 再进一步采用 PASTd 算法估计信道并进行最大比合并 提高输出信干噪比 仿真结果表明 其误码性能优于传 统 Rake 接收机及解相关 Rake 接收机 且收敛速度较快 复杂度较低 4 2 后续研究工作展望 超宽带无线通信技术的研究正方兴未艾 但其理论研究和实际应用仍面临诸多挑战 11 一些关键技术还有待突破 本文对超宽带接收检测技术的研究只是其中的一小部分工作 后续的研究拟在以下几个方面进一步探索 1 超宽带预处理技术 在超宽带的典型室内应用场景中 往往可能是 TV PDA 家电产品等用户终端与室内 接入点 Access Point AP 之间的通信 对于用户终端而言 人们希望通过减小其接收机 的硬件复杂度来降低其成本 而对于 AP 而言 由于在一个房间内可能仅需一个 因此设 备的复杂度不是主要障碍 基于此 有必要将用户终端侧的复杂接收处理过程 如信道均 衡 多径能量合并 多用户干扰抑制等移到 AP 侧 即将预处理技术应用于超宽带系统中 包括预 Rake Pre Rake 和预均衡 Pre equalization 技术等 预处理技术在 CDMA 系统 中已经被提出 采用预处理技术需要考虑的主要问题之一是 发射机如何获取信道状态信 息 对于时分双工 TDD 的 CDMA 系统而言 考虑到上 下行链路的对称性 发射机可 根据接收到的信号估计信道 但对于大部分频分双工 FDD 的 CDMA 系统 往往采用接 收机到发射机之间的反馈方式获取信道状态信息 这对于时变信道而言 额外地浪费了频 谱资源 而在超宽带系统中 发射机和接收机分享相同的频谱资源 AP 可以通过上行链 路的信号估计下行信道状态信息 因此预处理技术可以很好地应用于超宽带系统中 例如 采用 Pre Rake 既可以实现 Rake 功能 同时用户终端的接收机又可简化为一个基本的匹 配滤波接收机 很大程度上降低了其实现复杂度 而采用 Pre equalization 则可以在发射端 完成消除码间干扰和多用户干扰的信号处理过程 2 超宽带 MIMO 技术 超宽带技术的带宽优势使其具有高速数据传输的潜力 但各国对超宽带信号严格的辐 射功率限制却成为了其达到理论传输速率的制约因素 将 UWB 与 MIMO 相结合而形成的 UWB MIMO 技术为解决功率限制这一瓶颈问题提供了新的思路 UWB MIMO 技术的研究 包括 信道测量和建模 信道容量 空时编码 UWB MIMO91 中继等技术 3 认知超宽带技术 认知无线电 Cognitive Radio CR 技术是解决频谱资源紧张以及固定频谱分配策略所 导致的频谱利用率低等问题的有效途径 其基本思想是 自主地感知无线环境 搜索频谱 空洞 伺机占用此临时可用的频段 并能实时 动态地调整无线参数以避免对主要用户产 12 生干扰 CR 和 UWB 技术的共性都是为了共享频谱资源 但在实现方式上各有特点 CR 采用的是伺机占用频谱方法 通过动态改变一些操作参数 利用临时空闲频谱进行有效通 信 而 UWB 采用的是重叠式频谱占用方法 它通过严格的辐射功率限制 实现与现有的 大多数无线通信系统共存 结合 CR 和 UWB 技术各自的优点 便可构建认知超宽带 Cognitive UWB CUWB 系统 CUWB 可依据 CR 技术的感知结果 智能地管理频谱 动 态优化超宽带系统的频谱资源 调整超宽带发射脉冲波形 并且可以改变其发射参数 打 破超宽带发射功率限制的瓶颈 从而在不增加对现有系统干扰的前提下提高传输效率 参考文献参考文献 1 Zhuo Z Mendoza D S Wang P et al A low power and flexible energy detection IR UWB receiver for RFID and wireless sensor networks IEEE Trans on Circuits and System