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超宽带无线技术
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一、引言
随着无线通信技术的发展，现有的无线网络技术已经不能满足人们对短距离高速无线通信的需求。因此，当设计未来的短距离无线通信系统时，需要考虑通信的普遍特性和B3G中提到的"任何人、任何时间、任何地点"的连接性。这就要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括WANs、WLANs、WPANs和Ad Hoc以及家用局域网。它可以连接各种不同的设备，包括计算机和各种娱乐设备。要实现这个目标，就需要开发新的无线技术。
UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。1972年，UWB脉冲检测器申请到了美国专利；1978年，出现了最初的UWB通信系统；1984年，UWB系统成功地进行了10公里的试验；1990年，美国国防部高级计划局(DARPA)开始对UWB技术进行验证；2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。
UWB技术发展缓慢的原因主要有：①在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件；②由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢：③UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐。另外，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN、WLAN(802.11a、802.11b、802.11g)和无线WAN，因此，许多公司会抵制该技术的商用。
二、UWB的优点
美国联邦通信委员会(FCC)在2002年2月14日的规定中，超宽带系统被定义为相对带宽(信号带宽与中心频率的比)大于20%或带宽大于500MHz的信号系统。与其他无线通信技术相比，UWB具有许多优点，表1列出了UWB技术与其他无线局域网技术的比较。UWB技术具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低的特点。此外，它还可通过改变脉冲的幅度、间距、或持续时间来传递信息。
与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比，UWB不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，提高了频谱利用率。
表1 UWB与其他无线局域网技术的比较
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| 数据速率(Mbit/S) | 功耗(mW) | 传输距离(m) | 频段 |
| 蓝牙 | 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不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积小，系统结构简单。UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波器件，因而射频设计也比较简单，系统频率自适应能力强。由于只要能将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因此它的成本可以大大降低。 由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。 UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落的能力。 UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。 由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mW的发射功率实现几公里的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。 三、UWB的调制方式 UWB是发射和接收冲激脉冲的技术，可以使用不同的方式来产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码，可以单独或成组发射，并可根据幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。UWB信号的调制方式有：脉冲位置调制(PPM)、M脉冲位置调制(MPPM)、二进制相移键控(BPSK)、开关键控(OOK)、二进制脉冲幅度调制(BPAM)、M进制脉冲幅度调制(MPAM)、混合脉冲位置调制、直接数字调制、子载波调制等。当前采用较多的是脉冲位置调制(也称时间调制：TM)和二进制脉冲幅度调制，下面就主要介绍这两种调制方式。 1.脉冲位置调制 脉冲位置调制是将需要传递的数字信息调制到脉冲与脉冲之间的超窄(小于1ns)无载频脉冲信号的时隙中去，并以每秒几百万个脉冲的速率发射和接收UWB信号。 假设UWB多径接入系统中有无数个有效的脉冲无线发射机同时发射信号，则第k个发射机输出的典型时跳信号可以表示为： (1)  其中：t(k)是第k个发射机的时钟时间，cj(k)是第k个发射机的跳时码，0≤cj(k)(u)＜Nh,NhTc≤Tf，Tf是平均脉冲重复周期；dj(k)(u)示调制的数据，Wt(t)表示所发送的基本高斯脉冲波形。 理论上开始于发射机时钟的零时刻，且每个发射机发射的数目与发射机有关。因此第k个发射机发射的信号包括大量的变换到不同时间的单周期波形，第k个单周期理论上开始于k时间，表示基本可能抽样空间中的一个因素。 2.二进制脉冲幅度调制 BPAM是超宽带信号的另外一种典型波形，可以表示为： (2)  其中：dj(k)表示第k个发射机传输二进制符号"0"和"1"所对应的"-1"和"+1"。 BPAM与PPM的主要区别是：前者用信息符号控制脉冲幅度，后者用于控制发射信号的时延。 在典型的UWB收发信机结构中，首先在发射端由脉冲重复频率发生器控制脉冲发生器产生一系列的冲激脉冲，然后在调制器中，用待发送的数据对这一系列的脉冲进行脉冲振幅调制或脉冲位置调制，并通过射频滤波器将这一系列带有发送信息的脉冲发送出去。在接收端，天线接收通过多径衰落信道而来的UWB信号，经过噪声放大器将信号能量放大之后输入到相关的解调器中。在相关解调器中，使用与发端同样的冲激脉冲序列对射频滤波，再通过低通滤波、抽样等恢复发送信号。 四、UWB-RT的应用 随着UWB-RT商业化的开始，这项技术为支持高速应用和低速智能设备的短距离无线通信系统的部署提供了可能性。FCC定义的UWB天线系统，使用简单的调制和编码机制，在短距离内可达到的信息速率大于100Mbit/s。UWB在信息速率和覆盖范围之间可以取一个折衷。 大量的应用场景适合使用UWB，主要包括高速无线个人网(HDR-WPAN)，无线以太网接口链路(WEIL)，智能天线区域网(IWAN)，室外点对点网络(OPPN)，传感器、定位和识别网络(SPIN)。 前三种情况假定UWB设备网络部署在居民区或者办公区，主要传送用于娱乐的无线视频/音频和控制信号；第四种情况提供室外点对点连接：而第五种考虑工业和商业环境。 1.HDR-WPAN HDR-WPAN定义为：每个房间的活动设备为5～10，在1～10m范围内，数据速率为100～500Mbit/s，主要基于点对点拓扑。它可利用现有的有线或者无线标准通过中继与外部相连。 2.无线以太网接口链路 可以将HDR的概念扩展到更高的数据速率，如1Gbit/s、2.5Gbit/s。WEIL应该满足以下需求：从PC厂商方面看，需要以太网线的替代品；从消费者角度看，在PC和LCD屏之间要求高质量的无线视频传输能力，可以传无线数字视频。 3.智能天线区域网 IWAN适用于在室内或者办公室等有高密度设备的地方，距离为30m。设备的要求是：低成本、低功率消耗(如1～10mw)，并能给用户提供家庭/办公室的智能分布网。设备的功能应包括准确定位、跟踪、支持环境敏感的设备，这在当前的窄带短距离网络中不太容易实现。在这种情况下，无线最后一英里或者到外部的可用连接可以用来发送报警、控制信号，或者远程检查家庭周围传感器的状态。 4.室外点对点网络 UWB设备部署在室外，主要适用于PDA上行和信息交换，包括新闻文本、图片和视频的下载。采用何种标准将决定着OPPN结构是使用集中方式还是分布方式，这是一个需要进一步研究的课题。 欧洲即将采用的UWB标准将严格限制支持室外的UWB设备的部署。然而，这种情况可能会改变，因为UWB管制的使用也在不断进步，如同过去其他无线业务所经历的一样。 5.传感器、定位和识别网 SPIN系统的特征是设备密度高(每层几百个)。它主要用于在工厂或者仓库发送带有定位信息的低速数据包。SPIN设备使用范围较大，如果为主从拓扑，在单独设备和主站之间的距离可达100m。在工业应用中，SPIN需要高级链路可靠性和自适应的系统特征，以对动态改变的接口和传播环境作出反应。 UWB的一个重要作用就是可根据用户需求提供有效的业务。场景机制的划分和各种网络的发展，包括上面分析的各种情况，都远远不能满足用户的期望。一个宏伟的目标就是在不同场景下，实现各种网络的无缝共存和互操作性，因此涉及有效的连接、自动漫游机制和数据链路的自适应，将是未来一个重要的研究课题。 五、管制和标准化 考虑到UWB-RT系统的新特点，要与现有的业务兼容，并保证不同厂商设备之间的互操作性，还有大量的工作要做。 欧洲电信标准化组织(ETSI)在两年前就开始工作了，为部署非专用UWB设备建立一个立法框架。由EMC和无线频谱技术委员会(TC-ERMC)的TG31组负责，与欧洲邮电管理局(CEPT)SE21合作，ETSI正考虑这项技术的最佳选择和与其他业务的频率共享。 2002年9月，日本信息通信技术分会向总务省(MPHPT)提交了UWB的草案，为UWB的标准化做准备。此外，日本的通信研究实验室(CRL)正与主要的工业伙伴进行研究，开发基于UWB-RT的商用系统。2003年初，新加坡的信息发展署(IDA)建立了一个UWB试验区，给UWB开发者提供了一个进行实地试验的机会。 UWB-RT提供了很好的前景，具有很大的潜力，同时也对管制提出了挑战。FCC许可的UWB信号源仅发射很小的功率，通信距离较短，而且使用的是已经分配给其他业务的频段。然而，很少有人关注UWB信号源可能带来的干扰问题，更多人认为应该关注UWB设备是否应该大量增加，进而变得无所不在。在一个很小的范围内，几百个UWB发射机同时工作可能会对周围的其他业务产生有害的干扰，如对导航、救援、通信或者固定无线接入业务会产生干扰。UWB组织花费了很大的精力来解决这些问题，提出和设计了可以避免产生这些干扰的系统。 FCC和ETSI ERM TG31a都制定了严格的规则，以保证新的UWB无线产品是安全的，并不断进行改善。在欧洲，正在努力保护所有可能受影响的业务，且多数业务提供者都在积极参与CEPT SE24组的技术开发活动，如固定无线接入(FWA)运营商(受影响的频段：3.5GHz、3.6-4.2GHz、4.4-5.0GHz)、蜂窝网运营商(915MHz、1800～2100MHz)和空间科学组织(406～406.1MHz、1400～1427MHz、1544～1545MHz、5250～5460MHz)等。 广泛支持PHY和MAC层工业标准，是UWB-RT成功部署的一个前提。在结合数据通信和定位能力的短距离无线通信系统中，尽管标准应在多大程度上依赖于应用目前还有争论，但将来的UWB-RT一定会把支持标准化PHY/MAC和联网功能作为唯一的选择。 在IEEE内部，任务组3a(TG 3a)集中在定义可选的PHY(Alt-PHY)，基于UWB-RT的802.15.3。这个新定义的Alt-PHY将对多媒体分布域的消费者需求作响应，与已经设计好的MAC(802.15.3a)提供标准特点和新技术的结合，可能在近期得到批准。在新定义的PHY层之上采用预先定义的MAC层，将是UWB-RT商业应用开发的第一阶段。尽管这种方法会降低整个系统的效率和QoS级，但这是一种可行的折衷方案，有助于加速UWB-RT的商业部署。 与标准化同时进行的是无线标准品牌形象的建立。2002年9月，Kodak、HP和Xtremespectrum等公司发起并成立了便携式设备与视听设备之间高速无线多媒体通信的WiMedia联盟，以促进数码相机、MP3播放机、摄像机等设备之间的无线图像及视频传输，并推进IEEE 802.15.3的标准化工作。此外，一个新成立的工作组，IEEE 802.15.3a，正在分析和制定一个基于UWB-RT的低速、低功率和低成本的WPAN技术标准的潜力。 六、UWB研究现状 现在，国外对UWB的研究正在如火如荼地进行着，美国的多所大学，如南加州大学、麻省理工大学、伯克利大学等都在进行UWB通信系统的研究。欧洲也有相应的项目，如德国的Dresden大学、芬兰的Oulu大学等都启动了UWB研究项目。 此外，目前已有许多公司也在进行UWB技术的研究开发工作。美国的XtremeSpectrun公司己开发出在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，它采用双相调制技术和IEEE 802.15.3 MAC协议，传输速率达到100Mbit/s。 Intel、Cisco、Sony等公司都准备进入UWB无线数据通信市场，无线家用网络将会是UWB的主流市场。对于短距离高速WPAN，UWB-RT有希望成为一项可行和有竞争力的无线技术，有能力支持以用户为中心的个人无线通信世界。UWB-RT所具有的新特点，使其可能成为短距离无线设备和应用的基础。在未来的泛网中，对用户而言，从一个网络过渡到另一个网络是透明的。尽管在技术、经济和管制方面还有一些挑战，但各种研究和开发的努力将与全球管制框架相结合，使UWB-RT将会在未来的无线网络中发挥重要的作用。
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