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超宽带无线通信技术( 三 )

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2.2 UWB信道建模
UWB信道不同于一般的无线衰落信道 。例如，传统上一般用Rayleigh分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个分量可以视为多个(例如大于10)同时到达的路径合成 。但是UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，每个多径分量包含的路径数很可能只有2～3条，显然已经不符合Rayleigh分布的假定[4—6] 。同时由于强烈的散射效应，UWB信道上的多径分量呈现出成组到达的特征 。在典型的室内密集多径环境下，接收波形的时延扩展很大，例如比较极端的情况下，一个脉冲宽度为2 ns的信号通过UWB信道之后接收波形竟可持续230 ns[7] 。这些特点反映到频域上，则可以看到由于信号分量横跨了吉赫兹的频率范围，频率选择性衰落的特征极为明显 。
对UWB信道的建模可以在时域或频域上进行，目前最常采用的仍是一种离散的延迟线模型，即：
其中L代表最大可分离的多径数，τn和gn分别代表第n条路径的延迟和幅度衰落系数 。根据对测量数据的分析，研究人员得出以下结论：
(1)室内信道的均方根(RMS)时延扩展为20～30 ns，无视距分量的情况下会更高 。
(2)最大时延扩展小于250 ns；多径强度谱E[gn2]属于非均匀分布，满足指数衰减特性 。
(3)幅度衰落系数gn满足对数正态分布(标准偏差为3～5 dB) 。研究表明，随着测试脉冲宽度的增加(在3 ns左右时)，多径分辨率随之降低，gn的分布将从对数正态分布逐步演变为Nakagami分布 。显然，假如进一步增加脉宽，当每个多径分量包含的路径数足够多时，gn的特性仍将会回到Rayleigh分布上去 。
(4)多径到达时间τn符合泊松分布，具有多径分量的成组到达特性 。
2.3 UWB接收技术
尽管UWB信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的UWB接收机结构很简单，只是一个等效于匹配滤波的相关器而已 。同时为了降低对器件模数变换器(ADC)变换速率的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的 。但是当对传输速率的要求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来 。接收信号幅度上的衰落需要通过RAKE接收机收集足够丰富的多径分量来克服；另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间干扰(ISI)问题也必须在系统设计中加以考虑 。一种比较理想的解决方案应该是RAKE 均衡，通过RAKE接收捕捉各条径的能量以反抗衰落，同时利用均衡来消除符号间干扰 。
目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机[8] 。在具体实现上，有几种路径选取方法可用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径 。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是实现难度较大 。从仿真结果来看，就UWB信道特性而言，选择4～6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能 。
同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为要害 。假如采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计 。尽管有窄带通信系统中的许多算法可以借鉴，但需要强调的一点是，在UWB系统特有的信道环境下，对同步和信道估计都提出了更高的要求，再考虑到有限抽样速率下的实现精度和算法复杂度问题，同步和信道估计都还需要进行更深入地研究 。
3 UWB的应用
凭借着短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势，UWB进军民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)上 。现有的各种无线解决方案(例如3G、802.11、蓝牙等)的速率均低于100 Mb/s，UWB则在10 m左右的范围之内打破了这一限制 。这样一种小范围内的通信，非凡是高速通信，通常是用有线连接来完成的，而UWB的应用将使得人们可以摆脱更多线缆的牵绊，通信因而变得更为方便 。家中的台式电脑不再需要各种线缆分别连接显示器、打印机和扫描仪，摄像机向电视实时输送录像也代之以高速无线连接，这将会给人们的生活带来极大的便利 。人们也可以用同样的技术来帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物里面的人们，甚至防止汽车相撞 。类似的应用将会层出不穷，远远超过人们目前的想象空间 。就现在的发展趋势来推断，UWB的应用将主要集中在以下几个方面：

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