超宽带（UWB）无线通信系统干扰问题综述

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一、超宽带（UWB）无线通信概述1.1 超宽带（UWB）无线通信定义??? 超宽带（UWB ：Ultra Wide-Band）技术是通过发送纳秒级脉冲来传输数据的一种无线通信技术。美国联邦通信委员会（FCC）对UWB通信系统定义如下：相对带宽Br大于25%或带宽大于500 MHz的无线通信系统为超宽带（UWB）无线通信系统。Br定义为-10 dB带宽除以中心频率：http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif这一定义还可能会修改http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.gif。此外FCC对民用UWB无线通信系统还作了一下规范：1)??????? EIRP < -41.25 dBm/MHz，EIRP指的是等效各向同性发射功率。2)??????? 基本通信频带0 – 960 MHz 和3.1 – 10.6 GHz。我国尚未对UWB制定相关规范。1.2 UWB通信的实现方式UWB通信是实现方式有：1)??????? 基带窄脉冲形式；2)??????? 带通调制载波形式；3)??????? 其他方式（如SAA、数字调频等）。基带窄脉冲形式采用纳秒、亚纳秒级的时域窄脉冲序列通信。脉冲波形可以是高斯、升余弦等多种波形余弦等多种波形，通过PPM、、脉冲极性调制、脉冲极性调制、PAM等方式携带信息，采用跳时（TH）、DS-CDMA多址方案。基带窄脉冲形式的优点是设备简单，功耗小，穿透力、多径分辨率强。缺点是传输效率不高，频谱利用率较低。带通调制载波形式包括MB -OFDM方案和DS-UWB方案两种，前者采用? 1、FCC最初定义UWB为相对带宽大于25%，或带宽大于1.5GHz的无线通信系统。

OFDM划分子频带（528MHz）方式,有3频带和7频带两种划分子频带方式，经过时频交织、映射调制到射频发送。采用MB –OFDM方案能有效收集多径信号，频率利用率高、分配灵活等特点。缺点是设备复杂。采用OFDM方案，因此对频偏敏感也是此种UWB通信系统的缺点之一。DS-UWB方案将可用频谱分为高、低两个频段，信号调制在两个频段之一传输，两个频段也可同时或合并使用，两个频段之间为U-NII频段，为避免干扰，没有使用。这种UWB通信系统的优点是频谱利用率高，传输速率快，缺点是需要设置保护频带，浪费了频率资源。其他方式（如SAA、数字调频等）在实际应用中并不多见，还有很多技术问题需要研究这里不多赘述。1.3 UWB通信系统特点1）UWB通信可在非常宽的带宽上传输信号。因为带宽很宽，UWB的最大数据传输速率可达几十Mbps到几Gbps。2）极低的截获率。短脉冲产生很宽的频谱，造成功率谱密度很低，UWB信号不易被截获，非常适于保密通信。3）因为UWB信号带宽很宽，为防止它对其它电子设备造成干扰，要求用UWB技术传输信号时，信号输出功率必须非常小。4）UWB系统的耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百ｕＷ到几十ｍＷ。而现有电台的耗电量通常为几百ｍＷ到几Ｗ，可见，UWB系统的耗电量仅为现有电台的1/10~1/100，有利于系统长时间工作。5）UWB与现有的无线技术不同，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据，不使用载波电路，因此，UWB系统不需要复杂的调制/解调电路和滤波器等，与现有无线通信相比，收/发电路的成本将会更低。6）系统可以几乎全数字化，非常适于芯片集成化。7）UWB系统的功率谱密度很低，一般淹没在噪声中，所以，它非常适合保密通信，又由于UWB信号的脉冲持续时间很短，可以认为接受的信号与干扰脉冲是不相关的，因此，经相关处理后，它们的影响可以忽略不计。在室内环境下，若采用Rake接收机，可以将系统的性能提高3~10dB。1.4 UWB通信系统研究现状UWB通信系统以其自身的优点成为当代通信发展的一大热点，但是包括信道模型和信号传播特性、UWB信号处理理论等在内的很多难题还没有彻底解决，由于纳秒级时域脉冲转换到频域上是量级为G Hz的带宽。在采用UWB通信技术时就不可避免地对现有窄带通信系统（如WLAN、蓝牙等）产生干扰。这也成为限制UWB通信系统进一步广泛应用的最主要原因之一。对UWB通信系统采取严格的功率控制及智能天线技术以对抗干扰是必需的。鉴于应用范围及技术特点的共性，本文主要综述UWB通信系统与WLAN及蓝牙通信系统的干扰问题的研究现状及发展趋势。二、UWB通信系统与WLAN的干扰问题研究2.1 IEEE802.11a WLANs 介绍无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)是采用无线通信技术代替传统电缆，提供传统有线局域网功能的网络。主要标准有IEEE802.11、IEEE802.11 b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、HiperLAN系列。其中由于IEEE802.11a抗干扰能力强，能满足多媒体通信对无线局域网更高传输速率的要求，所以现在WLAN应用中的主流技术是IEEE802.11a标准。IEEE802.l1a的工作频段为U-NII 5GHz，使用300MHz的带宽，FCC将300 MHz的带宽划分成3个100 MHz的区域，每个区域规定了最大输出功率。5GHz频段的划分和功率分配见表2.1。表2.1

频段(GHz)	最大输出功率(mW/MHz)
5.15~5.25	25
5.25~5.35	12.5
5.725~5.825	50

上表中的数据为在美国区域的指标。其中，最高频段(5.725~5.825 )因为输出功率高，适于在建筑物之间传输信号，而较低的两个频段则适于在建筑物内传输数据。IEEE802.lla标准采用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术。OFDM技术在无线媒质传输中具有很大的优势http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.gif。标准在较低的两个频段(5.15~5.25GHz， 5.25~5.35GHz)定义了8个不重叠的信道，每个信道带宽20MHz。在高的频段(5.725~5.825GHz )定义了4个不重叠的信道，每个信道带宽20MHz，每个信道分成52个子载波，每个子载波带宽约为300KHz。每个子载波是并行传输的，因此在可以一次传输的数据量比单载波系统传送的大得多。信道的划分如图2.2和图2.3所示:http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image008.gif图2.2 IEEE802.11a OFDM的信道划分

http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image010.gif

图2.3 IEEE802.11a OFDM信道、子载波示意图2.2 UWB与IEEE802.11a干扰现状?????? IEEE 802.1la占用的频带刚好在FCC规定的UWB频带内，UWB的功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。即使如此，该功率与802.1 la设备的功率也是可比拟的。从文献[5]可以看出，UWB系统对来自占用同一频段的干扰非常敏感，WLAN和UWB设备的数目和位置等都会对彼此系统的性能产生影响。?????? 文献[6]通过实验室实际测量已经给出了UWB与IEEE802.11a干扰的定量分析：(1)UWB信号对工作在LOS环境下的802.11a系统的性能影响不大，802.11a系统可以维持正常的通信；对工作在NLOS环境下的802.1la系统的性能有很大影响。(2)802.11a系统干扰在LOS、NLOS两种环境中都比较严重地影响了UWB接收机的性能。

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由图可以看出，一般两系统相距5m以上，彼此之间的干扰才能不会影响系统的正常工作。?????? 当然，不同的参数、设备、场景以及实验条件都会对实验结果造成显著差别。在文献[7]中，采用两个WDL-7200AP的802.11a节点，PulsON 200http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image014.gifUWB信号发生器和先进的电磁屏蔽设备，做出的实验结果如下：http:///file:///C:/DOCUME~1/ZM/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image016.gif?????? 从图中WLAN吞吐量的角度可以看出，当两系统相距0.5m以上时，UWB对802.11a的干扰就完全可以忽略了。2.3 消除UWB与IEEE802.11a干扰方案?????? 近年来人们从时域、频域、功率、空间和编码等方面来试图解决UWB与其它系统的相互干扰问题。具体而言，可以通过优化脉冲波形设计，功率控制，编码与自适应信号处理，时分复用等方式来考虑UWB与其它系统的共存。2.3.1 脉冲波形设计简单的采用高斯脉冲、Rayleigh脉冲等以及它们的高次阶脉冲，其能量主要集中在某段频谱上，不能充分挖掘UWB的潜力。新的脉冲波形设计既要符合FCC的功率限制并尽可能逼进FCC规定的功率最大限，而且关键是考虑与802.11a的共存问题。文献[8]思路与软频谱自适应(SSA)设计方案接近，即在时域上设计一组脉冲波形，每个脉冲波形能高效率地匹配上目标功率谱形状的一部分，再通过组合脉冲合成不同的功率谱形状，即使将来FCC更改了谱形，也很容易修改设计，同时也提供了动态回避窄带干扰的可能。2.3.2 平滑PSDUWB信号的带宽是由单脉冲的波形和宽度决定的，然而在连续发射信号时，如前所述UWB信号反映在频域上有很强的离散谱，当PRF很高，并且没有采用抖动技术的时候，会对窄带接收机产生严重干扰。通过扩频技术可以适当的解决尖锐离散谱问题。文献[9]通过设计让PRF在一定范围内“随机”变化，有助于随机化离散谱，从而减轻了对其它系统的干扰。2.3.3 RAKE接收技术改进算法传统的RAKE接收机可以进行有效的多径合并，但是对于窄带干扰的抑制作用很弱，很多人在接收端借鉴先进的自适应滤波器等信号处理的思路来达到窄带干扰抑制(以及多址干扰抑制)的效果。文献[l0]通过在接收机检测干扰频率频段和干扰大小，采用自适应调整匹配脉冲波形的方法(自适应改进型接收模版波形，AMRTW)来解决窄带系统对超宽带的干扰问题。而文献[l1]则通过改进后的MMSE-RAKE接收机，调整抽头数目和改变权重来抑制窄带干扰。2.3.4 窄带干扰抑制算法在宽带通信发展的过程中。人们一直在考虑窄带干扰抑制问题。由于UWB不是以奈奎斯特速率采样，所以一般情况下采用数字带阻滤波器不太现实。文献[12]中结合了Parr脉冲成形设计方案和自适应频谱估计技术，能有效地抑制窄带系统在移动环境中对UWB的干扰。减小UWB与IEEE802.11a相互之间干扰的方法主要由上面的四种,其中研究的热点主要是脉冲成形设计。尽管这种方案最终实现的复杂度很高，但因为效果较好，理论成熟，仍是近段时期主要的研究方向。同时随着自适应估计技术的成熟，相信能够降低UWB与IEEE802.11a之间的干扰到可接受的范围。三、UWB通信系统与蓝牙的干扰问题研究四、结论综上所述，UWB通信系统在如此之宽的带宽下工作就决定了它不能独享频率资源而只能是与其他无线通信系统共享频率资源，因此研究UWB通信系统与其他通信系统的干扰问题十分必要。当然UWB通信系统还有很多问题有待解决，一些新兴的抗干扰技术如脉冲成型，RACK接收等也正不断地应用于UWB通信系统。作为一门新兴的学科，UWB通信技术还有许多开创性的工作需要我们来完成。五、参考文献[1]? Ananthram Swami, Brian Sadler, Joi TurnerU.S. Army Research Laboratory, Adelphi, MD “On the coexistence of ultra-wideband and narrowband radio systems”2000[2]? Kuan Loong Yong, Member, IEEE, Bee Eng Toh, Member, IEEE, Fook Ngian Lai, and Geok Leng Tan, Member, IEE “Coexistence Study on Ultra-Wideband and Mobile Cellular Systems” 2005[3]? 岳光荣，葛利嘉“超宽待无线电综述”，解放军理工大学学报,2002[4] Z. Wang and G.B. Giannakis, “Wireless Multicarrier Communications:Where Fourier Meets Shannon”, IEEE Signal Processing Magazine, vol.17, no. 3, pp. 29-48, May 2000. [5] Bellorado J．，Ghassemzade S.S., et al，“Coexistence of Ultra-Wideband Systems with IEEE802.1la Wireless LANs”, GLOBE-COM, 2003, Vol.1, pp. 410-414.[6] 赵同明，张春业，“UWB和802.11a WLAN的兼容性分析”，电子技术应用，2006.6，pp. 124-126.[7] I. Haroun, S. Palaninathan, W. Lauber, “Experimental Study of Radiated and Conducted UWB Interference and its Impact on the Throughput of 5-GHz WLAN Receivers”, Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Technology, pp. 103-106.[8] Pengfei He,Yinghua Lu, Hongxin Zhang, Jiangang Lu,“A Pulse Shaping Method for UWB Avoiding the Frequency Coexistence Interference with WLAN”，Mobile Technology, Applications and Systems, 2005 2nd International Conference on15-17 Nov. 2005. Page(s):4.[9] Jiang Tao, Wang Xuehuan, CUI Zhengang,“Analysis on Interference of DS-UWB Signal to Narrowband Systems”, 17th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2006. pp. 289-272.[10] Lei Jiang, Yongsheng Wang, et al，“A novel approach to interference mitigation for UWB pulse radio”, WCNM，2005，pp. 337-340.[11] Ye (Geoffrey) Li, Andreas F. Molisch, and Jinyun Zhang, “Practical Approaches to Channel Estimation and Interference Suppression for OFDM-Based UWB Communications”, IEEE Transactions On Wireless Communications, Vol. 5, NO. 9, September 2006, pp. 2317-2320.[12] Lei Jiang. Jianxin Guo, Ren Cheng, Yongsheng Wang, “A New Method for Interference Mitigation with Coexisting Spectrum Users for UWB Pulse Radio”, ICWMMN2006 Proceedings.

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好贴子 但是没贴好