超寬帶無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用

摘要　隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高速短距離無(wú)線通信的要求越來(lái)越高。超寬帶（UWB）技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)超帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸。其調(diào)制方式和多址技術(shù)的特點(diǎn)使得它具有其他無(wú)線通信技術(shù)所無(wú)法具有的很寬的帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸、功耗低、安全性能高等特點(diǎn)。本文介紹了UWB的主要技術(shù)特點(diǎn)，并把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行了比較，最后對(duì)UWB的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與展望。

1、引言

無(wú)線通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最迅速、最具活力的技術(shù)領(lǐng)域之一，在這個(gè)領(lǐng)域中，各種新技術(shù)、新方法層出不窮。其中，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)是在20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來(lái)的一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o(wú)線通信技術(shù)，被列為未來(lái)通信的十大技術(shù)之一。

1990年3月，在美國(guó)新墨西哥州的Los Alamo國(guó)家實(shí)驗(yàn)室召開(kāi)的超寬帶雷達(dá)會(huì)議上提出了“超寬帶（UWB）雷達(dá)”的概念。超寬帶雷達(dá)是一種新體制的雷達(dá)，它定義為：分?jǐn)?shù)帶寬（FBW，F(xiàn)ractional Band-Width）大于25%的雷達(dá)為超寬帶雷達(dá)。

式（1）中f1和fh由能量帶寬定義給出。如果該波形的絕大部分能量（一般大于90%）都落入由這兩個(gè)頻率作為上下界的頻段范圍內(nèi)，則稱fh-f1為能量帶寬。

2、超寬帶性能特點(diǎn)

UWB是一種“特立獨(dú)行”的無(wú)線通信技術(shù)，它將會(huì)為無(wú)線局域網(wǎng)LAN和個(gè)人局域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來(lái)低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信技術(shù)。UWB具有以下特點(diǎn)：

2.1　抗干擾性能強(qiáng)

UWB信號(hào)，在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能量還原出來(lái)，在解擴(kuò)過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。表1給出了目前幾種主要的無(wú)線通信技術(shù)的主要性能指標(biāo)參數(shù)。

表1　UWB與其他無(wú)線通信技術(shù)的比較

2.2　傳輸速率高

UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高于藍(lán)牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

2.3　帶寬極寬

UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達(dá)幾吉赫茲，并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開(kāi)辟了一種新的時(shí)域無(wú)線電資源。

2.4　頻譜利用率高，系統(tǒng)容量大

因?yàn)椴恍枰�產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，可以直接發(fā)射沖激序列，因而UWB系統(tǒng)具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，從而提高頻譜利用率，帶來(lái)了極大的系統(tǒng)容量。

2.5　發(fā)射功率低

由于UWB系統(tǒng)信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾千米的通信。

2.6　保密性好

UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低。用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收。

3、UWB系統(tǒng)方案及一些技術(shù)問(wèn)題

3.1　單頻帶系統(tǒng)

單頻帶系統(tǒng)僅使用單一的成形脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其信號(hào)帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強(qiáng)。但由于信號(hào)的時(shí)間彌散嚴(yán)重，接收機(jī)的復(fù)雜度較高。此外，為解決共存性問(wèn)題，避免與帶內(nèi)窄帶系統(tǒng)的干擾，該系統(tǒng)采用的濾波器也是比較復(fù)雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經(jīng)過(guò)DS-CDMA擴(kuò)頻之后的信號(hào)再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。傳統(tǒng)的無(wú)載波UWB方案存在較多低頻分量，無(wú)法滿足FCC規(guī)定的發(fā)射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過(guò)頻譜搬移解決了這一難題。

3.2　多頻帶系統(tǒng)

多頻帶系統(tǒng)是指將規(guī)劃UWB的整個(gè)頻段劃分成若干個(gè)子帶。使用部分或全部子帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)成形和數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成通過(guò)射頻載波搬移到不同子帶，避開(kāi)傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)使用頻段。多頻帶系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制方式分為多帶脈沖無(wú)線電和多帶正交頻分復(fù)用兩種方式。其多址問(wèn)題采用跳頻技術(shù)來(lái)解決。相對(duì)于符號(hào)速率又可分為快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多頻帶聯(lián)盟提議將UWB頻帶分為最少三個(gè)頻段。并采用正交頻分復(fù)用（OFDM）方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。

從技術(shù)上來(lái)講，MBOA和DS-CDMA是無(wú)法彼此妥協(xié)的。對(duì)無(wú)線電頻率管理來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)基本的原則：一是新的無(wú)線電技術(shù)不得對(duì)已有的無(wú)線電臺(tái)（系統(tǒng)）造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護(hù)要求，即要能忍受已有無(wú)線電臺(tái)的各種干擾。DS-CAMA因?yàn)槭褂谜麄�(gè)3.1～10.6GHz頻段，包括傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個(gè)頻率子帶可以很方便地避開(kāi)這些頻率。

3.3　UWB硬件系統(tǒng)

同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，UWB收劫言機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，圖1給出了UWB發(fā)射和接收機(jī)的系統(tǒng)框圖。在UWB收發(fā)信機(jī)中，信息可被不同技術(shù)調(diào)制，在接收端，天線收集信號(hào)能量經(jīng)放大后通過(guò)相關(guān)接收后處理，再經(jīng)門(mén)限檢測(cè)后獲得原來(lái)信息。相對(duì)于超外差式接收機(jī)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有本振、功放、PLL（鎖相環(huán)）、VCO（壓控振蕩器）、混頻器等，成本低，而且UWB接收機(jī)可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，采用軟件無(wú)線電技術(shù)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率、功耗等。

圖1　UWB發(fā)射和接收機(jī)系統(tǒng)框圖

4、UWB技術(shù)的應(yīng)用

由于UWB通信利用了一個(gè)相當(dāng)寬的帶寬，就好像使用了整個(gè)頻譜，并且它能夠與其他的應(yīng)用共存，因此UWB可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如個(gè)域網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)、射頻標(biāo)識(shí)、成像應(yīng)用。

4.1　UWB在個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用

UWB可以在限定的范圍內(nèi)（比如4m）以很高的數(shù)據(jù)速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍(lán)牙好很多。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率是1 Mbit/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無(wú)線外設(shè)訪問(wèn)來(lái)傳輸照片、文件、視頻。因此UWB特別適合于個(gè)域網(wǎng)。通過(guò)UWB，可以在家里和辦公室里方便地以無(wú)線的方式將視頻攝像機(jī)中的內(nèi)容下載到PC中進(jìn)行編輯，然后送到TV中瀏覽，輕松地以無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、手機(jī)與PC數(shù)據(jù)同步、裝載游戲和音頻/視頻文件到PDA、音頻文件在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。

4.2　UWB在智能交通信息中的應(yīng)用

利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達(dá)。裝載了這種雷達(dá)的汽車會(huì)非常容易駕駛。當(dāng)汽車的前方、后方、旁邊有障礙物時(shí)，該雷達(dá)會(huì)提醒司機(jī)。在停車的時(shí)候，這種基于UWB的雷達(dá)是司機(jī)強(qiáng)有力的助手。利用UWB可還以建立智能交通管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)應(yīng)該由若干個(gè)站臺(tái)裝置和一些車載裝置組成無(wú)線通信網(wǎng)，兩種裝置之間通過(guò)UWB進(jìn)行通信完成各種功能。例如，實(shí)現(xiàn)不停車的自動(dòng)收費(fèi)、汽車方的隨時(shí)定位測(cè)量、道路信息和行駛建議的隨時(shí)獲取、站臺(tái)方對(duì)移動(dòng)汽車的定位搜索和速度測(cè)量等。

4.3　傳感器聯(lián)網(wǎng)

利用UWB低成本、低功耗的特點(diǎn)，可以將UWB用于無(wú)線傳感網(wǎng)。在大多數(shù)的應(yīng)用中，傳感器被用在特定的局域場(chǎng)所。傳感器通過(guò)無(wú)線的方式而不是有線的方式傳輸數(shù)據(jù)將特別方便。作為無(wú)線傳感網(wǎng)的通信技術(shù)，它必須是低成本的；同時(shí)它應(yīng)該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無(wú)線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的最合適候選者。

4.4　成像應(yīng)用

由于UWB具有好的穿透墻、樓層的能力，UWB可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)。利用UWB技術(shù)，可以制造穿墻雷達(dá)、穿地雷達(dá)。穿墻雷達(dá)可以用在戰(zhàn)場(chǎng)上和警察的防暴行動(dòng)中，定位墻后和角落的敵人；地面穿透雷達(dá)可以用來(lái)探測(cè)礦產(chǎn)，在地震或其他災(zāi)難后搜尋幸存者�；�于UWB的成像系統(tǒng)也可以用于避免使用X射線的醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。

由于UWB有著很多優(yōu)點(diǎn)，它還可以用于智能標(biāo)識(shí)、有線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線延伸以及在軍事方面用來(lái)實(shí)現(xiàn)超保密的通信系統(tǒng)。

5、結(jié)束語(yǔ)

超寬帶技術(shù)的采用對(duì)于解決當(dāng)今在通信領(lǐng)域中的容量與有限的頻譜資源分配等問(wèn)題提供了一條有效的途徑。在業(yè)界的推動(dòng)下。UWB技術(shù)將日臻成熟，目前，已經(jīng)有一些公司推出了UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品�？梢灶A(yù)料UWB技術(shù)將在未來(lái)高速信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用。