超宽带技术及其在无线个域网中的应用

1、引言

未来的无线通信系统是广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）、无线体域网（WBAN）、移动自组织网（Ad hoc）和家庭网等的有机结合。其中短距离无线通信的地位日益重要，它正如一种数字化的神经末梢，将各种终端设备连接在一起，和骨干网络共同形成一个无缝的连接。在现有的几种短距离宽带无线接入技术中，一种与其他无线技术共享频带的超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无线通信技术带来了全新的通信方式和频谱管理模式，成为目前最受关注的短距离高速度无线通信技术。

UWB是指系统带宽（10dB带宽）与系统中心频率之比大于20%或者系统带宽大于500 MHz的通信系统。这种新颖的无线技术与传统的无线技术有着本质的不同。它不是去寻找可能存在的新频谱资源，而是利用频谱重叠技术去充分分享目前正在使用的频谱资源。

UWB技术在雷达和军事中的应用研究已有数十年的历史，但在商业通信中的应用研究则刚刚开始。2002年2月14日，FCC批准了把3.1～10.6GHz之间的频带免授权分配给民用UWB使用的法规，从而拉开了企业界和研发机构竞相研发UWB的序幕。

UWB技术传输速率高，功耗低，且信号具有较强的穿透性，但传输距离较近，在进行高速无线通信（速率在100Mbit/s以上）时，一般有效距离在10m左右。正是凭借短距离范围内的高传输速率这一巨大优势，UWB在进入市场时其应用就被定位在了无线个人局域网。

2、UWB技术特点

2.1　系统容量大，传输速率高

由香农公式C=Blb（1+S/N），带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。借助于极宽的工作频段，UWB具有极高的数据传输能力，若以每平方米比特率（bit/s/m?）度量，IEEE 802.11a为83kbit/s/m?，IEEE 802.11b为1k bit/s/m?，蓝牙为30kbit/s/m?，而UWB可达1 Mbit/s/m?。

2.2　成本小，功耗低

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，因此系统结构比较简单，成本可以大大降低。另外，UWB发射功率严格小于0.56mW，功耗只有50～70μW，这相当于蜂窝手机的千分之一，不会影响人体的健康，并且可以大大延长电池的使用寿命。

2.3　多径分辨能力强，抗多径衰落

UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，不同路径的分辨率可降到纳秒量级，因此对信道多径衰落不敏感，特别适合使用在室内等多径密集的场合。UWB非常窄的波形使得它有可能从信道的多个反射中被独立地分辨出来，从而使得多径衰落大大减小。实验表明，对常规无线信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，对UWB信号的衰落不超过5dB，具有优良的抗多径衰落性能。

2.4　干扰小，保密性好

UWB抗多径衰落固有的鲁棒性，使得它的发射功率可以很低。根据FCC的规定，在UWB带宽内，UWB信号的发射功率要小于0.56mW，也就是说功率密度小于75nW/MHz（-41.3dBm/MHz）。这样，一方面UWB功率低，不会干扰其他通信系统；另一方面，它的信号频谱如同噪声，具有很好的隐蔽性，不容易被截获，保密性好。

2.5　抗干扰能力强

UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。

3、超宽带技术在无线个域网中的应用

尽管UWB在WPAN中的应用还处于起步阶段，但全球各大通信和电器生产厂商已经开始推出各自的基于UWB的WPAN设备来抢占这一前景无限广阔的市场。目前的应用主要表现在以下两个方面。

3.1　构建家庭无线个域网

在无线个域网中，各种数字多媒体设备根据需要，在小范围内组成自组织（Ad hoc）式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过宽带网关，接入因特网。数字多媒体设备是指需要收发视频、音频、文本、数据等数字多媒体信息的设备，比如数码摄像机、数码照相机、MP3播放器、DVD播放器、数字电视、台式机、笔记本电脑、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、手机、各种智能家电、机顶盒等。UWB技术与现有的其他无线通信技术相比，数据传输速率高、功耗低、安全性好。在目前的无线通信技术中，只有UWB技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求。

3.2　建立高速无线办公信息网

现阶段，计算机和计算机之间，计算机和液晶显示屏、打印机、扫描仪等外设之间主要通过通用以太电缆或串行总线接口技术进行有线连接。随着消费者对设备移动性能要求的逐步提高，用无线连接取代有线连接、建立信息化办公领域的WPAN的要求越来越迫切。基于蓝牙技术的WPAN能在一定程度上解决计算机与外设之间的无线互连问题，但由于其在传输速率和设备兼容性等方面的局限，无法得到更为广泛的应用。基于UWB的高速WPAN使得这一问题迎刃而解。在1～10m的距离之内，UWB的速率可高达每秒几百兆乃至几吉比特，完全可以满足构建高速无线办公信息网的要求。

当然以上的举例还不够完全，UWB还在医疗、服务等领域有着诸多的应用。它的最终目标是与其他异类网络无缝共存、协同工作，实现随时随地（everybody and everything at any place and any time）的通信。

4、展望

超宽带技术已给无线通信领域带来前所未有的创新局面，但它的技术应用仍具有很大的潜力。基于超宽带技术的无线个人区域网在多媒体设备互连、家庭和个人网络方面极大地提高了系统性能，这意味着UWB WPAN未来将会在无线通信领域大有作为。在无线局域网相关技术的辅助和WPAN协议标准不断完善下，UWB WPAN必将真正实现不同移动设备间的通信交互和多媒体信息数据交换。

作者：高晖　孙即涛 来源：泰尔网