議超寬帶無線通信技術(shù)

杜成龍

【摘要】 超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一種高速、低功耗的無線通信技術(shù)，在簡單介紹超寬帶無線通信的概念基礎(chǔ)上，著重分析了超寬帶無線通信的特點(diǎn)和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 超寬帶 無線通信 技術(shù)特點(diǎn)一、技術(shù)概述和特點(diǎn)分析

UWB技術(shù)最初是1960年美國作為軍用雷達(dá)技術(shù)開發(fā)的，早期主要用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了脈沖檢測(cè)器等設(shè)備的開發(fā)，而且該技術(shù)具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、厘米級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

但在隨后的30多年間，UWB技術(shù)發(fā)展很緩慢，一方面是因?yàn)檐姺降南拗谱尩谌綗o法開發(fā)支持UWB的軟件和硬件，此外，UWB技術(shù)對(duì)其他頻帶帶來的干擾，也阻礙了它的發(fā)展步伐。2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用，進(jìn)而將UWB技術(shù)推向了市場(chǎng)前端。

目前的UWB技術(shù)根據(jù)底層UWB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)形式不同，可分為兩大類。一類是基于窄脈沖式的沖激類UWB，即不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。這樣提出的UWB設(shè)計(jì)方案稱為直接序列CDMAUWB（DS-CDMAUWB）方案。這個(gè)方案頻譜利用率高，可進(jìn)行高精度定位和跟蹤，抵抗多徑衰落能力強(qiáng)，但頻譜共享的靈活性較差，不利于與其他窄帶系統(tǒng)共存。

另外一類是基于調(diào)制載波擴(kuò)頻式的載波類UWB，提出的設(shè)計(jì)方案叫多載波OFDMUWB（MB-OFDMUWB）方案，它采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息，提高了頻譜的靈活性，但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），容易產(chǎn)生對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，因此解決干擾問題是該方案目前最大的難題。兩種技術(shù)形成了鮮明對(duì)立的兩大陣營，使得制訂面向UWB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組已經(jīng)解散。

目前，由ITU-RTG1/8工作組來負(fù)責(zé)UWB高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蚪y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。

與其他無線技術(shù)相比，UWB具有以下幾個(gè)技術(shù)特性。其一是高帶寬、高傳輸速率。按照UWB的技術(shù)設(shè)計(jì)，UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達(dá)幾個(gè)GHz，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s，這樣的理論速度高于藍(lán)牙100倍，特別適合局域網(wǎng)或者個(gè)域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間的快速共享數(shù)據(jù)庫以及傳送數(shù)據(jù)。

其次是強(qiáng)大的抗干擾性能，UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無線電脈沖信號(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，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，與IEEE802.11a、IEEE802.11b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。另外，由于UWB的脈沖非常短（0.1～1.5ns），頻譜非常寬（數(shù)GHz，可超過10GHz），能避免多路徑傳輸?shù)男盘?hào)干擾。

第三是低功耗，UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)通信，另外，CDMA-UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按“0”和“1”發(fā)送出去，并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波，大大延長了系統(tǒng)電源的工作時(shí)間。

二、UWB系統(tǒng)方案及一些技術(shù)問題

2.1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)的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規(guī)定的發(fā)射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過頻譜搬移解決了這一難題。

2.2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)制在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統(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線電和多帶正交頻分復(fù)用兩種方式。

其多址問題采用跳頻技術(shù)來解決。相對(duì)于符號(hào)速率又可分為快跳和慢跳。MBOA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)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的。對(duì)無線電頻率管理來說，有兩個(gè)基本的原則：一是新的無線電技術(shù)不得對(duì)已有的無線電臺(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，即要能忍受已有無線電臺(tái)的各種干擾。DS-CA-MA因?yàn)槭褂谜麄€(gè)3.1～10.6GHz頻段，包括傳統(tǒng)無線技術(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這些頻率。

2.3 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)簡單，圖2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)放大后通過相關(guān)接收后處理，再經(jīng)門限檢測(cè)后獲得原來信息。相對(duì)于超外差式接收機(jī)來說，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，沒有本振、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)，采用軟件無線電技術(shù)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率、功耗等。

三、UWB技術(shù)的應(yīng)用

3.1 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1Mbit/s，功率是lmW。UWB能夠提供快速的無線外設(shè)訪問來傳輸照片、文件、視頻。

因此UWB特別適合于個(gè)域網(wǎng)。通過UWB，可以在家里和辦公室里方便地以無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。

3.2 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線通信網(wǎng)，兩種裝置之間通過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。

3.3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。傳感器通過無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是無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的最合適候選者。

四、結(jié)語

盡管目前UWB的發(fā)展中存在著頻率管制、標(biāo)準(zhǔn)化等難題，也還必須面對(duì)其他無線技術(shù)的競(jìng)爭，但是可以預(yù)見，隨著無線多媒體應(yīng)用越來越普及，UWB將在消費(fèi)電子領(lǐng)域、通信領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。物理層方案雖然沒有融合的跡象，但是雙方都沒有放棄產(chǎn)業(yè)化的腳步，誰最終占領(lǐng)市場(chǎng)，誰將成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，這都預(yù)示著UWB技術(shù)的前景將非常廣泛。