UWB与WLAN系统间兼容性分析

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摘要　超宽带（UWB：Ultra-wideband）通信技术性能优良，具有广阔的应用前景，越来越受到人们的重视。UWB通信系统的信号在频域上范围极宽，FCC分配给UWB民用通信的频段是3.1～10.6 GHz，与无线局域网（WLAN：wireless LAN）系统（IEEE802.11a）共享了5.15～5.825 GHz的频段。为使UWB技术得到广泛的应用，实现UWB通信系统与其他现有通信系统的兼容是首要的。在已有模型的基础上，选择信噪比、数据率、干扰值作为评价系统性能的参数，仿真分析了UWB通信系统对WLAN系统的干扰，为UWB通信系统的设计提供了一定的参考。
0、前言
超宽带（UWB：Ultra-wideband）通信技术是近来无线通信的新热点，它性能优良，具有广阔的应用前景。但是，UWB通信系统的发展必须以与其他系统有良好的兼容性为前提。在UWB通信系统的设计中，必须同时考虑到电磁兼容的问题。倘若忽略了这一点，而使UWB通信系统对其他系统造成极大的干扰，影响了其他系统的正常使用，那么，势必会使UWB系统的发展受到很大的限制和阻碍。所以，UWB通信系统与其他系统的兼容性问题是整个UWB通信系统设计中一个重要的环节。
主要研究UWB系统与WLAN系统之间的兼容性，在已建立的兼容性模型的基础上，对系统的性能参数进行仿真，并运用这些参数指标，对WLAN系统与UWB通信系统的兼容性做出一些预测。
1、UWB系统概述
与常见的通信方式使用连续的载波不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，最大数据传输速率可以达到几百Mbit/s。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声。按照FCC的规定，从3.1 GHz到10.6 GHz之间的7.5 GHz的带宽频率为民用UWB所用。FCC关于UWB设备发射功率的限制分为室内标准和室外两种标准，如图1所示。

 

图1　FCC关于UWB设备发射功率的限制

UWB技术具有系统结构易实现、传输速率高、低功耗、抗多径干扰、安全保密性好等优点，有很好的应用前景。但是由于UWB系统信号脉冲极窄，其在频域上范围极宽。常常与其他系统共享频段。而且，UWB系统是一种未授权的应用，在频谱上得不到保护。要想使UWB技术得到广泛的应用，实现UWB通信系统与其他现有通信系统的兼容是十分重要的，即UWB通信系统的存在不会对其他现有通信系统造成显著的干扰，不会使其他现有通信系统的性能急剧下降。
2、UWB通信系统与WLAN系统间共存分析
2.1　系统共存模型
UWB系统信号频域范围极宽，它与WLAN系统（IEEE802.11a）在5.15～5.825 GHz频段上是共享的。本文研究UWB系统与WLAN系统间共存正是基于这样的系统模型：以WLAN系统设备为中心，在以rmin为半径的范围内，不存在UWB系统设备，在以Rr为半径的范围以外，接收机接收到的WLAN信号可以忽略。rmin是UWB通信设备到WLAN接收机的最小距离；Rr是无UWB信号干扰下WLAN接收机最大的接收范围。
2.2　仿真数学模型
本文的仿真基于文献[4]中的数学模型。
WLAN接收机接收到的UWB系统设备总的干扰功率可表示为：

（1）
其中

（2）
kagg为集合因子，综合了环境的影响；PUWB为一个UWB系统用户的发射功率；P为UWB用户的单位密度；λ为中心频率对应的波长；I(rmin,do)是一个传播衰减因素，它由二射线模型得出，决定于rmin、dmin两个参数，rmin是UWB通信设备到WLAN接收机的最小距离；dmin表示拐点。
2.2.1　无UWB信号的WLAN系统的信噪比数学模型
在没有UWB信号干扰的情况下，WLAN系统的信噪比表示为：

（3）
其中，PT是在接入点得到的发射功率。
2.2.2　存在UWB信号干扰的信噪比数学模型
UWB技术采用短脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，而其设备的发射功率却很小。因此，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声。接收机接收到的总噪声，它由以下几部分组成：
N=No+NF+LIMP　（4）
No是热噪声；NL是接收机噪声；LIMP是接收机数字在处理过程中引入的噪声。
在UWB-WLAN共存的模型中，WLAN系统接收到的信号信噪比用dBm来表示为：
（5）
PT是在接入点得到的发射功率；Const是路径损耗，它是距离的函数。
图2形象地表示了WLAN系统接收端信号的信噪比SNRmin

图2　WLAN系统接收端信号的信噪比SNRmin

3、仿真结果与分析
3.1　无UWB信号干扰的情况下，WLAN系统性能仿真
为了研究UWB系统对WLAN系统造成的干扰，这里首先对没有UWB系统的情况下，WLAN系统的性能参数做了仿真。仿真结果如图3所示。

 

图3　最小信噪比与距离的关系

图3给出了无UWB系统信号的情况下，WLAN系统接收信号的信噪比与WLAN接收机最大接收范围之间的变化规律。根据IEEE的规定，WLAN系统信噪比低于5 dBm将视为不可接收，由此可以得到WLAN接收机最大接收范围，表示为Range。从图3中可以看出，当WLAN接收机最大的接收范围从0.1 m增加到60 m时，WLAN系统接收到的信噪比从60 dBm下降到2.7706 dBm。可见，随着接收范围的增大，接收到的信噪比不断减小，系统的性能下降。根据IEEE802.11a标准所示，WLAN系统的最小信噪比为5 dBm。到接收到的信号信噪比低于5 dBm时，WLAN接收机将不能正常工作。根据图3所示的数据，WLAN系统的最大接收范围是52.8802 m。
3.3　UWB信号干扰下，WLAN系统性能仿真
下面是存在UWB系统干扰时，WLAN系统的性能参数的仿真。仿真结果如图4所示。

 

图4　kagg取0.04，0.2，0.5三个不同值时，信噪比与距离的关系

图4给出了集合因子kagg取值分别为0.04，0.2，0.5时，WLAN系统接收信号的信噪比随WLAN接收机的接收范围的变化规律。从图中可以看出，随着接收范围的增大，接收到的信噪比不断减小，系统的性能下降。当存在UWB通信系统干扰时，其对WLAN系统接收到的信号信噪比的影响有时到了十分严重的地步。例如，当kagg=0.5，Rmin分取1 m，2 m时，当接收范围为30 m时，有UWB通信系统干扰的WLAN系统接收信噪比比不存在UWB通信系统干扰时减少了5 dBm，4 dBm，下降比例为33%，27%。这个影响是WLAN系统不能接受的。但是，当最小距离取5 m，10 m时，当接收范围为30 m时，有UWB通信系统干扰的WLAN系统接收信噪比比不存在UWB通信系统干扰时只减少了2 dBm，0.5 dBm，下降比例为13%，3%，这个影响是可以被WLAN系统接受的。
由上述的仿真结果及分析可以看出：
（1）无UWB信号的情况下，当范围超过52 m左右时，WLAN系统将不能正常工作。
（2）当存在UWB通信系统干扰时，WLAN系统性能将受到不同程度的影响。
（3）当存在较近距离的UWB通信系统干扰时，其对WLAN系统接收到的信号信噪比的影响有时到了十分严重的地步。
（4）随着集合因子的增大，WLAN系统性能衰减剧烈，集合因子较大时，WLAN系统受到来自UWB的干扰将使二者的兼容性难以实现。
4、结束语
UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、有低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，有着很好的应用前景。但是由于UWB系统在频域上范围极宽，容易对其他系统造成干扰。要想使UWB技术得到广泛的应用，实现UWB通信系统与其他现有通信系统的兼容是十分重要的，尤其是与WLAN这样的具有市场潜力的已广泛应用的成熟技术。
本文在一个UWB和WLAN通信系统间的兼容性模型的基础上，对WLAN通信系统的性能参数给出仿真和分析，为下一步系统电磁兼容设计打好基础。