超寬帶(UWB)無(wú)線通信與未來(lái)應(yīng)用

UWB(Ultra Wideband)無(wú)線通信是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱(chēng)做脈沖無(wú)線電( Impulse Radio)、時(shí)域(Time Domain)或無(wú)載波(Carrier Free)通信。
與普通二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)信號(hào)波形相比，UWB方式不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制而發(fā)送許多小于1ns的脈沖，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。
不要說(shuō)BPSK等信號(hào)，即使與通常的擴(kuò)頻信號(hào)(2.4GHz頻段無(wú)線LAN的幾十MHz帶寬)相比，也是超寬帶寬(數(shù)GHz帶寬)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號(hào)(2.4GHz無(wú)線LAN低于10mW/MHz)，UWB信號(hào)也低得多(低于10nW/MHz)，在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。而且由于脈沖的時(shí)間寬度極小，故能把多路徑分得更小，能實(shí)現(xiàn)RAKE接收(匯集接收許多方向的電波)。不過(guò)，UWB采用大量由1ns以下脈沖(單周期)組成的基帶信息，因此當(dāng)多重接入(Multiple Access)時(shí)，與其它局的單周期沖突時(shí)將出錯(cuò)。這種沖突概率是左右誤碼率等系統(tǒng)性能的主要因素。

UWB特點(diǎn)
UWB的特點(diǎn)是不使用攜載信息信號(hào)的載波而代之以單周期的基帶信號(hào)進(jìn)行傳送。由于占用帶寬達(dá)數(shù)GHz，即使傳送路徑特性良好也會(huì)產(chǎn)生失真。但是，由于UWB采用非常寬的帶寬，它具有以下特點(diǎn)：
①可以把多路徑的時(shí)延分解到1ns以下，這樣就能充分抑制多路徑衰落的影響；
②利用高的路徑分解能力，可用UWB實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的高質(zhì)量近距離無(wú)線通信；
③衰落影響的降低，故發(fā)送功率很小即可；
④發(fā)送功率低的UWB中，功率譜密度非常小，故幾乎不對(duì)其它寬帶傳輸帶來(lái)影響。
UWB的物理特點(diǎn)：
①UWB信號(hào)
●單周期的脈沖序列
●不用余弦波的載波(也有使用廣義上的載波者)
●通常，脈沖時(shí)寬從微微秒到納秒
●典型的脈沖波形為高斯型
●脈沖重復(fù)周期通常間隔0.1秒
②UWB帶寬
●帶寬比=帶寬/中心頻率，通常在25%以上
帶寬比
●fc=2.4GHz,fh=3.0GHz,fl=1.8GHz時(shí)，帶寬比=50%,試與以往的通信方式比較：
AM：6.8KHz/530KHz=1.3%
cdmaOne:1.25MHz/800MHz=0.15%
W-CDMA:5MHz/2200MHz=0.23%
無(wú)線LAN(IEEE802.11)：22MHz/2450MHz=0.9%
③處理增益(PG)
UWB系統(tǒng)在占用同樣帶寬下具有與DS-CDMA系統(tǒng)同等程度的處理增益，故抗干擾能力強(qiáng)。
④通信容量
使用GHz級(jí)帶寬的UWB可以高可靠性實(shí)現(xiàn)超高速傳輸(后述)。
UWB在實(shí)用上的特點(diǎn)：
①功率譜密度極低(噪聲電平低于DC-SS)，對(duì)原有通信系統(tǒng)的干擾和被干擾小，可共存
②平均功率電平在1mW以下，可傳送數(shù)英里
③利用極短的脈沖(ns量級(jí))，具有高的路徑分解能力，有利于實(shí)現(xiàn)RAKE，并可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的高精度測(cè)距(數(shù)cm級(jí))。
④無(wú)載波，信號(hào)發(fā)射時(shí)間極短，可建立小型低功率的系統(tǒng)。
⑤占用非常寬的帶寬(GHz級(jí))，可實(shí)現(xiàn)大容量多路接入和超高速傳輸(<數(shù)百M(fèi)bps)
⑥能同時(shí)進(jìn)行通信與測(cè)距，可應(yīng)用于車(chē)輛間通信等。
采用這么寬的頻帶能實(shí)現(xiàn)高速傳送的道理可用仙農(nóng)引入的信道容量來(lái)說(shuō)明。無(wú)論有線或無(wú)線的情況，物理上能對(duì)所提供的每個(gè)信道進(jìn)行無(wú)誤傳送的最大傳輸速度，被定義為信道容量。特別地，在可傳輸?shù)念l段B受限，而有噪音產(chǎn)生誤碼的信道中，信道容量C由下式表示：

式中C=最大信道容量(bps),B=信道帶寬(Hz)，
P=信號(hào)功率(W)，N=噪音功率(W)
這就是說(shuō)，最大傳輸速度C大致與信道的帶寬B成正比，如提高信噪比，C就能增大。所以，像UWB這樣把帶寬B擴(kuò)展到GHz數(shù)量級(jí)，便能實(shí)現(xiàn)超高速傳輸。
至于信道中的誤碼，在通常的無(wú)線通信中并不僅是噪音，還有墻壁等障礙物的電波反射和折射等造成的多重傳播，即所謂多徑(Multi-path)造成信號(hào)間的干擾。而且在多個(gè)用戶接入無(wú)線信道，即所謂多重接入時(shí)，用戶間的脈沖在時(shí)間上沖突引起用戶間干擾，也會(huì)產(chǎn)生誤碼。為此，在UWB中，對(duì)各個(gè)用戶進(jìn)行時(shí)跳模式(TH)的分配，以盡可能避免脈沖在時(shí)間上的沖突。盡管如此，但他局脈沖與本局脈沖沖突的概率仍決定著系統(tǒng)的性能，因此，在傳輸速度一定的條件下，如能擴(kuò)大脈沖的間距，那么，UWB的系統(tǒng)性能會(huì)更好。
UWB技術(shù)更早是作為脈沖雷達(dá)來(lái)研究開(kāi)發(fā)的。用UWB信號(hào)測(cè)距的原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)所發(fā)送的脈沖碰到障礙物，計(jì)算收到其反射信號(hào)的時(shí)間，用電磁波的傳輸速度乘以該脈沖的往返時(shí)間，便能計(jì)算出往返的距離。
雖然UWB在過(guò)去已進(jìn)行了應(yīng)用開(kāi)發(fā)，但要商用化應(yīng)研究的課題尚多，大致有以下各點(diǎn)：
①在超寬頻段產(chǎn)生時(shí)間極短脈沖的電路、元件以及超寬頻段天線、高頻電路的制造；
②接收時(shí)每個(gè)脈沖位置的檢測(cè)精度；
③多徑環(huán)境下脈沖信號(hào)間的干擾；
④多用戶環(huán)境下脈沖沖突產(chǎn)生的用戶間的干擾(系統(tǒng)內(nèi)干擾)
⑤共用頻率(共存系統(tǒng))產(chǎn)生的系統(tǒng)間干擾；

UWB的應(yīng)用
近年來(lái)，對(duì)移動(dòng)信息通信系統(tǒng)的大容量、高可靠和高品質(zhì)化的要求普遍迅速增大，多種多樣的服務(wù)正在出現(xiàn)。在寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)已引入了寬帶CDMA的IMT2000及其下行寬帶流的HDR，在無(wú)線LAN中已開(kāi)發(fā)了2.4GHz頻段采用SS(擴(kuò)頻)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳頻)的藍(lán)牙，5.2GHz頻段采用OFDM(正交頻分復(fù)用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可說(shuō)是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。
這些方式都使用寬帶的調(diào)制方式，也能實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線傳輸。而不用載波、用占用非常寬的頻帶的脈沖信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)腢WB方式，由于高頻器件、信號(hào)處理技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)已增加了實(shí)現(xiàn)性，在領(lǐng)先研究者中對(duì)其理論的可行性極為關(guān)注。
充分利用UWB特點(diǎn)的應(yīng)用已在研究中。尤其是考慮到電波法對(duì)發(fā)送功率的限制等，在目前使用藍(lán)牙等技術(shù)的近距離無(wú)線市場(chǎng)中，可實(shí)現(xiàn)更高速的基帶無(wú)線通信，且具有傳感功能的UWB技術(shù)，一下子就受到了人們的關(guān)注?？煽紤]的主要應(yīng)用包括室內(nèi)通信、高速無(wú)線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無(wú)繩電話、安全檢測(cè)、位置測(cè)定、雷達(dá)等。尤其是可考慮以下應(yīng)用：
1)通信
●數(shù)據(jù)速度：低速(幾十kbps)~超高速(數(shù)百M(fèi)bps)
●通信范圍：幾米(約5米)
●“第3代”藍(lán)牙發(fā)展或無(wú)線PAN(個(gè)人局域網(wǎng))
●IEEE802.15(無(wú)線PAN)
●把TG3(達(dá)到20Mbps)規(guī)范高速化
●家庭內(nèi)為主要的數(shù)據(jù)傳輸
●近距離100Mbps以上的無(wú)線傳輸
●無(wú)線USB2.0
●數(shù)據(jù)速率：480Mbps(USB2.0)
●美國(guó)XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技術(shù)方案
2)雷達(dá)、檢測(cè)器
●軍事用途
●警察及消防(穿墻檢測(cè)器等)
●高精度測(cè)距(防撞檢測(cè)器等)
UWB的應(yīng)用目標(biāo)如圖1所示，在100Mbps左右的高速無(wú)線系統(tǒng)中，功耗可比IEEE802.11a.b.g等大為降低，可應(yīng)用于電池驅(qū)動(dòng)的便攜式系統(tǒng)。

UWB的法制化
在對(duì)UWB商用化的關(guān)注中，電波法上的問(wèn)題已開(kāi)始打通。表1列出美國(guó)對(duì)UWB商用化的積極行動(dòng)。就2002年2月14日美國(guó)FCC認(rèn)可UWB商用問(wèn)題，各國(guó)都在進(jìn)行修改電波法等的研究。美國(guó)迄今的情況可歸納如下：
① 雖未準(zhǔn)許有組織的允許頻段外的發(fā)射但FCC已在準(zhǔn)許無(wú)執(zhí)照系統(tǒng)的UWB商用化方面進(jìn)行了研究。為此，必須放棄有關(guān)有組織發(fā)射的FCC Part15規(guī)定。
②目前的RF信道分配限制預(yù)料今后已不適用，另一方面FCC正在研究保護(hù)GPS等現(xiàn)有系統(tǒng)免受有害干擾的對(duì)策。表明在采用新規(guī)定之前要有充分的機(jī)會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)、分析。
③這些試驗(yàn)既對(duì)頻率資源的有效利用作用重大，也將成為正式引入商用UWB系統(tǒng)的巨大牽引力。
FCC關(guān)于UWB商用化的討論中，根本的問(wèn)題是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)的干擾問(wèn)題，研究的主要問(wèn)題如下：
應(yīng)避免UWB干擾的頻段
①基本要點(diǎn)
●在對(duì)UWB系統(tǒng)限制的同時(shí)也必需對(duì)噪音的限制制度化
●必須考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存，特別應(yīng)考慮對(duì)敏感系統(tǒng)的低功率干擾
●特別是對(duì)射電天文、GPS、UMTS、航空系統(tǒng)等是否禁止頻率共用，必須十二分地限制。
●受到限制的頻段有65個(gè)
②對(duì)GPS的干擾
●衛(wèi)星的地面接收信號(hào)功率大致為-134dBm(10~16W)
●典型的GPS接收靈敏度：-135dBm@1575.42MHz
●UWB信號(hào)引起的干擾在30~100m的近距離上將有問(wèn)題
●因此，必須嚴(yán)格限制UWB信號(hào)的頻段或改善具干擾抑制功能的UWB發(fā)射機(jī)。
③對(duì)射電天文的干擾
●射電天文由于靠來(lái)自宇宙的極其微弱的電信號(hào)觀測(cè)天文現(xiàn)象，從來(lái)都大量使用微波、毫米波段的無(wú)線通信系統(tǒng)，當(dāng)對(duì)觀測(cè)的干擾明顯時(shí)，國(guó)際機(jī)構(gòu)URSI也將討論其對(duì)策
●擔(dān)心UWB信號(hào)，尤其是寬頻段上、峰值功率高的脈沖信號(hào)對(duì)射電天文帶來(lái)干擾。
考慮到這些情況，目前FCC正在研究UWB用的頻帶及相關(guān)的技術(shù)條件，并按支持UWB商用化的觀點(diǎn)制定具體方案。其大致要點(diǎn)包括：
①通信及測(cè)量系統(tǒng)
●頻段：3.1GHz~10.6GHz
●室內(nèi)限定為對(duì)等(peer-to-peer)型通信
②成象系統(tǒng)
●地下探查用雷達(dá)、墻內(nèi)探查、醫(yī)療、安全用途等(限制使用者)
●960MHz以下、1.99GHz或3.1GHz~10.6GHz
③車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)
●汽車(chē)防撬雷達(dá)等
●中心頻率高于24.075GHz。

日本的UWB研究開(kāi)發(fā)
面對(duì)美國(guó)主導(dǎo)的UWB商用化，日本基于產(chǎn)業(yè)界的要求，出現(xiàn)了一些動(dòng)向，但尚未成為統(tǒng)一的行動(dòng)。日本通信綜合研究所(CRL)從2002年5月開(kāi)始UWB特別R&D小組的籌備，8月成立了實(shí)施UWB計(jì)劃的特別小組，全面進(jìn)行微波到毫米波的UWB研究開(kāi)發(fā)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定等，并以CRL為中心組成UWB產(chǎn)學(xué)官財(cái)團(tuán)，為有關(guān)UWB的電波制度的國(guó)際協(xié)調(diào)及日本有關(guān)UWB商品化的服務(wù)為主要目的，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)官的合作研究開(kāi)發(fā)。
圖2示出UWB系統(tǒng)的地位，表2給出系統(tǒng)間的比較。
UWB產(chǎn)學(xué)官財(cái)團(tuán)的目的：
●超寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的研發(fā)
●通過(guò)采用測(cè)試臺(tái)的微波段系統(tǒng)(960MHz、3.1GHz~10.6GHz頻段、22GHz~29GHz頻段)進(jìn)行檢證試驗(yàn)
●未利用頻段(亞毫米波~毫米波段)的研發(fā)
●達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸(100Mbps以上)的低成本收發(fā)組件及通信方式的確定
●希望在信息技術(shù)審查/ARIB等方面標(biāo)準(zhǔn)化
UMB財(cái)團(tuán)的主要研究課題：
●頻率共用技術(shù)
●超寬帶專(zhuān)用通信方式
●高速(100Mbps以上)傳輸技術(shù)
●超寬帶微波、毫米波器件技術(shù)
●電波傳輸特性的了解與模型化
●干擾抑制與去除方式
●高速脈沖信號(hào)處理技術(shù)(RF段、BB段)
●位置測(cè)定方式。