超寬帶無線通信系統關鍵技術及應用

摘 要:超寬帶技術是目前正被廣泛研究的一種新興無線通信技術。本文重點介紹了超寬帶無線通信系統中物理層及上層的關鍵技術，并詳細描述了超寬帶技術在軍事應用、智能交通以及智能家居領域中的應用前景。

關鍵詞:超寬帶信道建模定時同步Rake接收信道估計

中圖分類號:TN92文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0014-01

1 引言

近年來，超寬帶(Ultra-wideband，UWB)技術開始用于民用高速、定位和近距離無線通信等領域，并取得了較快發展。UWB技術具有許多優點:傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低。然而，UWB系統中許多基本問題尚未解決。物理層關鍵技術的研究引起了國內外學者的極大興趣。UWB信道嚴重的頻率選擇性衰落特征和系統的低輻射功率限制對接收機設計提出嚴峻的挑戰。為優化接收機設計，必須對定時同步、信道估計、接收機結構等若干關鍵技術進行深入研究。

2超寬帶無線通信系統關鍵技術

2.1 信道建模

為進行正確的系統設計，理解并量化多徑傳播的影響，建立可靠的、可以捕捉到信道特性的模型是重要的，它是UWB通信系統設計和研究的基礎。IEEE工作組的目標就是選擇正確的模型用于描述UWB傳播信道，以對傳輸方案性能進行評估。其中，IEEE 802.15.3a工作組主要考慮短程高速無線個域網通信環境，而無線傳感網低廉低功耗網絡應用技術標準則由IEEE802.15.4a工作組負責。與穩定可觀測的有線信道不同，無線信道隨機且不易分析，該模型的獲取一直是無線系統設計中比較棘手的問題。目前，關于UWB信道的測量方法已有很多[1]:直接UWB脈沖探測法;掃頻測量法;射線跟蹤法等。

2.2 定時同步

定時同步是通信系統中至關重要的問題。在UWB系統中，由于信號持續時間非常短，且信號功率很低，使同步捕獲和跟蹤變得相當困難。UWB信道的密集多徑特征進一步增加了定時同步的復雜性。目前提出的UWB系統定時同步方法可以分為數據輔助定時同步和盲定時同步[2]。

2.3 Rake接收機

克服多徑影響的方法之一就是利用Rake接收機，也即匹配每一條路徑進行時間分集，把輸出的結果按某種準則合并，形成一個充分統計量進行判決，這樣可以極大地減弱多徑的影響。目前的Rake接收機中合并準則大致可分為:最大合并比(MRC)、選擇性分集合并(SDC)和等增益合并(EGC)[2]。其中，MRC Rake接收機在高斯白噪聲下是最優的，然而一旦出現符號間干擾或者窄帶干擾，它的性能會下降。另外，Rake接收機按照合并多徑的選擇方式還可分為全合并Rake接收機、部分Rake接收機和選擇性Rake接收機。Rake接收機工作效果的好壞完全依賴于信道估計技術，因此，多徑信道的估計問題就尤為重要，它的質量直接影響著接收機性能。

2.4 信道估計

現代無線通信系統中，信道估計是一項較為成熟的技術。但對于UWB系統，信道估計技術的研究仍處于起步階段。為保證系統傳輸可靠性和功率效率，UWB系統一般采用相干檢測。由于人們往往易于處理僅有幾條多徑的信道估計情況，所以對含有幾百條多徑的UWB信道的估計并不易下手[3]。因此，信道估計技術是UWB接收機中的關鍵技術之一。

2.5 其它關鍵技術

隨著用戶對UWB通信要求的進一步提高，如何有效地組織UWB通信網絡也日趨重要。然而，對于UWB網絡協議體系結構的研究尚不成熟。其中需要解決的問題有:媒體接入控制(MAC)優化設計、鏈路層研究以及跨層設計等等。UWB物理層獨有的特點給設計有效的MAC層提供了挑戰也提供了機遇。鏈路層的基本操作需要考慮的是IR細節和Ad hoc網絡的特殊特征。由于未來無線網絡協議將毫無疑問地通過跨層設計利用UWB技術，所以理解UWB物理層技術和更高層協議之間相互作用的影響是至關重要的。

3超寬帶無線通信應用

在軍事應用領域，由于UWB信號頻譜極寬、功率譜密度低，因此隱蔽性強。又由于發射信號的低占空比特性，使得接收機僅在有信號的時間段工作，因此非常節能。所以，利用UWB技術可以實現雷達、定位和通信三種功能相結合的產品，便于戰場上單兵裝備移動化和小型化。

在智能交通領域，UWB系統的無線通信和優越的定位功能使得該技術方便地應用于智能交通系統，為汽車防撞系統、路況探測、智能收費系統、測速和監視系統等提供高性能、低成本的解決方案。

在智能家居領域，UWB無線通信可在小范圍內進行無線高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設備以高速無線進行連接。各種數字多媒體設備，根據需要在小范圍內組成自組織式的網絡，相互傳送多媒體數據，并可通過安裝在家中的寬帶網關，接入Internet構成一個智能家居環境。

4結語

本文研究了UWB無線通信的關鍵技術及其應用前景。可以看出，UWB技術在邁向實用化的進程中仍有許多理論和工程方面的問題尚未解決，因此在各個層面都有很大的研究和發展空間。隨著許多相關問題的解決，UWB無線通信最終將進入人類生活的多個領域。UWB技術的發展和廣泛應用，必將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響和巨大的推動。

參考文獻

[1] A. F. Molisch， J. R. Foerster， and M.Pendergrass. Channel models for ultra-wideband personal area networks. IEEE Wireless Communications， Dec. 2003，10(6)，pp.14-21.

[2] 王德強，李長青，樂光新.超寬帶無線通信技術2.中興通信技術，2005，11(5)，pp.54-58.

[3] Y. Wang and X. D. Dong. Frequency domain channel estimation for SC-FDE in UWB communications. IEEE Transactions on Communications， Dec.， 2006，54(12)，pp.2155-2163.