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射頻/無線  

可更有效利用有限頻譜的UWB競爭技術

上網時間: 2005年08月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:頻譜,認知無線電,通訊,影像分析,超寬頻,xMax  spectrum,cognitive radio,communication,image analysis,UWB,xMax 

鑒於對無線技術的需求持續升高,業界領導廠商正在看美國的無線電管制當局將如何解決RF頻譜不足這一令人煩惱的問題。近來,美國聯邦通訊委員會決定緩解這種壓力,它向商業應用額外開放了一部份授權頻譜,主要是在更高的微波頻率區域。

通常,業界總比管制部門先行一步。近些年來,兩個關鍵領域(即認知無線電和RF頻譜多用途技術)的發展已經提高了頻譜效率,並激勵工程師們推動這些技術更上一層樓。

認知無線電(CR)技術根據其工作環境的即時條件來調整頻譜的使用。在這個概念相對簡單的過程中,網路將確認用戶需要哪些服務,識別哪些用戶工作在最佳環境中,進而設定最有效的數據傳輸方案以滿足這些用戶的要求(如圖1所示)。

透過有意和連續地應用這種過程,CR技術可以顯著提高頻譜的利用率,並成為目前許多無線標準的基礎。W-CDMA高速下行封包接入(HSDPA)、3G行動無線技術和CDMA1x EvDO都利用一種認知調變過程,試圖從有限的頻譜獲得最高的吞吐量。然而,行動無線不是採用自適應或認知調變過程的唯一領域。WLAN技術(802.11a)和固定無線(Flash-OFDM)也使用類似的過程來提高整體頻譜利用率。

頻譜多用途技術

現有認知無線電技術的局限性在於競爭某通道吞吐量的用戶不能同時收到服務。頻譜多用途技術試圖解決這個難題。

RF頻譜多用途的概念是指挖掘利用頻譜的‘灰色區域’或專用頻譜未使用的區域,這與目前美國FCC所採用的單用途頻譜分配方案有明顯的不同。AM和FM無線廣播、呼叫服務和蜂巢式服務都使用FCC為特定用途所分配的RF頻頻譜。然而,如果技術進步使得專為一個FM無線電台分配的頻譜可同時向一個小城市提供寬頻無線服務,並且不降低FM廣播的品質,那麼無線部署的可能性將呈指數式成長。

具有低功率發射特性的超寬頻(UWB)朝著正確方向邁出了一步。然而,UWB的邊帶發射不是完全免干擾的,所以需要採用更高的頻譜(從3GHz到10GHz),而這個頻譜範圍具有有限的傳播特性。

xMax解決方案

一種調變技術可以潛在地應對這個挑戰。這種名為xMax的RF調變方案是一種把窄頻載波系統的概念和允許同時頻譜再使用的低功耗寬頻脈衝定位調變(PPM)結合在一起的混合技術。

圖1.認知調變過程。

雖然以前的方案試圖把盡可能多的功率行動到邊帶並盡可能多地將其從載波訊號中移開,xMax解決方案所做的正好相反,它把大部份功率放進載波訊號以使邊帶能量發射可以忽略不計。xMax調變由一個RF頻譜利用圖來表徵,其中相鄰的通道溢出迄今為止低於可探測到的程度,因而對附近的用戶沒有影響。

載波訊號與資訊關聯在一起以加強接收性能。透過採用載波訊號來同步發射器和接收器,相對較弱的資訊脈衝的復原得到簡化。與UWB相比,xMax需要較少的功率,因為UWB必須把定時功能融入到該訊號承載的資訊之中,這自然增加了功耗。

小波帶通濾波器(WPF)是xMax系統的關鍵。這個元件允許接收器從接收到的訊號中提取相對較弱的資訊脈衝,與此同時衰減來自鄰近邊帶中舊有和相鄰用戶的窄頻干擾和噪音。由於獨立的RF周期調變,WPF採用該訊號的峰值功率,而不是平均功率,來提取資訊脈衝。獨立RF周期調變的另一個優點是幾乎所有功率都出現在載波訊號中,從而使平均功率頻譜密度明顯低於FCC強制的UWB功率頻譜密度。

載波本身佔用的頻寬很少,而資訊承載訊號遍佈在最大為100MHz的邊帶上,使得它看起來是一個UWB系統。然而,功率頻譜在鄰近頻帶上是如此之低,以致於那個頻頻譜的舊有用戶將只受到極小或微不足道的干擾。這些特性使得窄頻條(6KHz語音通道)用於載波成為可能,並可在該通道的任何一側使用高達50MHz的頻譜而不會對相鄰頻帶用戶造成干擾。因為xMax邊帶發射能量低於基本噪音,所以舊有用戶可以繼續正常作業,同時xMax提供第二個資訊承載訊號,從而允許頻譜再使用。

UWB vs.xMax

與一個UWB網路相比,一個基於xMax的系統具有多項優勢。首先,UWB發射需要幾個GHz的頻譜,而xMax的‘窄頻’版只需要幾MHz數量階的邊帶。xMax的載波同步本性也使它優於UWB,後者使用上千個脈衝來代表一個符號。

UWB常常被設計成一種用於3.1到10.6GHz範圍以及更高頻帶(24GHz)上的PAN技術,這導致潛在的高發射密度。如果考慮散射到鄰近頻帶的能量,那麼干擾累計的概率是很高的。對比之下,xMax被設計成一種WAN技術,它導致一個較低的發射密度和更低的干擾可能性。FCC的規則禁止UWB應用採用低於3.1GHz頻帶的頻譜,而xMax設計用於低於GHz的頻譜。

最後一點,xMax是一種更有效、更靈活的系統,它需要的寬頻數據傳輸頻帶只有6MHz,而且可以跳頻到空閑頻頻譜。正如前面所述,xMax訊號是載波同步的,這使得探測更容易。另一方面,UWB不使用載波,所以定時必須嵌入在資訊之中,這需要大量的鄰近頻譜。請注意:當採用同等解析度頻寬進行測量時,UWB需要更高的訊號功率。

這樣一個系統的應用是很廣泛的,尤其是當用在固定無線系統時。借助xMax,供應商可以向商業和家庭用戶提供高數據傳輸率。透過採用更低的頻率頻譜,系統可以獲得更遠的訊號距離和更好的訊號穿透率。其結果是,供應商不必建設那麼多接入點或發射塔。例如,高通公司最近為它所提出的700MHz頻帶處的‘媒體廣播’服務購買了全國範圍的許可,以提供單向的高品質視訊和音訊。該公司表示,這個頻譜允許一個全國範圍的網路所用的發射塔數量只是蜂巢式和更高頻率系統的30到50分之一。xMax原型系統使用一個窄頻VHF尋呼通道,可提供更遠的覆蓋距離。

作者: Joseph Bobier


營運總裁


xG Technology公司


Stuart Schwartz


教授


普林斯頓大學





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