超寬帶技術(shù)在未來無線通信中的應(yīng)用與實(shí)踐探索

盧華

【摘要】 自超寬帶技術(shù)的商業(yè)規(guī)范發(fā)布以來，超寬帶技術(shù)因自身的優(yōu)勢，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文從超寬帶技術(shù)的概述入手，介紹了超寬帶技術(shù)的應(yīng)用，最后探討了超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】 超寬帶技術(shù) 未來 無線通信 應(yīng)用 現(xiàn)狀

一、超寬帶技術(shù)的概述

超寬帶技術(shù)作為一種新型的無線通信技術(shù)，解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，是當(dāng)今最受關(guān)注的短距離高速無線通信技術(shù)。寬帶技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù)，現(xiàn)在被廣泛接受的定義是指在3.1GHz到10.6GHz頻段之間占用10dB帶寬大于500Hz的無線發(fā)射方案[1]。傳統(tǒng)的無線通信是通過不同的載波頻率將信號調(diào)制到不同的頻帶上，載波的頻率與功率會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生著變化，傳統(tǒng)無線通信就是利用載波的狀態(tài)變化來進(jìn)行信息傳輸?shù)?。而超寬帶技術(shù)無線通信不需要通過載波，它是利用脈沖信號來進(jìn)行信息傳輸，其中脈沖信號就是指那些產(chǎn)生與消失時(shí)間都極其短暫的信息，這種信號的產(chǎn)生到消失的時(shí)間僅用數(shù)百微妙到數(shù)納秒以下[2]。它與傳統(tǒng)無線通信相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是，頻帶極寬、傳輸速率極高。超寬帶脈沖信號和系統(tǒng)的頻帶極寬，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大于100Mbps的可靠高速無線傳輸；在相同作用范圍的超寬帶技術(shù)無線通信的速率可以達(dá)無線局域網(wǎng)的10倍以上，達(dá)藍(lán)牙系統(tǒng)的100倍以上。二是，功率極低，功耗極小。超寬帶信號具有極低的輻射功率，并且因?yàn)樗念l帶極寬，這就使得超寬帶信號有極低的功率譜密度，甚至可以低于環(huán)境噪聲電平，從而決定了超寬帶通信系統(tǒng)的低截獲與低檢測特點(diǎn)，并且不會(huì)對常規(guī)的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾影響，可以與常規(guī)通信系統(tǒng)共享頻帶達(dá)到共存的目的，還可以充分利用頻帶資源。同時(shí)低功率意味著其功耗也低，因而十分適合在移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用，而且可以大大的降低了對人體的輻射危害。三是，可高精度定位、定時(shí)，有良好的抗多徑效應(yīng)性能。超寬帶技術(shù)無線通信系統(tǒng)一般在亞納秒級的脈沖寬度工作，因而具有亞納秒級時(shí)間分辨率，其多徑分辨率也相應(yīng)的小于30cm，在接收信號時(shí)會(huì)形成1ns的時(shí)間接收窗口，僅接收處理接收窗口內(nèi)的信號，對多徑干擾有很好的抗性[3]。四是，具有更強(qiáng)的穿透能力。超寬帶脈沖的頻率低，在相同絕對寬帶的無線信號中其為最低，因此它具有更強(qiáng)的穿透能力。五是，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。超寬帶技術(shù)無線通信系系統(tǒng)中，沒有在傳統(tǒng)的通過載波變化來實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)中用到的上變頻電路、下變頻電路、中頻電路以及各種濾波器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)通信相對容易，因此超寬帶技術(shù)無線通信的成本更低。

二、超寬帶技術(shù)的應(yīng)用

隨著超寬帶技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)為支持高速應(yīng)用與低速智能設(shè)備的短距離無線通信系統(tǒng)的配置提供了可能。超寬帶天線系統(tǒng)，使用簡單的體制以及編碼機(jī)制，在短距離內(nèi)使信息速率大于100Mb/s。超寬帶可以在大量的應(yīng)用場景中使用，比如：高速無線個(gè)人網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路、智能天線區(qū)域網(wǎng)、室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，以及傳感器，定位與識別網(wǎng)絡(luò)，其中高速無線個(gè)人網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路、以及智能天線區(qū)域網(wǎng)這三種可以將超寬帶設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置在居民區(qū)，也可以配置在辦公區(qū)，用來傳送用作娛樂的無線視頻、無線音頻、以及控制信號。室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能夠提供室外點(diǎn)對點(diǎn)連接。傳感器，定位與識別網(wǎng)絡(luò)可以在工業(yè)環(huán)境以及商業(yè)環(huán)境配置。

2.1高速無線個(gè)人網(wǎng)

高速無線個(gè)人網(wǎng)是指每個(gè)房間的活動(dòng)設(shè)備個(gè)數(shù)為5到10個(gè)，活動(dòng)范圍為1m到10m，數(shù)據(jù)速率為100Mb/s到500Mb/s，主要是基于點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)?，它是通過現(xiàn)有的有限或者無線標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過中繼與外部相連[4]。

2.2無線以太網(wǎng)接口鏈路

無線以太網(wǎng)接口鏈路能將高速無線個(gè)人網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展到更高的數(shù)據(jù)頻率，比如擴(kuò)展到1Gb/s、2.5Gb/s。無線以太網(wǎng)接口鏈路需要達(dá)到以下條件：一是，在電腦生產(chǎn)廠商方面，需要有以太網(wǎng)的替代品；二是，在消費(fèi)者的角度，電腦與屏幕之間要有高質(zhì)量的無線視頻傳輸能力，能夠傳送無線數(shù)字視頻。

2.3智能天線區(qū)域網(wǎng)

智能天線區(qū)域網(wǎng)在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設(shè)備的地方，其覆蓋范圍為30m。對智能天線區(qū)域網(wǎng)設(shè)備有低成本以及低功耗的要求，比如1mW到10mW，可以提供給用戶家庭或者辦公室的智能分布網(wǎng)。智能天線區(qū)域網(wǎng)有準(zhǔn)確定位、準(zhǔn)確跟蹤的功能。

2.4室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

超寬帶設(shè)備配置在室外，主要在PDA上行與信息交換、以及新聞文本、圖片、視頻的下載等方面適用。采用的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)決定室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是使用集中式或是使用分布式。在歐洲采用的超寬帶標(biāo)準(zhǔn)限制在室外配置超寬帶設(shè)備。但是這種情況也可能隨時(shí)發(fā)生改變，因?yàn)槌瑢拵Ч苤频氖褂靡矔?huì)不斷的發(fā)展與進(jìn)步。

2.5傳感器，定位與識別網(wǎng)

傳感器，定位與識別網(wǎng)具有設(shè)備密度高，每層設(shè)備數(shù)量大概為幾百個(gè)，主要在工廠或者倉庫，將帶有定位信息的低俗數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送的特征。傳感器，定位與識別網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用范圍較大，比如是主從拓?fù)?，在單?dú)設(shè)備與主站之間的距離可以達(dá)到100m。當(dāng)傳感器，定位與識別網(wǎng)在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)需要具備高級鏈路可靠性以及自適應(yīng)的系統(tǒng)特征，達(dá)到對動(dòng)態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境做出反應(yīng)的目的。在傳感器，定位與識別網(wǎng)中超寬帶起到的重要作用是可以根據(jù)用戶的需求來提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)。

三、超寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1通信領(lǐng)域

超寬帶在通信領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是，智能數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)。用超寬帶技術(shù)來與各種家用電器有機(jī)相連，比如說，電腦、PDA、電視、游戲、音響以及安全系統(tǒng)等。二是，可能成為無線USB或者無線1394的傳輸物理層標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槌瑢拵Э梢蕴峁┐蠓秶乃俾?，可以使無線USB的速率要求得到滿足。三是，公路信息服務(wù)系統(tǒng)。將超寬帶技術(shù)應(yīng)用在公路信息服務(wù)系統(tǒng)中，它可以提供高速率的信息服務(wù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┞窙r信息、建筑物信息、以及天氣預(yù)報(bào)等人性化服務(wù)，也可以用于汽車防撞系統(tǒng)以及智能收費(fèi)系統(tǒng)中。四是，應(yīng)用在軍事方面。由于超寬帶技術(shù)的截獲率低、檢測率低、以及功耗低等特點(diǎn)，所以最早被應(yīng)用在均是方面，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要應(yīng)用在戰(zhàn)場視距戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)電臺、非視距的通信電臺、戰(zhàn)術(shù)通信電臺、艦船與飛機(jī)內(nèi)部通信系統(tǒng)、以及單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等中。

3.2雷達(dá)與監(jiān)視領(lǐng)域

在雷達(dá)方面，超寬帶技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)有50多年的歷史，雷達(dá)領(lǐng)域也是驚呆超寬帶技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)展到現(xiàn)在，超寬帶雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。當(dāng)采用亞納秒級信號時(shí)，空間距離的分辨率會(huì)很高，當(dāng)高踞離分辨率與款頻譜相結(jié)合時(shí)，會(huì)使得雷達(dá)具有更精確的目標(biāo)識別能力，可以獲取復(fù)雜目標(biāo)的細(xì)微特征。超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)所發(fā)出的信號具有極強(qiáng)的穿透力，可以從樹葉、地層以及云層等障礙物中穿透，可以對非常隱蔽的目標(biāo)進(jìn)行探測與分辨。它的具體應(yīng)用有：探地雷達(dá)、穿墻雷達(dá)、安全監(jiān)視等。

3.3定位

在生活中有很多地方要用到地位，不管是軍用還是民用都需要得到精確的定位信息。具體的來說定位主要用于：跟蹤、搜救、搜尋、尋物等。超寬帶在定位系統(tǒng)中高的應(yīng)用不管在室內(nèi)還是在室外都可以提供精確的位置信息，來給予用戶明確的指引。

四、超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景

超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面：一是，現(xiàn)今的市場需要可以在窄帶載波調(diào)制的短距離無線系統(tǒng)，能夠提供高速數(shù)據(jù)速率來傳輸視頻或者準(zhǔn)確的位置信息，可以支持位置敏感的應(yīng)用。因而，這也是超寬帶的新的研究目標(biāo)。二是，在超寬帶設(shè)備支架的相互干擾問題，以及可達(dá)到的QoS級方面依然存在著許多問題。三是，超寬帶技術(shù)在調(diào)制與編碼技術(shù)領(lǐng)域也存在著挑戰(zhàn)。最初的超寬帶技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域時(shí)，獲得高容量不是軍事通信的主要目標(biāo)。但是在商用系統(tǒng)中應(yīng)用超寬帶技術(shù)，用戶容量是最先需要考慮的。而編碼與調(diào)制是一種能夠改善系統(tǒng)多用戶容量的最有效辦法，這就需要設(shè)計(jì)出自適應(yīng)的調(diào)制方法與信道編碼機(jī)制來達(dá)到提高系統(tǒng)容量的目的。雖然在超寬帶技術(shù)中，平均有效全向輻射功率是很低的，但是在短時(shí)間內(nèi)的峰值功率可能會(huì)很大。這就要求了要優(yōu)化傳輸技術(shù)，來適應(yīng)不同的信號傳播環(huán)境，可以提供符合需求的高可靠性以及自適應(yīng)能力。四是，雖然超寬帶系統(tǒng)有很強(qiáng)的抵抗多徑影響的能力，但是系統(tǒng)性能也會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響。五是，系統(tǒng)的復(fù)雜性，超寬帶血藥用到多個(gè)并行檢測器或者高階調(diào)制。六是，物理層超寬帶設(shè)備的天線設(shè)計(jì)與實(shí)施，有效天線的設(shè)計(jì)與實(shí)施，是超寬帶系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。七是，其他無線信號對超寬帶接收機(jī)的帶來的帶內(nèi)干擾。超寬帶設(shè)備發(fā)射功率譜密度極小，使得超寬帶接收機(jī)容易受到噪聲的干擾與影響。八是，需要研究新的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用在超寬帶系統(tǒng)中，來結(jié)局速度與同步延時(shí)以及功率消耗的問題。超寬帶技術(shù)面臨的這些挑戰(zhàn)，將會(huì)指明超寬帶技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)超寬帶技術(shù)將現(xiàn)今面臨的挑戰(zhàn)一一的克服掉，那么超寬帶技術(shù)的發(fā)展前景將會(huì)更加的光明，應(yīng)用的范圍也將越來越廣，超寬帶技術(shù)在無線通信中應(yīng)用也將更加的完善，為人們的生活提供更加有效的服務(wù)。

五、結(jié)束語

超寬帶技術(shù)作為一種新型技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著人們對短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嗵岣?，超寬帶技術(shù)也必將會(huì)在無線通信中有更進(jìn)一步的研究與發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]武林俊，李燕文.超寬帶技術(shù)在未來無線通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，No.25213：8-11.

[2]曾照華.無線超寬帶通信原理及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[J].電力系統(tǒng)通信，2007，01：15-18+22.

[3]劉芳，潘宇.超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展[J].白城師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，No.6506：35-37+48.

[4]苗劍.超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)[D].西安電子科技大學(xué)，2004.