超寬帶及其在無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)中的應用

2007/08/31

　　近年來(lái)，超寬帶（UWB）無(wú)線(xiàn)通信成為短距離、高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最熱門(mén)的物理層技術(shù)之一。本文介紹了UWB的發(fā)展歷史并詳細歸納了技術(shù)特性，最后分析了該技術(shù)在無(wú)線(xiàn)多媒體個(gè)域網(wǎng)中的應用。

1、引言

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信十幾年來(lái)的蓬勃發(fā)展及2G、WLAN等技術(shù)的商業(yè)應用，無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為人們日常生活中必不可少的一部分。近年來(lái)，短距離寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)發(fā)展迅速，而其中的超寬帶（UWB，Ultra Wideband）技術(shù)是目前最受關(guān)注的一種短距離高速無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

　　自從2002年FCC通過(guò)對民用領(lǐng)域開(kāi)放的規范后，由于其超高的傳輸速度、超低的功率、低成本與超高的頻譜資源利用率等優(yōu)勢能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)發(fā)展要求，給現有的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)帶來(lái)強大的沖擊。特別是傳統的采用脈沖無(wú)線(xiàn)電的超寬帶技術(shù)，起初也被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)載波通信，它是一種不同于傳統的窄帶無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，也不同于3G蜂窩網(wǎng)中的擴頻寬帶技術(shù)，直接對ns級的脈沖進(jìn)行調制，從而產(chǎn)生高達幾吉赫茲的超寬帶信號，而超寬帶所有的優(yōu)點(diǎn)都源于此。

2、UWB的發(fā)展概況

　　無(wú)線(xiàn)通信經(jīng)歷寬帶、窄帶到寬帶的發(fā)展過(guò)程。UWB最早的起源可追溯到1個(gè)多世紀以前，馬可尼采用火花隙作為載波進(jìn)行人類(lèi)最早的無(wú)線(xiàn)通信。火花隙實(shí)際上就是帶寬很寬的極窄脈沖，而真正現代意義上的超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)，最初又被稱(chēng)為沖激無(wú)線(xiàn)電（Impulse Radio）技術(shù)，出現于20世紀60年代。當時(shí)主要是美國軍方用于雷達偵測和無(wú)線(xiàn)保密通信研究，采用跳頻擴頻技術(shù)。到了20世紀90年代，美國南加州大學(xué)通信科學(xué)研究所論證了采用沖激脈沖進(jìn)行跳時(shí)調制的多址技術(shù)，從而開(kāi)辟了將沖激脈沖作為無(wú)線(xiàn)電通信載波的新途徑。發(fā)展到1998年，FCC開(kāi)始征集UWB通信技術(shù)在民用通信中的意見(jiàn)，并于2002年2月14日批準了把3.1～10.6GHz之間的頻帶免授權分配給民用UWB使用的法規，從而拉開(kāi)了企業(yè)界和研發(fā)機構競相研發(fā)UWB的序幕。2002年5月召開(kāi)了關(guān)于UWB的第1次全球會(huì )議。2003年，Motorola子公司生產(chǎn)出實(shí)用的UWB收發(fā)設備，2004年8月獲得FCC批準，2004年4月，Intel展示的UWB傳輸速率高達480Mbit/s。2005年10月，中國海爾和Freescale半導體合作生產(chǎn)出了全球第1臺基于超寬帶商用產(chǎn)品——數字高清晰電視。目前，在國際上占主要地位的UWB設計方案主要包括直接序列CDMA-UWB方案和多載波OFDM-UWB方案，CDMA-UWB是基于脈沖的UWB方案，OFDM-UWB是基于多載波的UWB方案，采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息。

3、UWB技術(shù)特點(diǎn)

　　由于UWB與傳統通信系統相比工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：

　　系統容量大:香農公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠遠大于信號功率上升所帶來(lái)的效應，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無(wú)線(xiàn)電系統用戶(hù)數量大大高于3G系統。

　　高速的數據傳輸:UWB系統使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實(shí)現高的信息速率。一般情況下，其最大數據傳輸速度可以達到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。

　　多徑分辨能力強:UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實(shí)驗表明，對常規無(wú)線(xiàn)電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

　　隱蔽性好:因為UWB的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設備對于其他設備的干擾就非常低。

　　定位精確:沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線(xiàn)電通信，可在室內和地下進(jìn)行精確定位，而GPS定位系統只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。

　　抗干擾能力強:UWB擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴頻系統高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來(lái)說(shuō)，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

　　低成本和低功耗:UWB無(wú)線(xiàn)通信系統接收機沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器等，因而結構簡(jiǎn)單，設備成本將很低。由于UWB信號無(wú)需載波，而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數據，脈沖持續時(shí)間很短，一般在0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統只需要50～70mW的電源，是藍牙技術(shù)的十分之一。盡管如此，UWB在技術(shù)上面臨一定的挑戰，還有諸多技術(shù)的問(wèn)題有待研究解決，比如需要更好地理解UWB傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多徑傳播；需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù)；研究新的調制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)結構的復雜度等。

4、UWB在無(wú)線(xiàn)多媒體個(gè)域網(wǎng)中的應用

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的主要功能包括無(wú)線(xiàn)通信和定位功能。進(jìn)行高速無(wú)線(xiàn)通信（速率在100Mbit/s以上）時(shí)，傳輸距離較近，一般在10～20m左右；進(jìn)行較低速率無(wú)線(xiàn)通信和定位時(shí)，傳輸距離可更遠。UWB技術(shù)采用無(wú)載波脈沖方式時(shí)，具有較強的透視功能，可以穿透數層墻壁進(jìn)行通信、成像或定位。與全球定位系統（GPS）相比，UWB技術(shù)的定位精確度更高，可以達到10～20cm的精度。正是憑借著(zhù)短距離傳輸范圍內的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢，UWB進(jìn)入民用市場(chǎng)之初就將其應用定位在了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）和無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPAN）上。在這樣一種小范圍內進(jìn)行高速通信，可以使人們擺脫線(xiàn)纜的束縛，使各種設備以高速無(wú)線(xiàn)進(jìn)行連接。根據超寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸的特性，UWB技術(shù)可以應用于無(wú)線(xiàn)多媒體家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)、雷達定位和成像系統、智能交通系統，以及應用于軍事、公安、救援、醫療、測量等多個(gè)領(lǐng)域。在無(wú)線(xiàn)多媒體個(gè)域網(wǎng)中，各種數字多媒體設備根據需要在小范圍內組成自組織式的網(wǎng)絡(luò )，相互傳送多媒體數據，并可以通過(guò)安裝在家中的寬帶網(wǎng)關(guān)接入英特網(wǎng)。數字多媒體設備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數據等數字多媒體信息的設備，如數碼攝像機、數碼照相機、MP3播放器、DVD播放器、數字電視、臺式機、筆記本電腦、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機、各種智能家電、機頂盒等。

　　UWB技術(shù)與現有的其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，數據傳輸速率高、功耗低、安全性好。UWB技術(shù)可以實(shí)現的速率超過(guò)1 Gbit/s，與有線(xiàn)的USB 2.0接口相當，遠遠高于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802.11b的11 Mbit/s，也比下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802.11a/g的54 Mbit/s高出近一個(gè)數量級。UWB通信的功耗較低，能更好地滿(mǎn)足使用電池的移動(dòng)設備的要求。另外，UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等擴頻多址技術(shù)，使非授權者很難截獲傳輸的信息，因而安全性非常好。表1是一些典型的實(shí)時(shí)多媒體應用對不同無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的數據傳輸速率的要求。從表中可以看出，如果采用無(wú)線(xiàn)的方式來(lái)進(jìn)行傳輸，只有UWB技術(shù)可以滿(mǎn)足各種應用的要求。

　　表1　多媒體應用的數據傳輸速率的要求

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