超寬帶無線通信及其兩大標準

摘要　主要介紹了超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)的基本概念、技術(shù)演化、主要特點和其他短距離無線通信技術(shù)性能的比較。本文也分析比較了UWB的兩大技術(shù)標準（DS-CDMA和MB-OFDM），并對其當前的應用和未來的發(fā)展做了相關的論述。

關鍵詞　超寬帶　MBOA　MB-OFDM　DS-CDMA

1、引言

　　UWB（Ultra-Wide Bandwidth，超寬帶）脈沖無線電技術(shù)是近年來在國際上新興的一種無線通信技術(shù)。一般的通信系統(tǒng)通過發(fā)送射頻載波進行信號調(diào)制，而UWB通信系統(tǒng)則不同，它不采用載波，而是利用納秒級的窄脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)。

　　美國市場研究機構(gòu)ABI在其最近的一個報告中指出，未來幾年，超寬帶無線技術(shù)可能在多個應用領域擴大其市場份額，特別是家庭和消費網(wǎng)絡設備中的無線視頻、音頻和數(shù)據(jù)應用。

2、超寬帶技術(shù)

　　UWB技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀60年代時域電磁學的研究中，用于通過沖激響應完整地描述某一類微波網(wǎng)絡的瞬時特性。1972年，一種高靈敏的短脈沖接收設備研制成功，進一步加速了UWB技術(shù)的研究進展。直到1989年，超寬帶（UWB）這一術(shù)語才為美國國防部（DARPA）啟用。在此之前，這項技術(shù)常被稱為基帶無載波（baseband carrier-free）調(diào)制或沖激（impulse）無線電技術(shù)。2002年2月14日，這項無線技術(shù)首次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的批準用于民用通信，這一舉措有力的推動了UWB的發(fā)展。

　　2.1　超寬帶（UWB）的定義

　　超寬帶的定義隨著超寬帶的發(fā)展幾經(jīng)變化。2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）頒布了最新的UWB頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個信號在-10dB處的絕對帶寬大于0.5GHz或部分帶寬（fractional bandwidth）大于20%，并且滿足FCC功率譜密度限制要求的信號，則這個信號就是超寬帶信號。這是目前學術(shù)界和企業(yè)界均較為認可的定義。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權(quán)的頻段3.1～10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。部分帶寬定義為：

　　

　　其中fH和fL分別為發(fā)射天線輸出-10dB輻射點所對應的上下頻點。

　　從載波方面看，傳統(tǒng)的通信技術(shù)是把信號從基帶調(diào)制到載波上，而UWB技術(shù)是通過對具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖進行直接調(diào)制，從而具有吉赫茲量級的帶寬。由計算信道容量的Shannon公式（見下式）可知，信道的容量隨帶寬線性增加，隨信噪比的降低呈對數(shù)減小。這種關系說明，無線通信系統(tǒng)的容量可隨所占帶寬的增加、信噪比的降低而增加。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關傳播方面的重大難題，它開發(fā)了一個具有吉赫茲容量和最高空間容量的新無線信道。

　　Shannon信道容量公式：

　　
　　其中：

　　C=最大通道容量

　　B=通道的帶寬

　　S=信號功率

　　N=噪聲功率

　　2.2　超寬帶（UWB）的特點

　　（1）保密性好。UWB利用發(fā)送脈沖信號傳送數(shù)據(jù)。每秒可發(fā)送10億個代表0和1的脈沖信號，這些信號被分布在一個很寬的頻譜范圍內(nèi)，非常難被偵測到。在大多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，有用的信息完全掩藏在噪聲中，所以從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。

　�。�2）耗電量低。通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時要連續(xù)發(fā)射載波，因此要消耗電能。而UWB不使用載波，它的載體是占空比極低的窄脈沖，因此耗電量上以往系統(tǒng)的1%～10%。

　�。�3）傳輸速率高、輻射低。UWB是當今個人無線網(wǎng)領域最高速的接入方法，特別適合短距離（20m）通信技術(shù)。DS-UWB成品目前已經(jīng)達到110Mbit/s的傳送能力，并將在2006年有望達到1.6Gbit/s。UWB輻射極低，只有-41dBm/MHz。

　�。�4）抗干擾性能強。UWB采用跳時擴頻信號，在發(fā)射時脈沖信號將分布到寬闊的頻帶中，輸出功率極低。

　�。�5）UWB無線通信技術(shù)能夠在同一條光纜上快速、高容量的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號，可將網(wǎng)絡和電視等電器結(jié)合在一起，實現(xiàn)電器的“掌控”。

　�。�6）低成本。UWB技術(shù)無需進行射頻調(diào)治和解調(diào)，系統(tǒng)設計簡單，復雜性低，由此設備的成本低。

　　2.3　與其他短距離無線通信技術(shù)的比較

　　2.3.1　UWB與IEEE 802.11a

　　IEEE 802.11a是美國電氣和電子工程師學會（IEEE）為了改進其最初推出的無線標準IEEE 802.11而推出的無線局域網(wǎng)絡協(xié)議標準。IEEE 802.11a工作在5GHz頻帶，物理層速率可達54Mbit/s，傳輸層可達25Mbit/s。IEEE 802.11a用作無線局域網(wǎng)時的通信距離可以達到100m，而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信，這對UWB來說是個劣勢。但與UWB相比，IEEE 802.11a芯片價格昂貴、點對點連接很不經(jīng)濟。

　　2.3.2　UWB與HomeRF

　　HomeRF是由HomeRF工作組開發(fā)的，是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，在PC機和用戶電子設備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標準。作為無線技術(shù)方案，它代替了需要鋪設昂貴傳輸線的有線家庭網(wǎng)絡，為網(wǎng)絡中的設備，如筆記本電腦和Internet應用設備提供了漫游功能。HomeRF工作頻段是2.4GHz，支持數(shù)據(jù)和音頻。與UWB相比，HomeRF傳輸距離遠，但速率太低。

　　2.3.3　UWB與藍牙技術(shù)

　　藍牙（Bluetooth）技術(shù)是一種支持點對點或點對多點的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務的短距離無線通信技術(shù)。藍牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個藍牙設備可同時與7個其他的藍牙設備相連接。藍牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術(shù)，能夠抗信號衰落；工作于2.4GHz的ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調(diào)制方式，使設備變得更為簡單可靠；Bluetooth的每一個話音通道支持64kbit/s的同步話音，異步通道支持的最大速率為721kbit/s。

　　Bluetooth的通信速率通常在1Mbit/s以下，通信距離可以達到10m以上。而UWB的通信速率在幾百兆比特每秒，通信距離僅有幾米，因此二者的應用領域不盡相同。

　　總之，這些短距離無線通信技術(shù)各有其應用領域，表1比較了UWB與其他短距離無線通信技術(shù)的區(qū)別。

表1　UWB與幾種短距離無線通信技術(shù)的比較

UWB IEEE 802.11a HomeRF Bluetooth
頻率范圍 3.1～10.6GHz 5GHz 2.4GHz 2.4～2.4835GHz
傳輸速率 1Gbit/s 54Mbit/s 1～10Mbit/s 1Mbit/s
通信距離 ＜10m 10～100m 50m 10m
發(fā)射功率 ＜1mW ＞1W ＞1W 1～100mW
應用范圍 近距離多媒體 無線局域網(wǎng) 家庭語音和數(shù)據(jù)流 家庭和辦公室互連

3、UWB的兩大技術(shù)標準

　　2003年，在IEEE 802.15.3a工作組征集提案時，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復用（OFDM）、直接序列碼分多址（DS-CDMA）3種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復用方案融合，從而形成了多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩大方案。

　　UWB無線通信市場巨大，各大公司競相爭逐，主要存在兩大對立陣營：以美國TI、Intel等公司為首的MBOA（MB-OFDM聯(lián)盟）；以美國XtremeSpectrum、Freescale等為主的DS-CDMA聯(lián)盟。

　　超寬帶無線技術(shù)是采用DS-CDMA技術(shù)還是MB-OFDM技術(shù)體制，是當前UWB技術(shù)領域爭論的最為激烈的話題。下面將分別對這兩種體制介紹和比較。

　　3.1　MB-OFDM技術(shù)

　　MB-OFDM的核心是把頻段分成多個528MHz的子頻帶，每個子頻帶采用TFI-OFDM（時-頻交織正交頻率復用）方式，數(shù)據(jù)在每個子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)使用的是周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個子帶來實現(xiàn)帶寬的動態(tài)分配，增加了符號的時間。長符號時間的好處是抗ISI（符號間干擾）能力較強。但是這種性能的提高是以收發(fā)設備的復雜性為代價的，而且還要考慮子信道間干擾（ICI）的影響。MB-OFDM將在性能方面具有優(yōu)勢（初期速度高達480Mbit/s），而且由于OFDM技術(shù)使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會較遠。表2列出了MB-OFDM的主要技術(shù)參數(shù)。

表2　MB-OFDM主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù) MB-OFDM
頻帶數(shù)量 10（第一代為3）
頻帶帶寬 每個子頻帶528MHz
頻率范圍 1組：3.168～4.752GHz
2組：4.752～6.336GHz
3組：6.336～7.920GHz
4組：7.920～9.504GHz
5組：9.504～10.560GHz
調(diào)制方式 TFI-OFDM，QPSK
糾錯編碼 卷積碼
復用方式 TFI
鏈路余量 5.3dB/10m，110Mbit/s
10.0dB/4m，200Mbit/s
11.5dB/2m，480Mbit/s

　　3.2　DS-CDMA技術(shù)

　　DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出。DS-CDMA采用低頻段（3.1～5.15GHz），高頻段（5.825～10.6GHz）和雙頻帶（3.1～5.15GHz和5.825～10.60Hz）3種操作方式。低頻段方式提供28.5～400Mbit/s的傳輸速率，高頻段方式提供57～800Mbit/s的傳輸速率。

　　DS-CDMA在每個超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個碼片的DS-SS（直接序列擴頻）實現(xiàn)編碼增益，糾錯方式采用R-S碼和卷積碼。與MB-OFDM相比有較好的頻率利用率。表3列出了DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)。

表3　DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù) DS-CDMA
頻帶數(shù)量 2
頻帶帶寬 1.268～2.736GHz
頻率范圍 3.2～5.15GHz
5.825～10.6GHz
調(diào)制方式 BPSK，QPSK，DS-SS
糾錯編碼 RS碼，卷積碼
復用方式 CDMA
鏈路余量 6.7dB/10m，110Mbit
11.9dB/4m，200Mbit
1.7dB/2m，480Mbit

4、UWB通信標準的現(xiàn)狀

　　MB-OFDM和DS-CDMA都有各自的優(yōu)缺點。DS-CDMA技術(shù)是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個傳輸任務可共享整個頻帶的頻率，對現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶造成的干擾比較少，成本可以做得比較低、上市的時間較短，易于實現(xiàn)低功耗、低速數(shù)據(jù)流的無線傳輸，可實現(xiàn)更高速的無線數(shù)據(jù)傳輸，應用于媒體流及大量的數(shù)據(jù)傳輸；MB-OFDM技術(shù)是多頻帶方式，技術(shù)上易于實現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高，多個頻率子帶并列，可以避開某些頻帶，靈活配置，速率的擴展性好。

　　從2003年7月至今，國際電信聯(lián)盟（ITU）相繼為UWB標準問題召開過數(shù)次會議，但是都沒有獲得75%以上的贊成票，因此，UWB標準一直懸而未決。從技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的。從產(chǎn)品上來講，DS-CDMA在開始的時候走在了前面。它的樣品在2004年初的時候已經(jīng)展出，但之后的進展比較緩慢。而MBOA正迎頭趕上，它設計的芯片顯示它能以最高達480Mbit/s的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。相比較于DS-CDMA目前芯片在成本、體積和功耗上占有較大的優(yōu)勢。

5、結(jié)束語

　　UWB的短距離、高傳輸速率的特點使其必將在無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個人局域網(wǎng)（WPAN）有著廣闊的應用前景。它將取代USB和1394，連接個人電腦（PC）與外設等其他設備。UWB的應用將使通信變得更加方便。