超寬帶無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討

李燦

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230038）

超寬帶無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討

李燦

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230038）

作為全新的一種通信技術(shù)，近年來，超寬帶無線通信技術(shù)得到了廣泛研究。它有效地解決了傳統(tǒng)短距無線通信技術(shù)中存在的系統(tǒng)復(fù)雜、信道衰落、功耗大等諸多問題。本文在簡(jiǎn)單介紹無線通信的概念的基礎(chǔ)上，分析了超寬帶無線通信技術(shù)自身的特點(diǎn)，同時(shí)分析研究了幾種不同的超寬帶無線通信的具體實(shí)現(xiàn)方案和各自的特征與不足。

無線通信；無載波脈沖；超寬帶

1 超寬帶無線通信技術(shù)簡(jiǎn)介

上世紀(jì)八十年代末期，超寬帶這一技術(shù)被美國國防部(DaRPa)首次提出：一個(gè)信號(hào)處于20dB處的分?jǐn)?shù)帶寬大于25%或是絕對(duì)帶寬大于1.5GHz時(shí)，則稱該信號(hào)為超寬帶信號(hào)。采用超寬帶信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸就叫做超寬帶無線通信(UWB)。根據(jù)2002年美國將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用的定位，指出超寬帶技術(shù)是信號(hào)絕對(duì)帶寬大于等于500 MHz，或者是相對(duì)帶寬大于等于0.2，同時(shí)在3.1 GHz～10.6 GHz的頻段范圍內(nèi)進(jìn)行通信。

UWB實(shí)現(xiàn)了無線局域網(wǎng)和個(gè)人局域網(wǎng)接口卡的無縫接入，并保證了技術(shù)應(yīng)用過程中的低功耗、高帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特征。具體來說，UWB技術(shù)具備了以下諸多優(yōu)點(diǎn)：

1.1 傳輸速率高

UWB系統(tǒng)采用了千兆赫茲為計(jì)量單位的超寬頻帶,即便是發(fā)送信號(hào)功率譜密度很低，同樣能夠保證信息傳輸速率達(dá)到100Mb/s～500 Mb/s。根據(jù)信道容量的計(jì)算公式,若帶寬為7GHz,即便信噪比在-10dB以下，計(jì)算得到的理論信道容量也在1Gb/s,因而，考慮到信號(hào)在傳輸中的損失，要實(shí)現(xiàn)100Mb/s以上的傳輸速率也是可以的。

1.2 通信距離短

高頻信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的延遲而出現(xiàn)快速衰減，所以在短距離數(shù)據(jù)通信中，采用超寬頻帶系統(tǒng)更為合理。分析研究指出，當(dāng)收發(fā)機(jī)距離在12m以上時(shí)，UWB的信道容量較窄帶系統(tǒng)要低得多。

1.3 平均發(fā)射功率低

UWB發(fā)射機(jī)在短距離通信傳輸中通過犧牲帶寬來保證發(fā)射功率低于1mW。FCC對(duì)UWB的發(fā)送功率譜密度進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，必須小于放射噪音值-41.3 dBm/MHz，所以，從理論上講，UWB信號(hào)所帶來的干擾相當(dāng)于一寬帶白噪聲。這樣帶來了幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)了UWB系統(tǒng)與窄帶通信系統(tǒng)在同一頻段的共存，有限提高了無線資源的有效利用；提高了UWB信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和隱蔽性。

1.4 多徑分辨率極高

UWB采用的是持續(xù)時(shí)間短的窄脈沖，在時(shí)空三維空間的分辨率都非常強(qiáng)，因而，系統(tǒng)具有極高的多徑分辨率，通過接收機(jī)的分集分離具備超強(qiáng)抗衰落能力，保證了系統(tǒng)在定位、跟蹤方面的高精確度。并且，窄脈沖的超強(qiáng)穿透力也使得UWB系統(tǒng)具有更為廣泛的利用價(jià)值。

1.5 適合于便攜型應(yīng)用

過往的UWB技術(shù)大部分是基于基帶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的傳輸，因而不需要射頻調(diào)制以及解調(diào)，這樣降低了設(shè)備的成本、提高了性價(jià)比，且功耗低，易于攜帶。

2 超寬帶無線通信相關(guān)技術(shù)的探討

目前超寬帶無線通信實(shí)現(xiàn)無線通信的方案包括以下幾種：基于MB-OFDM的超寬帶無線通信系統(tǒng)、單載波DS-CDMa方案、無載波脈沖方案。無載波脈沖方案可采用脈沖位置、脈沖幅度、二進(jìn)制移相鍵控調(diào)整等多種調(diào)制方式，這樣精簡(jiǎn)了無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)，降低了成本，但是同樣也降低了頻譜的利用率。多子帶載波調(diào)制方案提高了頻譜的利用率和使用空間，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

2.1 無載波脈沖技術(shù)在超寬帶無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用

無載波脈沖超寬帶通信技術(shù)中核心技術(shù)是脈沖。當(dāng)前更多的是采用光電和電子方法來形成脈沖，并由專用寬帶天線將形成的脈沖以數(shù)百兆赫的速度發(fā)生，使脈沖信號(hào)在時(shí)空上隨機(jī)分布，在時(shí)頻域上形成多個(gè)噪聲編碼信道，對(duì)應(yīng)的位移類似噪聲信號(hào)。從根本上講，超寬頻技術(shù)發(fā)展的根本條件是產(chǎn)極窄脈沖“納秒級(jí)”的信號(hào)源。單個(gè)無載波窄脈沖信號(hào)本身具有兩方面的優(yōu)勢(shì)：激勵(lì)信號(hào)是一種單個(gè)窄脈沖，波形分布為陡峭前沿形式；激勵(lì)信號(hào)的頻譜非常寬闊。單脈沖能夠利用諸如高斯波形、升余弦等不同類型的波形。采用無載波脈沖超寬帶進(jìn)行數(shù)據(jù)通信中，位于收發(fā)端的數(shù)據(jù)天線對(duì)接收到的信號(hào)具有一次微分效應(yīng)，即系統(tǒng)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)是導(dǎo)數(shù)關(guān)系。

作為當(dāng)前應(yīng)用最多的超寬帶通信方式，無載波脈沖方案由發(fā)射機(jī)生成相應(yīng)的基帶窄脈沖序列，傳統(tǒng)的信息信號(hào)需通過PPM、BPSK、PaM等多種調(diào)制手段來攜帶信號(hào)。而基帶窄脈沖序列不需要進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)可直接對(duì)空發(fā)送，如圖1所示，為采用無載波脈沖位置對(duì)調(diào)制超寬帶無線通信系統(tǒng)。

圖1 UWB發(fā)射機(jī)功能圖

2.2 單載波DS-CDMa方案

在單載波DS-CDMa系統(tǒng)中，由DS-CDMa進(jìn)行傳輸通道的擴(kuò)頻，由單載波對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，保證了信號(hào)在適當(dāng)?shù)念l帶范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸，當(dāng)前，F(xiàn)CC規(guī)定超寬帶通信頻譜范圍保持在3.1GHz-10.6GHz。傳統(tǒng)的無載波脈沖中有部分低頻分量，因而很難達(dá)到FCC的標(biāo)準(zhǔn)；而采用單載波DS-CDMa方案則實(shí)現(xiàn)了頻譜的搬移，有效地解決了這一問題。

2.3 基于MB-OFDM技術(shù)的超寬帶無線通信系統(tǒng)

MB-OFDM系統(tǒng)中將整段使用的頻段劃分為長(zhǎng)度不等的多個(gè)子頻帶，各子頻保持在500MHz帶寬，每個(gè)劃分的子頻帶攜帶著一個(gè)OFDM信號(hào)，這個(gè)OFDM信號(hào)由不同數(shù)量的子載波信號(hào)通過正交關(guān)系合成。相較于傳統(tǒng)的OFDM方法，采用OFDM的合成信號(hào)在符號(hào)長(zhǎng)度、循環(huán)前綴張度等一些數(shù)據(jù)參數(shù)上存在較大的不同。系統(tǒng)中的OFDM合成信號(hào)隨著時(shí)間的不同而對(duì)不同中心頻率載波進(jìn)行調(diào)制，確保信號(hào)能夠在不同的子頻帶內(nèi)進(jìn)行傳播。OFDM充分利用了頻譜特性，當(dāng)系統(tǒng)中存在較大子載波數(shù)時(shí)，各子載波通過信號(hào)疊加獲得一個(gè)具有矩形特性的總信號(hào)，因而實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的利用。

圖2 MB-OFDM方案頻譜與子帶分配

MB-OFDM方案在利用頻譜過程中還具備了很強(qiáng)的靈活性。各級(jí)通信設(shè)備間存在的干擾情況，通過降低子頻帶的發(fā)射功率和減少子頻帶的發(fā)射數(shù)量來降低干擾，改善網(wǎng)絡(luò)的性能，并能夠?qū)ψ虞d波進(jìn)行抑制，從而提高對(duì)OFDM信號(hào)控制的精確度。

多帶方式還實(shí)現(xiàn)了有效選擇MaC的頻分多址(FDMa)。不同微網(wǎng)或通信設(shè)備利用不同的子頻帶集合，或采用不同各自的時(shí)頻序列來當(dāng)作地址碼，實(shí)現(xiàn)了各自的獨(dú)特性。同樣，可以融合FDMa、TDMa、CDMa等不同方式，對(duì)多址方案進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)選擇。

3 超寬帶無線通信的發(fā)展趨勢(shì)

超寬帶無線通信在具備多方優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，同樣也存在著諸多不足，如寬帶占用大，導(dǎo)致對(duì)其他無線通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈干擾，因而，眾多學(xué)者一直對(duì)超寬帶無線通信的頻率使用有著很大的爭(zhēng)議；另一方面，超頻帶在信號(hào)發(fā)射中具有較低的平均功率，脈沖時(shí)間也很短暫，這樣它的瞬時(shí)功率峰值就會(huì)非常大，這在一些行業(yè)使用上會(huì)有影響。

然而，這并不會(huì)對(duì)超寬帶無線通信的發(fā)展和運(yùn)用造成影響。當(dāng)前，無線多媒體、無線技術(shù)方面大量運(yùn)用無線通信技術(shù)，根據(jù)客戶的需求，自組小范圍自有網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，超寬帶無線通信被廣泛應(yīng)用于無線通信和定位系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)等，為交通智能收費(fèi)、汽車行駛安全提供了低成本高性能的解決方案。利用具備無載波脈沖方式的超寬帶無線通信系統(tǒng)穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于軍事、勘探等多個(gè)領(lǐng)域中，取得了非常好的效果。

超寬帶無線通信作為當(dāng)前一種新興的無線通信技術(shù)，盡管還有許多的不成熟，但其應(yīng)用前景還是十分明朗的。隨著智能化電子設(shè)備發(fā)展加快，對(duì)短距離的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速傳輸愈發(fā)迫切。當(dāng)前的超寬帶無線在頻率管制、標(biāo)準(zhǔn)化等方面雖與無線技術(shù)相互競(jìng)爭(zhēng)，但隨著無線多媒體發(fā)展，其在消費(fèi)電子、通信等領(lǐng)域會(huì)有大規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)語

超寬帶無線通信技術(shù)是當(dāng)前電子通信領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。本文對(duì)超寬帶無線通信的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)介，針對(duì)其技術(shù)上的功能和特征進(jìn)行了具體分析，并以此為基礎(chǔ)，探討了超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)MB-OFDM的超寬帶無線通信系統(tǒng)、單載波DS-CDMa方案、無載波脈沖方案進(jìn)行了特點(diǎn)分析和應(yīng)用前景探討，以期讓超寬帶無線通信技術(shù)獲得更好的發(fā)展應(yīng)用。

[1]張?jiān)阼?，畢光國．超寬帶無線通信技術(shù)及其應(yīng)用[J]．移動(dòng)通信，2004，(1-2)：110-114．

[2]崔小雯．超寬帶無線通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用．遼東學(xué)院計(jì)算中心，2010．

[3]IT專家網(wǎng)．淺論：無線通信技術(shù)現(xiàn)狀[EB/OL]．2010．

[4]John G．Proakis．?dāng)?shù)字通信[M]．第三版．北京：電子工業(yè)出版社，1998．

[5]張賢達(dá)，保錚．通信信號(hào)處理[M]．國防工業(yè)出版社，2000．

Discussion on the Development Trend of UWB Wireless Communication Technology

Li Can
(anhui Telecommunication Planning and Designing co.,LTD,Hefei 230038,anhui)

as a new communication technology,Ultra wideband wireless communication technology has been widely studied in recent years.It effectively solves the problems of complex systems,channel fading and big power consumption in traditional shortrange wireless communication technology.Based on the concept of wireless communication,this paper analyzes the characteristics of the ultra wideband wireless communication technology.It also analyzes the implementation of several different ultra wideband wireless communication and their respective characteristics and shortcomings.

wireless communication;carrier-free pulse;ultra wideband

TP393

a

1008-6609(2016)03-0056-03

李燦，男，安徽碭山人，學(xué)士，工程師，研究方向：移動(dòng)通信。