DS-UWB: 高速率应用的无线连接

       Matt Welborn
   (飞思卡尔半导体 无线及移动系统部,北京100022) 

　　家电及计算设备的无线连接开始逐步改变人们使用的方式。人们的愿望已经不单单局限于"连接",不断更新的技术发展趋势促使消费类应用对无线技术的需求不断提高。便携设备强大的内存功能,不断扩大的档案容量以及消费类多媒体应用对更高质量和更高清晰度图像及影像的需求,这都要求极高的无线数据速率。
　　不断改进的消费类电子在设备需求方面可以分为两大不同阵营:(1)市内无线影像播放(压缩或非压缩的形式);(2)低功耗手持设备的高速连接。在影像播放应用方面,人们需要为不同的用户提供相对来说较高的数据传输速率、较强的性能以及低功耗的要求。而手持设备对低成本和低功耗有更高的要求,同时,在高速数据转换方面要求能够扩展到极高的数据转输速率(1Gbps及更高)。
　　直序列超宽带技术(DS-UWB,这是IEEE组织首推的UWB标准化提议)以及802.11无线局域网技术(802.11 a/g及在此基础上的802.11n仍处于研发阶段)能够满足这些无线技术应用需求。
　　DS-UWB 是为无线个人局域网络(WPAN)开发的,并借鉴了超宽带通讯技术的长处。目前,IEEE组织正在考虑的DS-UWB方案将使基于802.15.3a 标准的设备既能提供高性能,又能为高速率的多媒体及手持设备提供低功耗和低成本的扩展能力。
　　DS-UWB设备应用将依据FCC针对美国市场而制定的超宽带规则并且与世界其它地区制定的规则基本一致,但其传输功率非常低。实际上,DS-UWB的传输水平与其它无线技术所被允许的传输水平大致相同或更低,基本上达到每MHz频谱-41.3dBm的极限。由于这一低传输极限的要求某一特定的DS-UWB设备在整个信号带宽当中当具有总共约1/10mW或-10dBm传输功耗。
　　与DS-UWB相比,802.11无线局域网技术是为不同规则的操作开发的,并且可以特别针对非授权无线设备的频道上进行操作。802.11a/g/n操作带宽比DS-UWB要窄,所占用的频谱约为17MHz,但传输功耗却更高。平均传输功耗的水平比其某一DS-UWB设备的平均功耗高500倍,或者说其差值在27dB。
　　这两种不同的特性以及信号带宽以及传输功耗导致了通讯系统设计当中诸多方面的迥异。此外,差异还导致了这两项技术在功耗要求较高的手持设备对更高数据传输速率需求方面的较大差异。事实上,正是在带宽方面所存在的较大差异才导致了这两项技术过程中许多基础设计和性能方面相抵消。

1 信号宽带及传输功率
　　与DS-UWB相比,有两个基本原因使得信号带宽上的差别导致802.11a/g/n系统对传输功率有更高的要求。其一,在一个相对狭窄的无线电信道中,通过调制而获得较高的数据转输速率;其二,由于多信道中射频传播的基本物理特性。调制格式描述了如何将数据编码为一个射频信号,用于无线介质中的传输。
　　针对802.11a/g系统来说,在一个17MHz带宽的射频信道中要想获得54 Mbps的数据速率,要求使用"high-order调制"方式来取得较高的光谱效率。特别是802.11a/g(和11n)使用64-QAM来将6个数位绘制进每一个传输符号中(802.11a/g将此64-QAM与OFDM结合起来,其意图大致相同)。通过利用64-QAM取得更高的频谱效率,其成本在于接收器需求有一个更强的SNR以便在相同水平的错误率性能上对信号进行解调(相对于作为底限的BPSK或QPSK系统而言)。新近推出的802.11n技术也同样在其最高数据速率方面使用64-QAM,但添加了更为成熟的技术,以便通过多天线技术来取得更好的频谱效率。
　　DS-UWB运营环境与802.11a/g或801.11n技术有所不同。由于能够获得较宽的带宽,DS-UWB 使用 BPSK来提供功率系数的解调。两项技术之间一个简单的比较就是在BPSK 和64-QAM 存在的功效方面的差异。针对这两种调制格式,BPSK在接收器所需要的Eb/N0是9.6 dB,速率为 10-5 bit-error-rate (BER),而64-QAM在同样的BER上可以获得高出10 dB的水平。需要注意的是:这些数字是用来描述在纯AWGN通道中非加码技术的运行状态,但基本结果是high order调制方式要求更高的传输功率从而在接收器上提供相同的BER。在现实操作系统中,还有许多其它的因素影响着接收器SNR的需求,包括使用成熟的FEC。对实际操作系统需求具有影响的一个关键性环境因素就是多通道传播功效。

2 多通道对接收器SNR需求的影响逐渐衰减
　　室内无线信道的一个关键特征就是多信道传播-RF信号能量由于多个传播信道而扩散。OFDM技术已经被广泛地应用于室内多信道传播的无线通讯领域,并被应用到802.11a/g/n中。OFDM一个被大家充分认可的长处就在于它可以有助于在数字传播系统中防止交互符号干扰(ISI)的作用。此ISI作用将产生于系统的符号长度短于信道中多信道延迟传播的长度。在这种情况下,各单项符号互相干扰——这就要求有一个均衡器在接收器处进行补偿。OFDM通过将其操作频道(i.e.大约17MHz)转换为较为狭窄的并行频道来避免这种ISI效用(i.e.48 data channels of 312.5kHz for 802.11a/g),并在这些窄带上以并行的方式发送数据符号。通过48个频道而不是一个频道,每一个频道中的数据符号可以加长48倍(针对相同的数据速率),并且它们比频道延迟传播的更长。这样就防止了ISI的产生,并且相对于单一载体的窄带方式来说,在利用OFDM上会受到较小的惩罚。
　　对于UWB频道来讲,信号带宽与多信道频道之间的关系是有所不同的。在 UWB频道中,单一载体和多载体方式(如:OFDM)会给所接收的信号带来完全不同的多信道衰减数据。为了了解这一作用,让我们回想一下在接收天线处不同信道到达的结合造成接收器信号功率的变化。如果不同的部分能够很好地结合起来的话,接收器处的信号功率是很高的,然而假如这些部件不能有意地结合,那么该接收器特定波段的信号功率就会很底,甚至为零。对于某些 OFDM系统来说,接收器的这种建设性的或破坏性的结合,或者叫多信道衰减,会导致接收器每个OFDM音调具有不同的信号功率水平。这种平行OFDM频道或音调中的变异是由于各自不同的中心频率的存在,从而为同一多信道到达次数和振幅造成不同的建设性或破坏性的衰减。
　　多通道衰减的作用是非常不一样的。由于它有较宽的信号带宽,DS-UWB接收器可以分别解决多通道部件,尽可能地避免破坏性结合的发生。
　　因多通道而产生的衰减作用将导致在不同多通道频道中或不同的ODFM音调中接收信号的变化,对此必须给予补偿。使用FCC可以帮助"平衡"这一变化,但仍可能会造成多通道频道中对SNR更高的要求,超过AWGN (非多通道) 频道。对于UWB系统,接收功率的变化也要求有更高的SNR,但其作用仅局限于1个dB左右,因为UWB频道的衰件变量更小。

3 信号带宽对复杂性和功耗的作用
　　窄带系统需要有较高的传输功率,来支持接收器对SNR更高的要求,因为不同的调制方式要求较高的调制和多通道衰件。对于OFDM,较高传输功率的影响与OFDM信号的高蜂值和平均值的比率混杂在一起,因为后者要求有一个低功耗的功率放大器。例如,一个50 mW传输功率的输出也许会要求有几百到 500 mW 的总功耗,以达到较好的系统性能所需要线性。而相反的是,任何一个DS-UWB系统都不需要PA,因为较小的传输功率(-10dBm) 可以直接通过RF ASIC来驱动。
　　不同的信号带宽对系统的复杂性和功耗还具有其他影响,因为信号处理要求方面存在差异。
　　· 模拟到数字的转换器: DS-UWB 接收器可以在高速率(1.35GHz )上使用低解析度 (如: 3 位)的 ADCs,来模拟宽带信号。802.11 OFDM系统在较低的速率(在80MHz上9位)上使用高解析度的 ADCs来支持64-QAM的解调。
　　· 前向差错纠正: 两种方式都采用卷积编码(convolutional code)来纠正传输中产生数位错误。802.11a/g/n利用更高复杂性的 FEC对多通道衰件进行补偿。DS-UWB编码可以降低解码的复杂性(低2～8倍),因为编码的性能在超宽带运行状态下受到的多信道衰件的影响较小。当设备达到500Mbps或DS-UWB中更高的速率或实施802.11n时,这一差异更加明显。
　　当我们在考虑将DS-UWB 或802.11n提升到更高的速率来满足未来的应用而产生 的其他作用时,我们有必要了解 如何通过增加符号速率(缩短符号长度)来将DS-UWB提升到更高的速率,如1Gbps。大多数的接收器数字处理复杂性(斜度化合,符号均等,FEC解码等)与数据速率呈线性增加。对均衡器长度的要求可以随着符号长度的减少而有所增加,但在最高数据速率模式下以较小的范围提升延迟传播时,此作用会被化解。
　　目前关于将 802.11系统升级到802.11n中的更高速率(500Mbps或更高)的建议是基于64-QAM的继续使用。通过MIMO技术(多重输入输出)我们可以提升到较高的速率,因为它利用多天线在无线频道中平行发送多数据流。对此,处理的复杂性也随之增加((FEC 解码, FFT/iFFT, 均衡等)。由于要求高达4个传输/接收处理链(多个 ADC/DAC,过滤器, 放大器等),复杂性和功耗也将有所增加。
　　当我们对这两种技术进行高速率、低功耗应用等方面的评估时,我们发现系统的带宽在很多领域具有较大影响。由于窄带设计被 扩展到更高的速率,那么利用high order调制和多天线技术可以提供扩展的较强性能,但也可能会导致更大的复杂性和功耗。那些利用宽带的系统,如 DS-UWB, 可以采用完全不同的设计手段提供无线连接解决方案,获得更高的速率,更具有可扩展性和低复杂性。

参考文献
1 Coffey, Sean et al. WWiSE IEEE 802.11n 建议.2005年1月6日, IEEE 文件号码: 802.11-05-1591r3
2 Kohno, R.,McLaughlin, M.,Welborn, M. DS-UWB物理层提交给802.15工作组3a, IEEE 文件号码: 802.15-04-0137r4
3 Meng, Theresa et al. 通讯 SoCs的数字辅助模拟电路设计.SiPS 2004 主题演讲稿, http://www.spsworkshops.com/SiPS2004/Keynote_Slides_Meng.pdf
4 Mujtaba, Syaed et al.TGn Synch Complete Proposal.2005年1月18日, IEEE 文件号码: 802.11-04-888r8