超寬帶及其在無線個域網(wǎng)中的應用

摘　要  近年來，超寬帶（UWB）無線通信成為短距離、高速無線網(wǎng)絡(luò)最熱門的物理層技術(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)在無線多媒體個域網(wǎng)中的應用。

1、引言

隨著移動通信十幾年來的蓬勃發(fā)展及2G、WLAN等技術(shù)的商業(yè)應用，無線技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的一部分。近年來，短距離寬帶無線接入技術(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線通信技術(shù)。

自從2002年FCC通過對民用領(lǐng)域開放的規(guī)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)勢能滿足無線發(fā)展要求，給現(xiàn)有的無線傳輸技術(shù)帶來強大的沖擊。特別是傳統(tǒng)的采用脈沖無線電的超寬帶技術(shù)，起初也被稱為無線載波通信，它是一種不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù)，也不同于3G蜂窩網(wǎng)中的擴頻寬帶技術(shù)，直接對ns級的脈沖進行調(diào)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)點都源于此。

2、UWB的發(fā)展概況

無線通信經(jīng)歷寬帶、窄帶到寬帶的發(fā)展過程。UWB最早的起源可追溯到1個多世紀以前，馬可尼采用火花隙作為載波進行人類最早的無線通信�；鸹ㄏ秾嶋H上就是帶寬很寬的極窄脈沖，而真正現(xiàn)代意義上的超寬帶無線技術(shù)，最初又被稱為沖激無線電（Impulse Radio）技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀60年代。當時主要是美國軍方用于雷達偵測和無線保密通信研究，采用跳頻擴頻技術(shù)。到了20世紀90年代，美國南加州大學通信科學研究所論證了采用沖激脈沖進行跳時調(diào)制的多址技術(shù)，從而開辟了將沖激脈沖作為無線電通信載波的新途徑。發(fā)展到1998年，F(xiàn)CC開始征集UWB通信技術(shù)在民用通信中的意見，并于2002年2月14日批準了把3.1～10.6GHz之間的頻帶免授權(quán)分配給民用UWB使用的法規(guī)，從而拉開了企業(yè)界和研發(fā)機構(gòu)競相研發(fā)UWB的序幕。2002年5月召開了關(guān)于UWB的第1次全球會議。2003年，Motorola子公司生產(chǎn)出實用的UWB收發(fā)設(shè)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(shù)字高清晰電視。目前，在國際上占主要地位的UWB設(shè)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

由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點：①系統(tǒng)容量大。香農(nóng)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的效應，這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。②高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB系統(tǒng)使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。③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。實驗表明，對常規(guī)無線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。④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(shè)備對于其他設(shè)備的干擾就非常低。⑤定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。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。⑥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)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。⑦低成本和低功耗。UWB無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器等，因而結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統(tǒng)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(zhàn)，還有諸多技術(shù)的問題有待研究解決，比如需要更好地理解UWB傳播信道的特點，建立信道模型，解決多徑傳播；需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù)；研究新的調(diào)制技術(shù)，進一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復雜度等。

4、UWB在無線多媒體個域網(wǎng)中的應用

UWB無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在100Mbit/s以上）時，傳輸距離較近，一般在10～20m左右；進行較低速率無線通信和定位時，傳輸距離可更遠。UWB技術(shù)采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、成像或定位。與全球定位系統(tǒng)（GPS）相比，UWB技術(shù)的定位精確度更高，可以達到10～20cm的精度。正是憑借著短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢，UWB進入民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）上。在這樣一種小范圍內(nèi)進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設(shè)備以高速無線進行連接。根據(jù)超寬帶無線傳輸?shù)奶匦�，UWB技術(shù)可以應用于無線多媒體家域網(wǎng)、個域網(wǎng)、雷達定位和成像系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)，以及應用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測量等多個領(lǐng)域。在無線多媒體個域網(wǎng)中，各種數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要在小范圍內(nèi)組成自組織式的網(wǎng)絡(luò)，相互傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的寬帶網(wǎng)關(guān)接入英特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設(shè)備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設(shè)備，如數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機、MP3播放器、DVD播放器、數(shù)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(xiàn)有的其他無線通信技術(shù)相比，數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。UWB技術(shù)可以實現(xiàn)的速率超過1 Gbit/s，與有線的USB 2.0接口相當，遠遠高于無線局域網(wǎng)802.11b的11 Mbit/s，也比下一代無線局域網(wǎng)802.11a/g的54 Mbit/s高出近一個數(shù)量級。UWB通信的功耗較低，能更好地滿足使用電池的移動設(shè)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(quán)者很難截獲傳輸?shù)男畔�，因而安全性非常好。�?是一些典型的實時多媒體應用對不同無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。從表中可以看出，如果采用無線的方式來進行傳輸，只有UWB技術(shù)可以滿足各種應用的要求。

表1　多媒體應用的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求

表2為下載一些多媒體信息所需的時間。采用UWB技術(shù)，可以在合理的時間內(nèi)完成下載。隨著多媒體應用的發(fā)展，其內(nèi)容大小和所需傳輸速率還將不斷提高。因此，在目前的無線通信技術(shù)中，只有UWB技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。

表2　下載多媒體信息所需的時間

5、結(jié)束語

無線通信已經(jīng)迅速滲入到我們的生活之中，不斷增長的容量要求需要一種不對現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，而超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。在科研人員的努力下，不久的將來技術(shù)將會更加完善、更加有效地服務(wù)于人們的生活。