超寬帶無線技術(shù)
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一、引言
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對短距離高速無線通信的需求。因此，當設計未來的短距離無線通信系統(tǒng)時，需要考慮通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人、任何時間、任何地點”的連接性。這就要求新的無線世界是現(xiàn)在和未來無線通信系統(tǒng)的綜合，包括WANs、WLANs、WPANs和Ad Hoc以及家用局域網(wǎng)。它可以連接各種不同的設備，包括計算機和各種娛樂設備。要實現(xiàn)這個目標，就需要開發(fā)新的無線技術(shù)。
UWB技術(shù)最初是在1960年作為軍用雷達技術(shù)開發(fā)的，早期主要用于雷達技術(shù)領(lǐng)域。1972年，UWB脈沖檢測器申請到了美國專利；1978年，出現(xiàn)了最初的UWB通信系統(tǒng)；1984年，UWB系統(tǒng)成功地進行了10公里的試驗；1990年，美國國防部高級計劃局(DARPA)開始對UWB技術(shù)進行驗證；2002年2月，F(xiàn)CC批準了UWB技術(shù)用于民用。
UWB技術(shù)發(fā)展緩慢的原因主要有：①在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開發(fā)支持UWB的軟件和硬件；②由于UWB使用許多專用頻段，F(xiàn)CC對UWB技術(shù)的批準進展緩慢：③UWB帶來的干擾問題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐。另外，由于UWB技術(shù)可能取代現(xiàn)在使用的所有無線技術(shù)，包括PAN、WLAN(802.11a、802.11b、802.11g)和無線WAN，因此，許多公司會抵制該技術(shù)的商用。
二、UWB的優(yōu)點
美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2002年2月14日的規(guī)定中，超寬帶系統(tǒng)被定義為相對帶寬(信號帶寬與中心頻率的比)大于20%或帶寬大于500MHz的信號系統(tǒng)。與其他無線通信技術(shù)相比，UWB具有許多優(yōu)點，表1列出了UWB技術(shù)與其他無線局域網(wǎng)技術(shù)的比較。UWB技術(shù)具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低的特點。此外，它還可通過改變脈沖的幅度、間距、或持續(xù)時間來傳遞信息。
與窄帶收發(fā)信機和藍牙收發(fā)信機相比，UWB不需要產(chǎn)生正弦載波信號，可以直接發(fā)射沖激脈沖序列，因而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，提高了頻譜利用率。
表1 UWB與其他無線局域網(wǎng)技術(shù)的比較
數(shù)據(jù)速率(Mbit/S) | 功耗(mW) | 傳輸距離(m) | 頻段 | |
藍牙 | 1-2 | 1OO | 100 | 2.4GHz |
IEEE 802.11b | 11 | 200 | 100 | 2.4GHz |
IEEE 802.11a | 54 | 40-800 | 20 | 5GHz |
IEEE 802.11g | 54 | 65 | 50 | 2.4GHz |
UWB | 100-500 | 1 | 10 | 3.1-10.6GHz |
UWB不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。UWB對信號的處理只需使用很少的射頻或微波器件，因而射頻設計也比較簡單，系統(tǒng)頻率自適應能力強。由于只要能將脈沖發(fā)射機和接收機前端集成到一個芯片上，再加上時間基和控制器，就可以構(gòu)成一部UWB通信設備，因此它的成本可以大大降低。
由于UWB信號采用了跳時擴頻，其射頻帶寬可以達到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中，用傳統(tǒng)的接收機無法接收和識別，必須采用與發(fā)端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)的安全性。
UWB信號的衰落比較低，有很強的抗多徑衰落的能力。
UWB信號的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術(shù)都高。
由于UWB信號的擴頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實現(xiàn)幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長了系統(tǒng)電源的使用時間，非常適合移動通信設備的應用。有研究表明，使用超寬帶的手機待機時間可以達6個月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對人體的傷害。
三、UWB的調(diào)制方式
UWB是發(fā)射和接收沖激脈沖的技術(shù)，可以使用不同的方式來產(chǎn)生和接收這些信號以及對傳輸信息進行編碼，可以單獨或成組發(fā)射，并可根據(jù)幅度、相位和脈沖位置對信息進行編碼。UWB信號的調(diào)制方式有：脈沖位置調(diào)制(PPM)、M脈沖位置調(diào)制(MPPM)、二進制相移鍵控(BPSK)、開關(guān)鍵控(OOK)、二進制脈沖幅度調(diào)制(BPAM)、M進制脈沖幅度調(diào)制(MPAM)、混合脈沖位置調(diào)制、直接數(shù)字調(diào)制、子載波調(diào)制等。當前采用較多的是脈沖位置調(diào)制(也稱時間調(diào)制：TM)和二進制脈沖幅度調(diào)制，下面就主要介紹這兩種調(diào)制方式。
1.脈沖位置調(diào)制
脈沖位置調(diào)制是將需要傳遞的數(shù)字信息調(diào)制到脈沖與脈沖之間的超窄(小于1ns)無載頻脈沖信號的時隙中去，并以每秒幾百萬個脈沖的速率發(fā)射和接收UWB信號。
假設UWB多徑接入系統(tǒng)中有無數(shù)個有效的脈沖無線發(fā)射機同時發(fā)射信號，則第k個發(fā)射機輸出的典型時跳信號可以表示為：
(1)
其中：t(k)是第k個發(fā)射機的時鐘時間，cj(k)是第k個發(fā)射機的跳時碼，0≤cj(k)(u)＜Nh,NhTc≤Tf，Tf是平均脈沖重復周期；dj(k)(u)示調(diào)制的數(shù)據(jù)，Wt(t)表示所發(fā)送的基本高斯脈沖波形。
理論上開始于發(fā)射機時鐘的零時刻，且每個發(fā)射機發(fā)射的數(shù)目與發(fā)射機有關(guān)。因此第k個發(fā)射機發(fā)射的信號包括大量的變換到不同時間的單周期波形，第k個單周期理論上開始于k時間，表示基本可能抽樣空間中的一個因素。
2.二進制脈沖幅度調(diào)制
BPAM是超寬帶信號的另外一種典型波形，可以表示為：
(2)
其中：dj(k)表示第k個發(fā)射機傳輸二進制符號“0”和“1”所對應的“-1”和“+1”。
BPAM與PPM的主要區(qū)別是：前者用信息符號控制脈沖幅度，后者用于控制發(fā)射信號的時延。
在典型的UWB收發(fā)信機結(jié)構(gòu)中，首先在發(fā)射端由脈沖重復頻率發(fā)生器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一系列的沖激脈沖，然后在調(diào)制器中，用待發(fā)送的數(shù)據(jù)對這一系列的脈沖進行脈沖振幅調(diào)制或脈沖位置調(diào)制，并通過射頻濾波器將這一系列帶有發(fā)送信息的脈沖發(fā)送出去。在接收端，天線接收通過多徑衰落信道而來的UWB信號，經(jīng)過噪聲放大器將信號能量放大之后輸入到相關(guān)的解調(diào)器中。在相關(guān)解調(diào)器中，使用與發(fā)端同樣的沖激脈沖序列對射頻濾波，再通過低通濾波、抽樣等恢復發(fā)送信號。
四、UWB-RT的應用
隨著UWB-RT商業(yè)化的開始，這項技術(shù)為支持高速應用和低速智能設備的短距離無線通信系統(tǒng)的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線系統(tǒng)，使用簡單的調(diào)制和編碼機制，在短距離內(nèi)可達到的信息速率大于100Mbit/s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以取一個折衷。
大量的應用場景適合使用UWB，主要包括高速無線個人網(wǎng)(HDR-WPAN)，無線以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL)，智能天線區(qū)域網(wǎng)(IWAN)，室外點對點網(wǎng)絡(OPPN)，傳感器、定位和識別網(wǎng)絡(SPIN)。
前三種情況假定UWB設備網(wǎng)絡部署在居民區(qū)或者辦公區(qū)，主要傳送用于娛樂的無線視頻/音頻和控制信號；第四種情況提供室外點對點連接：而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。
1.HDR-WPAN
HDR-WPAN定義為：每個房間的活動設備為5～10，在1～10m范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為100～500Mbit/s，主要基于點對點拓撲。它可利用現(xiàn)有的有線或者無線標準通過中繼與外部相連。
2.無線以太網(wǎng)接口鏈路
可以將HDR的概念擴展到更高的數(shù)據(jù)速率，如1Gbit/s、2.5Gbit/s。WEIL應該滿足以下需求：從PC廠商方面看，需要以太網(wǎng)線的替代品；從消費者角度看，在PC和LCD屏之間要求高質(zhì)量的無線視頻傳輸能力，可以傳無線數(shù)字視頻。
3.智能天線區(qū)域網(wǎng)
IWAN適用于在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設備的地方，距離為30m。設備的要求是：低成本、低功率消耗(如1～10mw)，并能給用戶提供家庭/辦公室的智能分布網(wǎng)。設備的功能應包括準確定位、跟蹤、支持環(huán)境敏感的設備，這在當前的窄帶短距離網(wǎng)絡中不太容易實現(xiàn)。在這種情況下，無線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來發(fā)送報警、控制信號，或者遠程檢查家庭周圍傳感器的狀態(tài)。
4.室外點對點網(wǎng)絡
UWB設備部署在室外，主要適用于PDA上行和信息交換，包括新聞文本、圖片和視頻的下載。采用何種標準將決定著OPPN結(jié)構(gòu)是使用集中方式還是分布方式，這是一個需要進一步研究的課題。
歐洲即將采用的UWB標準將嚴格限制支持室外的UWB設備的部署。然而，這種情況可能會改變，因為UWB管制的使用也在不斷進步，如同過去其他無線業(yè)務所經(jīng)歷的一樣。
5.傳感器、定位和識別網(wǎng)
SPIN系統(tǒng)的特征是設備密度高(每層幾百個)。它主要用于在工廠或者倉庫發(fā)送帶有定位信息的低速數(shù)據(jù)包。SPIN設備使用范圍較大，如果為主從拓撲，在單獨設備和主站之間的距離可達100m。在工業(yè)應用中，SPIN需要高級鏈路可靠性和自適應的系統(tǒng)特征，以對動態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境作出反應。
UWB的一個重要作用就是可根據(jù)用戶需求提供有效的業(yè)務。場景機制的劃分和各種網(wǎng)絡的發(fā)展，包括上面分析的各種情況，都遠遠不能滿足用戶的期望。一個宏偉的目標就是在不同場景下，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡的無縫共存和互操作性，因此涉及有效的連接、自動漫游機制和數(shù)據(jù)鏈路的自適應，將是未來一個重要的研究課題。
五、管制和標準化
考慮到UWB-RT系統(tǒng)的新特點，要與現(xiàn)有的業(yè)務兼容，并保證不同廠商設備之間的互操作性，還有大量的工作要做。
歐洲電信標準化組織(ETSI)在兩年前就開始工作了，為部署非專用UWB設備建立一個立法框架。由EMC和無線頻譜技術(shù)委員會(TC-ERMC)的TG31組負責，與歐洲郵電管理局(CEPT)SE21合作，ETSI正考慮這項技術(shù)的最佳選擇和與其他業(yè)務的頻率共享。
2002年9月，日本信息通信技術(shù)分會向總務省(MPHPT)提交了UWB的草案，為UWB的標準化做準備。此外，日本的通信研究實驗室(CRL)正與主要的工業(yè)伙伴進行研究，開發(fā)基于UWB-RT的商用系統(tǒng)。2003年初，新加坡的信息發(fā)展署(IDA)建立了一個UWB試驗區(qū)，給UWB開發(fā)者提供了一個進行實地試驗的機會。
UWB-RT提供了很好的前景，具有很大的潛力，同時也對管制提出了挑戰(zhàn)。FCC許可的UWB信號源僅發(fā)射很小的功率，通信距離較短，而且使用的是已經(jīng)分配給其他業(yè)務的頻段。然而，很少有人關(guān)注UWB信號源可能帶來的干擾問題，更多人認為應該關(guān)注UWB設備是否應該大量增加，進而變得無所不在。在一個很小的范圍內(nèi)，幾百個UWB發(fā)射機同時工作可能會對周圍的其他業(yè)務產(chǎn)生有害的干擾，如對導航、救援、通信或者固定無線接入業(yè)務會產(chǎn)生干擾。UWB組織花費了很大的精力來解決這些問題，提出和設計了可以避免產(chǎn)生這些干擾的系統(tǒng)。
FCC和ETSI ERM TG31a都制定了嚴格的規(guī)則，以保證新的UWB無線產(chǎn)品是安全的，并不斷進行改善。在歐洲，正在努力保護所有可能受影響的業(yè)務，且多數(shù)業(yè)務提供者都在積極參與CEPT SE24組的技術(shù)開發(fā)活動，如固定無線接入(FWA)運營商(受影響的頻段：3.5GHz、3.6-4.2GHz、4.4-5.0GHz)、蜂窩網(wǎng)運營商(915MHz、1800～2100MHz)和空間科學組織(406～406.1MHz、1400～1427MHz、1544～1545MHz、5250～5460MHz)等。
廣泛支持PHY和MAC層工業(yè)標準，是UWB-RT成功部署的一個前提。在結(jié)合數(shù)據(jù)通信和定位能力的短距離無線通信系統(tǒng)中，盡管標準應在多大程度上依賴于應用目前還有爭論，但將來的UWB-RT一定會把支持標準化PHY/MAC和聯(lián)網(wǎng)功能作為唯一的選擇。
在IEEE內(nèi)部，任務組3a(TG 3a)集中在定義可選的PHY(Alt-PHY)，基于UWB-RT的802.15.3。這個新定義的Alt-PHY將對多媒體分布域的消費者需求作響應，與已經(jīng)設計好的MAC(802.15.3a)提供標準特點和新技術(shù)的結(jié)合，可能在近期得到批準。在新定義的PHY層之上采用預先定義的MAC層，將是UWB-RT商業(yè)應用開發(fā)的第一階段。盡管這種方法會降低整個系統(tǒng)的效率和QoS級，但這是一種可行的折衷方案，有助于加速UWB-RT的商業(yè)部署。
與標準化同時進行的是無線標準品牌形象的建立。2002年9月，Kodak、HP和Xtremespectrum等公司發(fā)起并成立了便攜式設備與視聽設備之間高速無線多媒體通信的WiMedia聯(lián)盟，以促進數(shù)碼相機、MP3播放機、攝像機等設備之間的無線圖像及視頻傳輸，并推進IEEE 802.15.3的標準化工作。此外，一個新成立的工作組，IEEE 802.15.3a，正在分析和制定一個基于UWB-RT的低速、低功率和低成本的WPAN技術(shù)標準的潛力。
六、UWB研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在，國外對UWB的研究正在如火如荼地進行著，美國的多所大學，如南加州大學、麻省理工大學、伯克利大學等都在進行UWB通信系統(tǒng)的研究。歐洲也有相應的項目，如德國的Dresden大學、芬蘭的Oulu大學等都啟動了UWB研究項目。
此外，目前已有許多公司也在進行UWB技術(shù)的研究開發(fā)工作。美國的XtremeSpectrun公司己開發(fā)出在各種設備之間無線傳輸音頻、視頻的UWB芯片組，它采用雙相調(diào)制技術(shù)和IEEE 802.15.3 MAC協(xié)議，傳輸速率達到100Mbit/s。
Intel、Cisco、Sony等公司都準備進入UWB無線數(shù)據(jù)通信市場，無線家用網(wǎng)絡將會是UWB的主流市場。對于短距離高速WPAN，UWB-RT有希望成為一項可行和有競爭力的無線技術(shù)，有能力支持以用戶為中心的個人無線通信世界。UWB-RT所具有的新特點，使其可能成為短距離無線設備和應用的基礎。在未來的泛網(wǎng)中，對用戶而言，從一個網(wǎng)絡過渡到另一個網(wǎng)絡是透明的。盡管在技術(shù)、經(jīng)濟和管制方面還有一些挑戰(zhàn)，但各種研究和開發(fā)的努力將與全球管制框架相結(jié)合，使UWB-RT將會在未來的無線網(wǎng)絡中發(fā)揮重要的作用。
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