Adhoc網(wǎng)絡(luò)物理層-

1、 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)物理層 超寬帶技術(shù) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多跳共享廣播信道帶來的直接影響就是存在隱藏終端、暴露終端和入侵終端等問題。這些問題的存在使得傳統(tǒng)的無線資源管理與空中接口不再適用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)中。人們也正在根據(jù)移動(dòng)ad hoc的新特性致力于將其與現(xiàn)有通信技術(shù)融合，充分采用已有的通信理論和方法為其服務(wù)。下面我們將介紹ad hoc網(wǎng)絡(luò)物理層所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和新技術(shù)。 超寬帶(UWB)調(diào)制技術(shù)采用上升和下降時(shí)間都非?？斓幕鶐}沖成形，這樣脈沖占用的帶寬高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bits。這樣避免了傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)所需的上變頻過程。另外由于發(fā)射機(jī)的脈沖成形不經(jīng)過上變頻直接用

2、于天線，UWB技術(shù)可以利用低成本的寬帶發(fā)射設(shè)備。 UWB應(yīng)用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)能更好的發(fā)揮其特殊優(yōu)勢。UWB能支持很高的數(shù)據(jù)速率，UWB可以通過對一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)速率的重新配置，以更好的滿足數(shù)據(jù)流的需求；由于不需要復(fù)雜的同步設(shè)備和采用了極其簡單的接收結(jié)構(gòu)，UWB無線沒備比采用傳統(tǒng)技術(shù)的終端設(shè)備輕便；由于UWB技術(shù)具有距離、速度和功率的互換性，采用UWB的ad hoc網(wǎng)的路由選擇要綜合考慮發(fā)射功率、跳數(shù)和傳輸速率因素，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無線資源利用率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最優(yōu)。一、UWB技術(shù)背景 對超寬帶（UWB，ULTRA-Wideband）無線技術(shù)（簡稱UWB技術(shù)）的起源眾說紛紜，從目前的學(xué)

3、者研究工作來看大約可以追溯到20世紀(jì)50年代末和60年代初。那時(shí)，研究工作在于通過沖擊響應(yīng)特性來描述某一些微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)行為。其實(shí)概念很簡單，就是使用所謂的沖擊響應(yīng)h（t）沖擊激勵(lì)來表征一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)（幅值與相位值相對與頻率值）方法。 特別是，對于一個(gè)系統(tǒng)的任意輸入信號x（t），其輸出信號y（t）可以唯一地由輸入信號與沖擊激勵(lì)的卷積來確定。 然而，實(shí)際上直到采樣示波器和亞納秒（基帶）脈沖發(fā)生技術(shù)出現(xiàn)之后才為這樣的沖擊激勵(lì)提供了近似方法、觀測和測量方法。從此超寬帶技術(shù)有了快速的發(fā)展。 1960年代，美國軍方開始對UWB技術(shù)秘密研究，主要用于軍事上的雷達(dá)和低截獲率/低偵測率

4、通信系統(tǒng)以及穿地雷達(dá)、穿墻成像等應(yīng)用范圍之內(nèi)。 1989年美國國防部(DARPA)首次提出了“超寬帶”的概念，并進(jìn)行了定義，即一20dB相對帶寬大于25%或絕對帶寬大于1.5GMHz。 1993年，美國南加州大學(xué)通信科學(xué)研究所的R. A. Scholtz在國際軍事通信會(huì)議(MILCOM93)發(fā)表論文，論證了采用沖激脈沖進(jìn)行跳時(shí)調(diào)制的多址技術(shù)，從而開辟了將沖激脈沖作為無線電通信信息載體的新途徑。 近年來，隨著微電子器件技術(shù)和工藝的提高以及信號處理技術(shù)的發(fā)展，UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，并在國際上掀起了對其研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱潮，被認(rèn)為是下一代無線通信的革命性技術(shù)。為了促進(jìn)并規(guī)范UWB技術(shù)的發(fā)展

5、，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC )于1998年發(fā)起了制定UWB發(fā)射功率限制標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)，經(jīng)過激烈的討論，在2002年2月14日發(fā)布了UWB無線設(shè)備的功率限制規(guī)范，并重新對UWB進(jìn)行了定義。按照FCC的定 義，UWB系統(tǒng)的相對帶寬大于20%或絕對帶寬大于等于500MHz。這里相對帶寬的定義為:輻射帶寬與其中心頻率之比大于20%。 式中: 和 分別為系統(tǒng)的高端和低端頻點(diǎn)(按-10dB計(jì)算，也就是功率較峰值功率下降10dB時(shí)所對應(yīng)的高端頻率和低端頻率)。如下圖所示：-10dB（Hz）UWB窄帶圖1 超寬帶信號與窄帶信號的比較 從FCC的定義可以看出，現(xiàn)在的UWB已不僅僅局 限于最初的脈沖通信了，而是包括

6、了任何使用超寬頻譜(帶寬大500MHz或相對帶寬大于20%)的通信形式。另外，F(xiàn)CC還規(guī)定了UWB室內(nèi)通信、室外手持設(shè)備、穿墻成像、醫(yī)療成像等多種應(yīng)用條件下使用頻譜的限制。FCC規(guī)定室內(nèi)UWB通信的實(shí)際使用頻譜范圍為3.1-10.6GHz，并在這一范圍內(nèi)，有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, EIRP).不超過-41. 3dBm/MHz。 FCC對超寬帶系統(tǒng)頻帶限制的放開，在UWB的發(fā)展史上具有著里程碑意義，是超寬帶走向商業(yè)化的重要標(biāo)志，超寬帶技術(shù)將會(huì)帶來一個(gè)無線通信的新時(shí)代。正如Time Domain公司總裁Ralph Petroff所說，

7、 “目前超寬帶通信技術(shù)還不為眾人所知，但此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)對以后的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來重大影響”。 “它現(xiàn)在的位置就像Internet在1993到1994年的時(shí)期一樣”。二、什么是UWB? UWB的核心是沖擊無線電技術(shù)，即用持續(xù)時(shí)間非常短（亞納秒級）的脈沖波形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸系統(tǒng)的持續(xù)波形 。從經(jīng)傅里葉變換之后的特性來看，信號所占的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。 UWB技術(shù)主要是采用無載波方式實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)均采用單頻載波或多頻載波對信號進(jìn)行調(diào)制，即將信號的基帶頻譜搬移到所工作的載波頻譜上。簡言之，UWB直接用脈沖對信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制脈沖的形狀非常陡峭，其波形所占用的頻譜寬達(dá)數(shù)GHz。 在

8、時(shí)域上，脈沖的持續(xù)時(shí)間決定了信號在頻域內(nèi)所占據(jù)的帶寬。脈沖越窄，頻譜越寬。人們知道，在無線信道上，實(shí)時(shí)傳輸多媒體信息需要極大的帶寬。如何提高傳輸系統(tǒng)的容量是人們特別關(guān)注的問題之一。香農(nóng)的信息理論提供了尋找容量的理論基礎(chǔ)。 香農(nóng)容量極限公式： 式中： C=信道容量（bit/s）; BW=信道帶寬； SNR=P/BW N,信噪比； P=所接受的信號功率； N=噪聲功率譜密度（W/Hz）。 從上式可以看出，可以通過擴(kuò)展信號的帶寬來增加傳輸系統(tǒng)的容量。顯然，UWB技術(shù)可以在極低的發(fā)射功率下傳輸非常高的數(shù)據(jù)速率。三、 UWB信號的編碼與調(diào)制UWB采用跳時(shí)編碼（TH-UWB)和直接序列編碼（DS-UWB)

9、。 如下圖所示為跳時(shí)編碼示意圖。這里假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)幀（ ）有8個(gè)跳時(shí)位（ ）該圖的數(shù)據(jù)脈沖位于第四跳。理論上說脈沖所在的未知應(yīng)該是隨機(jī)的或偽隨機(jī)的。這樣數(shù)據(jù)信號在頻譜上的表現(xiàn)就體現(xiàn)出噪聲化特征。 7 6 5 4 3 2 1 0圖2 UWB跳時(shí)編碼 此外，與傳統(tǒng)的基于載波的CDMA系統(tǒng)類似，UWB還可以通過偽隨機(jī)序列（PN序列）進(jìn)行擴(kuò)展。有關(guān)信道化和調(diào)制過程就如同CDMA一樣。碼片速率為UWB中心頻率的一部分(1/N),改變碼片速率就可以平衡總的功耗。四、 UWB常用的調(diào)制技術(shù) 通過改變脈沖的特性就可以產(chǎn)生符合能量與頻譜要求的波形。這其中影響波形特性的因素有3個(gè)： （1）發(fā)射能量的帶寬； （2）在

10、規(guī)定頻譜內(nèi)發(fā)射能量的大小； （3）定義能量在頻譜中的中心位置。 理論上，UWB可以按下列技術(shù)調(diào)制： （1）脈沖幅值調(diào)制（PAM）； （2）相位調(diào)制（BPSK等）； （3）通斷鍵控（OOK）; （4）脈沖位置調(diào)制（PPM）（包括二進(jìn)制和多進(jìn)制）； （5）正交脈沖調(diào)制； （6）以上各種組合。實(shí)際上，UWB較多地采用脈沖位置調(diào)制（PPM）。 五、 UWB多帶技術(shù) 2003年1月英特爾公司特出了一種更加靈活的頻譜利用方案多帶調(diào)制方案。 該方案的基本思想是把7.5GHz的頻帶分裂成多個(gè)更小的頻帶。為了有效利用整個(gè)頻譜，多個(gè)頻段必須在多個(gè)頻率中心出產(chǎn)生。如下圖3所示為多帶脈沖成形的示意圖。 圖3 多頻帶調(diào)

11、制中的8個(gè)頻帶 多帶UWB調(diào)制有很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是可有效地使用FCC所規(guī)定的整個(gè)頻譜；另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以獨(dú)立對待單個(gè)子頻帶，這樣就增加了UWB系統(tǒng)的靈活性。在UWB設(shè)備與其他設(shè)備共存時(shí)，多帶調(diào)制方案可以有效地減少UWB設(shè)備對其他窄帶設(shè)備的干擾。 例如，WLAN的工作頻譜是5GHz，那么可以通過識別干擾子載波（如下圖4所示的第5個(gè)子載波）降低其輻射功率或完全將其關(guān)閉來減少干擾，某一區(qū)段的頻譜能量就得到了有效的抑制。 圖4 多帶調(diào)制中的8個(gè)頻帶，其中第5頻帶或5GHz未占用六、UWB收發(fā)器 UWB技術(shù)中另一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容就是UWB收發(fā)器。這是UWB技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。 UWB收發(fā)器

12、結(jié)構(gòu)調(diào)制器PA脈沖發(fā)生器數(shù)據(jù)輸入脈幅或位置調(diào)制PRF 圖5 UWB發(fā)送器的一般結(jié)構(gòu)LNARF濾波器LPF采樣器/檢測器脈沖發(fā)生器解調(diào)器 圖6 UWB接收器的一般結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸出七、 UWB多址技術(shù) 多址方式允許許多用戶同時(shí)共享有限的頻譜資源。需要分配有效信道給多個(gè)用戶以獲得高系統(tǒng)容量，對于高質(zhì)量的通信，這一點(diǎn)必須做到，并且必須保證不導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。在超寬帶通信系統(tǒng)中，常見的多址接入方式有跳時(shí)擴(kuò)頻（TH-SS）和直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）兩種。 相比較而言，TH-SS的優(yōu)勢在于它對遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DS-SS高，因?yàn)橹挥挟?dāng)不同用戶的信號脈沖正好在位置上出現(xiàn)重疊時(shí)，遠(yuǎn)近效應(yīng)才會(huì)體現(xiàn)出來，從而降低了對功