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UWB与WLAN系统间兼容性分析

2019/04/25 来源:铁岭信息港

导读

摘要超宽带(UWB:Ultra-wideband)通讯技术性能,具有广阔的运用前景,越来越遭到人们的重视。UWB通讯系统的信号在频域上范

摘要超宽带(UWB:Ultra-wideband)通讯技术性能,具有广阔的运用前景,越来越遭到人们的重视。UWB通讯系统的信号在频域上范围极宽,FCC分配给UWB民用通讯的频段是3.1~10.6GHz,与无线局域(WLAN:wirelessLAN)系统(IEEE802.11a)同享了5.15~5.825GHz的频段。为使UWB技术得到广泛的运用,实现UWB通信系统与其他现有通讯系统的兼容是重要的。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通讯系统对WLAN系统的干扰,为UWB通信系统的设计提供了一定的参考。

前言

超宽带(UWB:Ultra-wideband)通信技术是近来无线通信的新热门,它性能,具有广阔的应用前景。但是,UWB通讯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通讯系统的设计中,必须同时考虑到电磁兼容的问题。倘若疏忽了这一点,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,必将会使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全部UWB通讯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通讯系统的兼容性做出一些预测。

1、UWB系统概述

与常见的通讯方式使用连续的载波不同,UWB采取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,数据传输速率可以到达几百Mbit/s。在高速通讯的同时,UWB设备的发射功率却很小,对普通的非UWB接收机来讲近似于噪声。依照FCC的规定,从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz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装备发射功率的限制

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,有很好的运用前景。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通讯系统与其他现有通讯系统的兼容是十分重要的,即UWB通讯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着落。

2、UWB通讯系统与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5.15~5.825GHz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系统装备为中心,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信号可以疏忽。rmin是UWB通讯装备到WLAN接收机的小距离;Rr是无UWB信号干扰下WLAN接收机的接收范围。

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系统装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2射线模型得出,决定于rmin、dmin两个参数,rmin是UWB通信装备到WLAN接收机的小距离;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技术采取短脉冲信号来传送信息,通常每个脉冲延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乃至高达几GHz,而其装备的发射功率却很小。因此,对普通的非UWB接收机来说近似于噪声。接收机接收到的总噪声,它由以下几部份组成:

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进程中引入的噪声。

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是路径消耗,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 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5dBm将视为不可接收,由此可以得到WLAN接收机接收范围,表示为Range。从图3中可以看出,当WLAN接收机的接收范围从0.1m增加到60m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,系统的性能着落。根据IEEE802.11a标准所示,WLAN系统的小信噪比为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系统的接收范围是52.8802 m。

3.3UWB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,系统的性能下落。当存在UWB通讯系统干扰时,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1m,2m时,当接收范围为30m时,有UWB通讯系统干扰的WLAN系统接收信噪比比不存在UWB通讯系统干扰时减少了5 dBm,4 dBm,着落比例为33%,27%。这个影响是WLAN系统不能接受的。但是,当小距离取5 m,10 m时,当接收范围为30 m时,有UWB通讯系统干扰的WLAN系统接收信噪比比不存在UWB通讯系统干扰时只减少了2 dBm,0.5 dBm,下落比例为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52m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通讯系统干扰时,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系统遭到来自UWB的干扰将使两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技术得到广泛的运用,实现UWB通讯系统与其他现有通讯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运用的成熟技术。

本文在一个UWB和WLAN通讯系统间的兼容性模型的基础上,对WLAN通讯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。

参考文献

oakis[美],《数字通信(第三版)》,电子工业出版社,1988.

2RayHorak[美].《通讯系统与络》.中国水利水电出版社,2003.

3赵静.超宽带脉冲信号对窄带通讯系统的干扰分析,系统仿真学报,Vol.16No.12Dec.2004.

4Wirelessaccesssystemsincluding RLANs,Document /TEMP/61.2004.

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