UWB與WLAN系統間兼容性分析
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前言
超寬帶（UWB：Ultra-wideband）通信技術是近來無線通信的新熱點，它性能優良，具有廣闊的應用前景。但是，UWB通信系統的發展必須以與其他系統有良好的兼容性為前提。在UWB通信系統的設計中，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通信系統對其他系統造成極大的干擾，影響了其他系統的正常使用，那么，勢必會使UWB系統的發展受到很大的限制和阻礙。所以，UWB通信系統與其他系統的兼容性問題是整個UWB通信系統設計中一個重要的環節。
主要研究UWB系統與WLAN系統之間的兼容性，在已建立的兼容性模型的基礎上，對系統的性能參數進行仿真，并運用這些參數指標，對WLAN系統與UWB通信系統的兼容性做出一些預測。
1、UWB系統概述
與常見的通信方式使用連續的載波不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間，最大數據傳輸速率可以達到幾百Mbit/s。在高速通信的同時，UWB設備的發射功率卻很小，對于普通的非UWB接收機來說近似于噪聲。按照FCC的規定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為民用UWB所用。FCC關于UWB設備發射功率的限制分為室內標準和室外兩種標準，如圖1所示。
圖1 FCC關于UWB設備發射功率的限制
UWB技術具有系統結構易實現、傳輸速率高、低功耗、抗多徑干擾、安全保密性好等優點，有很好的應用前景。但是由于UWB系統信號脈沖極窄，其在頻域上范圍極寬。常常與其他系統共享頻段。而且，UWB系統是一種未授權的應用，在頻譜上得不到保護。要想使UWB技術得到廣泛的應用，實現UWB通信系統與其他現有通信系統的兼容是十分重要的，即UWB通信系統的存在不會對其他現有通信系統造成顯著的干擾，不會使其他現有通信系統的性能急劇下降。
2、UWB通信系統與WLAN系統間共存分析
2.1系統共存模型
UWB系統信號頻域范圍極寬，它與WLAN系統（IEEE802.11a）在5.15～5.825GHz頻段上是共享的。本文研究UWB系統與WLAN系統間共存正是基于這樣的系統模型：以WLAN系統設備為中心，在以rmin為半徑的范圍內，不存在UWB系統設備，在以Rr為半徑的范圍以外，接收機接收到的WLAN信號可以忽略。rmin是UWB通信設備到WLAN接收機的最小距離；Rr是無UWB信號干擾下WLAN接收機最大的接收范圍。
2.2仿真數學模型
本文的仿真基于文獻[4]中的數學模型。
WLAN接收機接收到的UWB系統設備總的干擾功率可表示為：
（1） 其中
（2） kagg為集合因子，綜合了環境的影響；PUWB為一個UWB系統用戶的發射功率；P為UWB用戶的單位密度；λ為中心頻率對應的波長；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，rmin是UWB通信設備到WLAN接收機的最小距離；dmin表示拐點。
2.2.1無UWB信號的WLAN系統的信噪比數學模型
在沒有UWB信號干擾的情況下，WLAN系統的信噪比表示為：
（3） 其中，PT是在接入點得到的發射功率。
2.2.2存在UWB信號干擾的信噪比數學模型
UWB技術采用短脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續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幾GHz，而其設備的發射功率卻很小。因此，對于普通的非UWB接收機來說近似于噪聲。接收機接收到的總噪聲，它由以下幾部分組成：
N=No+NF+LIMP（4）
No是熱噪聲；NL是接收機噪聲；LIMP是接收機數字在處理過程中引入的噪聲。
在UWB-WLAN共存的模型中，WLAN系統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射功率；Const是路徑損耗，它是距離的函數。
圖2形象地表示了WLAN系統接收端信號的信噪比SNRmin
圖2 WLAN系統接收端信號的信噪比SNRmin
3、仿真結果與分析
3.1無UWB信號干擾的情況下，WLAN系統性能仿真
為了研究UWB系統對WLAN系統造成的干擾，這里首先對沒有UWB系統的情況下，WLAN系統的性能參數做了仿真。仿真結果如圖3所示。
圖3 最小信噪比與距離的關系
圖3給出了無UWB系統信號的情況下，WLAN系統接收信號的信噪比與WLAN接收機最大接收范圍之間的變化規律。根據IEEE的規定，WLAN系統信噪比低于5dBm將視為不可接收，由此可以得到WLAN接收機最大接收范圍，表示為Range。從圖3中可以看出，當WLAN接收機最大的接收范圍從0.1m增加到60m時，WLAN系統接收到的信噪比從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，系統的性能下降。根據IEEE802.11a標準所示，WLAN系統的最小信噪比為5 dBm。到接收到的信號信噪比低于5 dBm時，WLAN接收機將不能正常工作。根據圖3所示的數據，WLAN系統的最大接收范圍是52.8802 m。
3.3UWB信號干擾下，WLAN系統性能仿真
下面是存在UWB系統干擾時，WLAN系統的性能參數的仿真。仿真結果如圖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系統接收信號的信噪比隨WLAN接收機的接收范圍的變化規律。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，系統的性能下降。當存在UWB通信系統干擾時，其對WLAN系統接收到的信號信噪比的影響有時到了十分嚴重的地步。例如，當kagg=0.5，Rmin分取1m，2m時，當接收范圍為30m時，有UWB通信系統干擾的WLAN系統接收信噪比比不存在UWB通信系統干擾時減少了5 dBm，4 dBm，下降比例為33%，27%。這個影響是WLAN系統不能接受的。但是，當最小距離取5 m，10 m時，當接收范圍為30 m時，有UWB通信系統干擾的WLAN系統接收信噪比比不存在UWB通信系統干擾時只減少了2 dBm，0.5 dBm，下降比例為13%，3%，這個影響是可以被WLAN系統接受的。
由上述的仿真結果及分析可以看出：
（1）無UWB信號的情況下，當范圍超過52m左右時，WLAN系統將不能正常工作。
（2）當存在UWB通信系統干擾時，WLAN系統性能將受到不同程度的影響。
（3）當存在較近距離的UWB通信系統干擾時，其對WLAN系統接收到的信號信噪比的影響有時到了十分嚴重的地步。
（4）隨著集合因子的增大，WLAN系統性能衰減劇烈，集合因子較大時，WLAN系統受到來自UWB的干擾將使二者的兼容性難以實現。
4、結束語
UWB是一種高速而又低功耗的數據通信方式，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、有低截獲能力、系統復雜度低、能提供數厘米的定位精度等優點，有著很好的應用前景。但是由于UWB系統在頻域上范圍極寬，容易對其他系統造成干擾。要想使UWB技術得到廣泛的應用，實現UWB通信系統與其他現有通信系統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用的成熟技術。
本文在一個UWB和WLAN通信系統間的兼容性模型的基礎上，對WLAN通信系統的性能參數給出仿真和分析，為下一步系統電磁兼容設計打好基礎。
參考文獻
1JohnG.Proakis[美]，《數字通信（第三版）》，電子工業出版社，1988.
2RayHorak[美].《通訊系統與網絡》.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的干擾分析，系統仿真學報，Vol.16No.12Dec.2004.
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