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WiMedia共存問題解析-探討頻帶內干擾

上網時間: 2007年09月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:W-Mdeia  UWB  干擾 

就WiMedia共存而言,問題並不在於UWB是否會導致干擾;有相當程度的可能性,是所使用的建構模式與其它系統間存在著干擾。目前業界爭論的焦點,是這些所使用模式是否相關,以及針對這些干擾所實施的保護措施是否會對服務造成影響。

頻帶內共存

儘管WiMedia UWB系統的頻帶外發射可能造成的干擾微不足道,但其頻帶內(3~5GHz)的發射電平卻達-41.3dBm/MHz,值得進一步分析。通常有兩種系統可在此頻段中用來提供服務,首先是只有下行鏈路的系統(C頻段衛星、無線電天文衛星),這些系統只有接收,沒有本地的上行訊號。其次是收發器系統(寬頻固定無線接取或WiMax),這些系統同時具備來自中樞站的下行訊號,以及返回中樞站的本地上行訊號。

僅具備下行鏈路(接收)的系統,如C頻段衛星和無線電天文衛星,為共存提出了獨特的挑戰,因為目前尚未有有可行的方法能檢測接收器是否存在。

幸運的是,UWB所定義的功率電平非常低,因此可能產生的潛在干擾也很低;更重要的是,上述兩種系統都需要具有高度方向性的天線,這些天線必須指向天空,而且必須安裝在室外。由於全球無線電望遠鏡的數量很少(僅有幾百具),且其位置必須非常偏遠才能避免遠高於UWB的其它所有電磁干擾,因此,此處我們將主要考慮C頻段的電視接收。

C頻段衛星(即僅能接收電視,或稱TVRO)已經存在多年,通常使用3.7~4.2GHz頻率。儘管C頻段在某些地區依然盛行,但它正快速被Ku頻段(10.7~12.5GHz)所取代。Ku頻段使用更小的天線,通道容量更高,且使用頻段完全獨立於UWB。據美國衛星廣播與通訊協會(SBCA)統計,截至2005年12月,美國約有14.4萬C頻段用戶,而Dish Network和DirectTV等Ku頻段衛星系統用戶數則超過270萬戶。

C頻段衛星接收器通常使用拋物面碟形天線。這種天線寬約3.5公尺,波束寬度約1.5度,天線必須指向位於赤道上空、與地球同步旋轉的衛星。

研究顯示,由於這些外形尺寸上的約束,實際上是不可能耦合到C頻段接收器的旁瓣(backlobe);同時,在超過6公尺時,耦合到碟形天線/接收器前旁瓣的干擾就無法測試到了。由於這些天線非常龐大且位於室外,因此在實際使用UWB時,產生干擾的可能性是可以忽略的。

像位於3~5GHz頻段的WiMax收發器系統是分析干擾的一種有趣案例。WiMax系統(也稱為寬頻固定無線接取)類似於蜂巢式系統,在發射塔上有一個中樞站,用於與分散在蜂巢式周圍的用戶終端進行通訊。

因此,下行鏈路訊號在到達用戶終端時相對較弱,而在本地環境中,上行鏈路訊號非常強。上行-下行訊號可使用不同的頻率(頻分多工,FDD),或是使用相同的頻率,但時間不同(時分多工,TDD)。

儘管設計人員可以對WiMax上行訊號的影響進行詳細檢查,但干擾問題卻是一種鄰近效應。在UWB和WiMax可能相互影響的距離上,至少可以採用兩種解決方案:檢測和避免(DAA),以及協同共存。

在WiMax設備和UWB設備之間,若存在著若干公尺距離時,即可使用DAA解決方案。該方案的基礎構想是WiMedia UWB PHY可用來執行頻譜分析。

目前已經有許多針對此一議題的文章發表,這些技術論文認為可在合適的功率電平(高於-70dBm)檢測到WiMax訊號,而WiMedia PHY可將頻段降低,或在一個頻段內產生一個‘陷波’,其深度約15~20dB,更大深度的陷波目前正在研究中。

圖1展示了如何實現此一過程。圖中展示了DAA系統如何採樣3~5GHz的頻譜、計算每個WiMedia頻段的功率,並尋找到為該功率電平若干倍(本例為10倍)的能量作為閾值,這意味著可檢測到上行或下行的WiMax訊號。

圖1:在3,800MHz(頻段2)處具有陷波的DAA技術展示。
圖1:在3,800MHz(頻段2)處具有陷波的DAA技術展示。

當干擾功率超過這個閾值時,UWB系統將產生一個比觀察到的訊號更寬的陷波,以保護WiMax系統的接收器。很明顯,這種處理對於TDD系統來說相當有效,因為這種系統中的上行鏈路和下行鏈路共享相同的頻率。

從管理的角度來看,這些參數中有很多仍有待定義,因此這些早期的展示只能做為概念的說明。WiMedia將開發詳細的DAA操作規範,以滿足這些管理要求。

對於被放置在一起的WiMax和UWB設備來說,透過在時域內控制對無線媒介的存取,將能更有效地管理干擾。換言之,WiMax和UWB系統之間的仲裁可完全避免衝突的產生。

在IEEE 802.15.2和IEEE 802.19規格中,已針對Wi-Fi和藍牙之間的共存問題對這些技術進行過深入研究,相同的方法可直接用於WiMedia UWB和WiMax的共存。一般來說,這些時間仲裁技術,如在802.15.2中的封包流量仲裁(PTA)法,可透過分析兩種系統的流量來確定何者允許使用無線連接。

圖2所示的流量模型對這種概念進行了可視化闡述。在任何流量仲裁系統中,必須有一個規則來確定哪些封包被允許使用無線媒介;就像一個簡單的紅綠燈,兩個系統輪流允許流量通過,對應於UWB和WiMax之間的輪替,當一個系統在工作時,另外一個系統完全切斷,這種輪替依照週期性間隔進行。

圖2:用於共處系統流量仲裁的協同共存。
圖2:用於共處系統流量仲裁的協同共存。

這種方法非常有效,但卻限制了兩個系統的吞吐量。不過,也有更成熟的方法可使用,如PTA6。該方法檢查每個封包,並根據封包類型如信標、QoS、盡量傳送(best effort)等來確定哪個系統可以進行無線傳送,實現更好的最佳化。由於這些方法是針對放置在一起的系統所設計,因此由開發者可根據假設的使用模式來確定所要求的性能等級。

本文小結

本文的分析結果顯示,來自WiMedia UWB發射器的頻帶外發射,對諸如UMTS/WCDMA、Wi-Fi、藍牙和GPS以及蜂巢式系統等現有系統所產生的影響是微不足道的。

對於與WiMedia UWB共享3~5GHz頻段的現有系統來說,在絕大多數的使用模式下,UWB對這些系統的影響也很小;對於必須與UWB緊鄰工作的系統如WiMax而言,目前也有包括MAC層仲裁在內的多種技術可用來最佳化性能,實現更高等級的共存。

作者:Jim Lansford

技術長

Alereon公司




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