UWB與WLAN系統(tǒng)間兼容性分析

摘要超寬帶（UWB：Ultra-wideband）通信技術(shù)性能優(yōu)良，具有廣闊的應(yīng)用前景，越來越受到人們的重視。UWB通信系統(tǒng)的信號在頻域上范圍極寬，F(xiàn)CC分配給UWB民用通信的頻段是3.1～10.6GHz，與無線局域網(wǎng)（WLAN：wirelessLAN）系統(tǒng)（IEEE802.11a）共享了5.15～5.825GHz的頻段。為使UWB技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)UWB通信系統(tǒng)與其他現(xiàn)有通信系統(tǒng)的兼容是首要的。在已有模型的基礎(chǔ)上，選擇信噪比、數(shù)據(jù)率、干擾值作為評價系統(tǒng)性能的參數(shù)，仿真分析了UWB通信系統(tǒng)對WLAN系統(tǒng)的干擾，為UWB通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考。

前言

超寬帶（UWB：Ultra-wideband）通信技術(shù)是近來無線通信的新熱點，它性能優(yōu)良，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，UWB通信系統(tǒng)的發(fā)展必須以與其他系統(tǒng)有良好的兼容性為前提。在UWB通信系統(tǒng)的設(shè)計中，必須同時考慮到電磁兼容的問題。倘若忽略了這一點，而使UWB通信系統(tǒng)對其他系統(tǒng)造成極大的干擾，影響了其他系統(tǒng)的正常使用，那么，勢必會使UWB系統(tǒng)的發(fā)展受到很大的限制和阻礙。所以，UWB通信系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性問題是整個UWB通信系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的環(huán)節(jié)。

主要研究UWB系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)之間的兼容性，在已建立的兼容性模型的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行仿真，并運用這些參數(shù)指標(biāo)，對WLAN系統(tǒng)與UWB通信系統(tǒng)的兼容性做出一些預(yù)測。

1、UWB系統(tǒng)概述

與常見的通信方式使用連續(xù)的載波不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續(xù)的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百Mbit/s。在高速通信的同時，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，對于普通的非UWB接收機(jī)來說近似于噪聲。按照FCC的規(guī)定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為民用UWB所用。FCC關(guān)于UWB設(shè)備發(fā)射功率的限制分為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和室外兩種標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353493.htm

圖1 FCC關(guān)于UWB設(shè)備發(fā)射功率的限制

UWB技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易實現(xiàn)、傳輸速率高、低功耗、抗多徑干擾、安全保密性好等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。但是由于UWB系統(tǒng)信號脈沖極窄，其在頻域上范圍極寬。常常與其他系統(tǒng)共享頻段。而且，UWB系統(tǒng)是一種未授權(quán)的應(yīng)用，在頻譜上得不到保護(hù)。要想使UWB技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)UWB通信系統(tǒng)與其他現(xiàn)有通信系統(tǒng)的兼容是十分重要的，即UWB通信系統(tǒng)的存在不會對其他現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成顯著的干擾，不會使其他現(xiàn)有通信系統(tǒng)的性能急劇下降。

2、UWB通信系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)間共存分析

2.1系統(tǒng)共存模型

UWB系統(tǒng)信號頻域范圍極寬，它與WLAN系統(tǒng)（IEEE802.11a）在5.15～5.825GHz頻段上是共享的。本文研究UWB系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)間共存正是基于這樣的系統(tǒng)模型：以WLAN系統(tǒng)設(shè)備為中心，在以rmin為半徑的范圍內(nèi)，不存在UWB系統(tǒng)設(shè)備，在以Rr為半徑的范圍以外，接收機(jī)接收到的WLAN信號可以忽略。rmin是UWB通信設(shè)備到WLAN接收機(jī)的最小距離；Rr是無UWB信號干擾下WLAN接收機(jī)最大的接收范圍。

2.2仿真數(shù)學(xué)模型

本文的仿真基于文獻(xiàn)[4]中的數(shù)學(xué)模型。

WLAN接收機(jī)接收到的UWB系統(tǒng)設(shè)備總的干擾功率可表示為：

（1）

其中

（2）

kagg為集合因子，綜合了環(huán)境的影響；PUWB為一個UWB系統(tǒng)用戶的發(fā)射功率；P為UWB用戶的單位密度；λ為中心頻率對應(yīng)的波長；I(rmin,do)是一個傳播衰減因素，它由二射線模型得出，決定于rmin、dmin兩個參數(shù)，rmin是UWB通信設(shè)備到WLAN接收機(jī)的最小距離；dmin表示拐點。

2.2.1無UWB信號的WLAN系統(tǒng)的信噪比數(shù)學(xué)模型

在沒有UWB信號干擾的情況下，WLAN系統(tǒng)的信噪比表示為：

（3）

其中，PT是在接入點得到的發(fā)射功率。

2.2.2存在UWB信號干擾的信噪比數(shù)學(xué)模型

UWB技術(shù)采用短脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續(xù)的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間。這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，而其設(shè)備的發(fā)射功率卻很小。因此，對于普通的非UWB接收機(jī)來說近似于噪聲。接收機(jī)接收到的總噪聲，它由以下幾部分組成：

N=No+NF+LIMP（4）

No是熱噪聲；NL是接收機(jī)噪聲；LIMP是接收機(jī)數(shù)字在處理過程中引入的噪聲。

在UWB-WLAN共存的模型中，WLAN系統(tǒng)接收到的信號信噪比用dBm來表示為：

（5）

PT是在接入點得到的發(fā)射功率；Const是路徑損耗，它是距離的函數(shù)。

圖2形象地表示了WLAN系統(tǒng)接收端信號的信噪比SNRmin

圖2 WLAN系統(tǒng)接收端信號的信噪比SNRmin

3、仿真結(jié)果與分析

3.1無UWB信號干擾的情況下，WLAN系統(tǒng)性能仿真

為了研究UWB系統(tǒng)對WLAN系統(tǒng)造成的干擾，這里首先對沒有UWB系統(tǒng)的情況下，WLAN系統(tǒng)的性能參數(shù)做了仿真。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 最小信噪比與距離的關(guān)系

圖3給出了無UWB系統(tǒng)信號的情況下，WLAN系統(tǒng)接收信號的信噪比與WLAN接收機(jī)最大接收范圍之間的變化規(guī)律。根據(jù)IEEE的規(guī)定，WLAN系統(tǒng)信噪比低于5dBm將視為不可接收，由此可以得到WLAN接收機(jī)最大接收范圍，表示為Range。從圖3中可以看出，當(dāng)WLAN接收機(jī)最大的接收范圍從0.1m增加到60m時，WLAN系統(tǒng)接收到的信噪比從60 dBm下降到2.7706 dBm?？梢?，隨著接收范圍的增大，接收到的信噪比不斷減小，系統(tǒng)的性能下降。根據(jù)IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)所示，WLAN系統(tǒng)的最小信噪比為5 dBm。到接收到的信號信噪比低于5 dBm時，WLAN接收機(jī)將不能正常工作。根據(jù)圖3所示的數(shù)據(jù)，WLAN系統(tǒng)的最大接收范圍是52.8802 m。

3.3UWB信號干擾下，WLAN系統(tǒng)性能仿真

下面是存在UWB系統(tǒng)干擾時，WLAN系統(tǒng)的性能參數(shù)的仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 kagg取0.04，0.2，0.5三個不同值時，信噪比與距離的關(guān)系

圖4給出了集合因子kagg取值分別為0.04，0.2，0.5時，WLAN系統(tǒng)接收信號的信噪比隨WLAN接收機(jī)的接收范圍的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著接收范圍的增大，接收到的信噪比不斷減小，系統(tǒng)的性能下降。當(dāng)存在UWB通信系統(tǒng)干擾時，其對WLAN系統(tǒng)接收到的信號信噪比的影響有時到了十分嚴(yán)重的地步。例如，當(dāng)kagg=0.5，Rmin分取1m，2m時，當(dāng)接收范圍為30m時，有UWB通信系統(tǒng)干擾的WLAN系統(tǒng)接收信噪比比不存在UWB通信系統(tǒng)干擾時減少了5 dBm，4 dBm，下降比例為33%，27%。這個影響是WLAN系統(tǒng)不能接受的。但是，當(dāng)最小距離取5 m，10 m時，當(dāng)接收范圍為30 m時，有UWB通信系統(tǒng)干擾的WLAN系統(tǒng)接收信噪比比不存在UWB通信系統(tǒng)干擾時只減少了2 dBm，0.5 dBm，下降比例為13%，3%，這個影響是可以被WLAN系統(tǒng)接受的。

由上述的仿真結(jié)果及分析可以看出：

（1）無UWB信號的情況下，當(dāng)范圍超過52m左右時，WLAN系統(tǒng)將不能正常工作。

（2）當(dāng)存在UWB通信系統(tǒng)干擾時，WLAN系統(tǒng)性能將受到不同程度的影響。

（3）當(dāng)存在較近距離的UWB通信系統(tǒng)干擾時，其對WLAN系統(tǒng)接收到的信號信噪比的影響有時到了十分嚴(yán)重的地步。

（4）隨著集合因子的增大，WLAN系統(tǒng)性能衰減劇烈，集合因子較大時，WLAN系統(tǒng)受到來自UWB的干擾將使二者的兼容性難以實現(xiàn)。

4、結(jié)束語

UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、有低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，有著很好的應(yīng)用前景。但是由于UWB系統(tǒng)在頻域上范圍極寬，容易對其他系統(tǒng)造成干擾。要想使UWB技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)UWB通信系統(tǒng)與其他現(xiàn)有通信系統(tǒng)的兼容是十分重要的，尤其是與WLAN這樣的具有市場潛力的已廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。

本文在一個UWB和WLAN通信系統(tǒng)間的兼容性模型的基礎(chǔ)上，對WLAN通信系統(tǒng)的性能參數(shù)給出仿真和分析，為下一步系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計打好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1JohnG.Proakis[美]，《數(shù)字通信（第三版）》，電子工業(yè)出版社，1988.

2RayHorak[美].《通訊系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)》.中國水利水電出版社，2003.

3趙靜.超寬帶脈沖信號對窄帶通信系統(tǒng)的干擾分析，系統(tǒng)仿真學(xué)報，Vol.16No.12Dec.2004.