Adhoc网络物理层-

Adhoc网络物理层——超宽带技术Adhoc网络多跳共享广播信道带来的直接影响就是存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题。这些问题的存在使得传统的无线资源管理与空中接口不再适用于adhoc网络中。人们也正在根据移动adhoc的新特性致力于将其与现有通信技术融合，充分采用已有的通信理论和方法为其服务。下面我们将介绍adhoc网络物理层所涉及的关键技术和新技术。超宽带(UWB)调制技术采用上升和下降时间都非常快的基带脉冲成形，这样脉冲占用的带宽高达几GHz，因此最大数据传输速率可达几百Mbit／s。这样避免了传统的窄带调制技术所需的上变频过程。另外由于发射机的脉冲成形不经过上变频直接用于天线，UWB技术可以利用低成本的宽带发射设备。UWB应用于adhoc网络能更好的发挥其特殊优势。UWB能支持很高的数据速率，UWB可以通过对一些参数进行调整实现对数据速率的重新配置，以更好的满足数据流的需求；由于不需要复杂的同步设备和采用了极其简单的接收结构，UWB无线没备比采用传统技术的终端设备轻便；由于UWB技术具有距离、速度和功率的互换性，采用UWB的adhoc网的路由选择要综合考虑发射功率、跳数和传输速率因素，使整个网络的无线资源利用率以及网络吞吐量达到最优。一、UWB技术背景对超宽带（UWB，ULTRA-Wideband）无线技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲击响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h（t）——冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对与频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x（t），其输出信号y（t）可以唯一地由输入信号与冲击激励的卷积来确定。然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后才为这样的冲击激励提供了近似方法、观测和测量方法。从此超宽带技术有了快速的发展。1960年代，美国军方开始对UWB技术秘密研究，主要用于军事上的雷达和低截获率/低侦测率通信系统以及穿地雷达、穿墙成像等应用范围之内。1989年美国国防部(DARPA)首次提出了“超宽带”的概念，并进行了定义，即一20dB相对带宽大于25%或绝对带宽大于1.5GMHz。1993年，美国南加州大学通信科学研究所的R.A.Scholtz在国际军事通信会议(MILCOM‘93)发表论文，论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。近年来，随着微电子器件技术和工艺的提高以及信号处理技术的发展，UWB技术开始应用于民用领域，并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮，被认为是下一代无线通信的革命性技术。为了促进并规范UWB技术的发展，美国联邦通信委员会(FCC)于1998年发起了制定UWB发射功率限制标准的活动，经过激烈的讨论，在2002年2月14日发布了UWB无线设备的功率限制规范，并重新对UWB进行了定义。按照FCC的定义，UWB系统的相对带宽大于20%或绝对带宽大于等于500MHz。这里相对带宽的定义为:辐射带宽与其中心频率之比大于20%。式中:和分别为系统的高端和低端频点(按-10dB计算，也就是功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率)。如下图所示：从FCC的定义可以看出，现在的UWB已不仅仅局限于最初的脉冲通信了，而是包括了任何使用超宽频谱(带宽大500MHz或相对带宽大于20%)的通信形式。另外，FCC还规定了UWB室内通信、室外手持设备、穿墙成像、医疗成像等多种应用条件下使用频谱的限制。FCC规定室内UWB通信的实际使用频谱范围为3.1-10.6GHz，并在这一范围内，有效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,EIRP).不超过-41.3dBm/MHz。FCC对超宽带系统频带限制的放开，在UWB的发展史上具有着里程碑意义，是超宽带走向商业化的重要标志，超宽带技术将会带来一个无线通信的新时代。正如TimeDomain公司总裁RalphPetroff所说，“目前超宽带通信技术还不为众人所知，但此项技术将会对以后的社会和经济带来重大影响”。“它现在的位置就像Internet在1993到1994年的时期一样”。二、什么是UWB?UWB的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看，信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。HfLff-10dBcf（Hz）UWB窄带图1超宽带信号与窄带信号的比较LHLHcfffff)(2%20HfLfUWB技术主要是采用无载波方式实现，而传统的“窄带”或“宽带”系统均采用单频载波或多频载波对信号进行调制，即将信号的基带频谱搬移到所工作的载波频谱上。简言之，UWB直接用脉冲对信号进行调制，调制脉冲的形状非常陡峭，其波形所占用的频谱宽达数GHz。在时域上，脉冲的持续时间决定了信号在频域内所占据的带宽。脉冲越窄，频谱越宽。人们知道，在无线信道上，实时传输多媒体信息需要极大的带宽。如何提高传输系统的容量是人们特别关注的问题之一。香农的信息理论提供了寻找容量的理论基础。香农容量极限公式：式中：C=信道容量（bit/s）;BW=信道带宽；SNR=P/BWN,信噪比；P=所接受的信号功率；N=噪声功率谱密度（W/Hz）。从上式可以看出，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。显然，UWB技术可以在极低的发射功率下传输非常高的数据速率。三、UWB信号的编码与调制UWB采用跳时编码（TH-UWB)和直接序列编码（DS-UWB)。如下图所示为跳时编码示意图。这里假设一个数据帧（）有8个跳时位（）该图的数据脉冲位于第四跳。理论上说脉冲所在的未知应该是随机的或伪随机的。这样数据信号在频谱上的表现就体现出噪声化特征。此外，与传统的基于载波的CDMA系统类似，UWB还可以通过伪随机序列（PN序列）进行扩展。有关信道化和调制过程就如同CDMA一样。码片速率为UWB中心频率的一部分(1/N),改变码片速率就可以平衡总的功耗。四、UWB常用的调制技术通过改变脉冲的特性就可以产生符合能量与频谱要求的波形。这其中影响波形特性的因素有3个：fT76543210cT图2UWB跳时编码)1(log2SNRBWCfTcT8（1）发射能量的带宽；（2）在规定频谱内发射能量的大小；（3）定义能量在频谱中的中心位置。理论上，UWB可以按下列技术调制：（1）脉冲幅值调制（PAM）；（2）相位调制（BPSK等）；（3）通断键控（OOK）;（4）脉冲位置调制（PPM）（包括二进制和多进制）；（5）正交脉冲调制；（6）以上各种组合。实际上，UWB较多地采用脉冲位置调制（PPM）。五、UWB多带技术2003年1月英特尔公司特出了一种更加灵活的频谱利用方案——多带调制方案。该方案的基本思想是把7.5GHz的频带分裂成多个更小的频带。为了有效利用整个频谱，多个频段必须在多个频率中心出产生。如下图3所示为多带脉冲成形的示意图。图3多频带调制中的8个频带多带UWB调制有很多优点，其中之一就是可有效地使用FCC所规定的整个频谱；另一个突出的优点就是可以独立对待单个子频带，这样就增加了UWB系统的灵活性。在UWB设备与其他设备共存时，多带调制方案可以有效地减少UWB设备对其他窄带设备的干扰。例如，WLAN的工作频谱是5GHz，那么可以通过识别干扰子载波（如下图4所示的第5个子载波）降低其辐射功率或完全将其关闭来减少干扰，某一区段的频谱能量就得到了有效的抑制。图4多带调制中的8个频带，其中第5频带或5GHz未占用六、UWB收发器UWB技术中另一项重要的研究内容就是UWB收发器。这是UWB技术能否成功应用的关键。UWB收发器结构图5UWB发送器的一般结构七、UWB多址技术调制器PA脉冲发生器数据输入脉幅或位置调制PRFLNARF滤波器×LPF采样器/检测器脉冲发生器解调器图6UWB接收器的一般结构数据输出多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信，这一点必须做到，并且必须保证不导致系统性能的降低。在超宽带通信系统中，常见的多址接入方式有跳时扩频（TH-SS）和直接序列扩频（DS-SS）两种。相比较而言，TH-SS的优势在于它对远近效应的敏感程度没有DS-SS高，因为只有当不同用户的信号脉冲正好在位置上出现重叠时，远近效应才会体现出来，从而降低了对功率控制的要求。这也许是早期的UWB系统在信号占空比很低的条件下选用TH-SS的重要原因。不过，随着对传输速率的要求越来越高，信号占空比势必要大大增加，TH-SS的优势已不明显。因此DS-SS方案现在重新受到研究人员的重视。除此之外，为了进一步改善多址系统的性能，提高系统容量，人们对其他一些多址接入方式也展开了研究，如伪混沌跳时超宽带系统（PCTH-UWB）、多载波超宽带系统。