超宽带技术两大提案及其技术发展

摘要　短距离无线系统是今后较长时间内通信领域研究的热点，其中个人局域网概念的提出更推动了个人信息网络的发展。本文着重介绍了作为无线个人局域网技术之一的超宽带技术的定义、标准化制定过程以及两种主要的物理层技术提案，并对其当前的应用和未来的发展做了相关论述。

关键词　UWB　DS-UWB　MBOA　MB-0FDM　CSM

1、引言

　　随着计算机、通信与家电的融合在人们生活中的越来越普遍，设备之间迫切需要高速、互操作性强的无线通信，而超宽带(UWB，Ultra-Wideband)技术就是一种能实现无线局域网(WLAN)和个人局域网(WPAN)无线接口互联接入的技术，它的特点是低功耗、高带宽、高传输速率、低复杂性，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速入和军事通信等。上世纪五六十年代提出的超宽带技术，经过了几十年的发展，其商用价值已初见端倪。2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)宣布了将UWB技术作为民用无线通信技术的法规，现在IEEE802.15.3a的标准化工作也正在讨论中，相信不久，UWB技术将使我们的生活带来不小的变化。

2、超带宽技术概述

　　2.1　超宽带的定义

　　2002年2月14日，美国联邦通信委员会修订了第15标准(Part 15 rules)，它是管理包括UWB设备在内的使用非授权频段的无线设备的标准。在FCC的指导下，对UWB的使用提供了在短距离(不足10米的范围)、低发射功率(平均等方向性辐射能为-41.3dBm/MHz)，其有极高的容量(几个Gbps)的要求。FCC对UWB信号的定义是UWB带宽大于500MHz(UWB带宽指-10dB带宽)，或分数带宽(即带宽与中心频率的比)大于0.20。传统的通信系统一般分数带宽都小于0.01，WCDMA系统的分数带宽约为0.02，而在UWB系统中其分数带宽等于O.2或0.25。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段3.1-10.6GHz内，以极低的功率工作。较低的带内带外发射功率限制确保了UWB设备不会对现存授权频段的设备及其他重要无线设备产生干扰。

　　从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而UWB技术是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲对数据进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。香农理论认为，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比(SNR)的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、SNR的降低而增加。这样，对于WPAN，在发射距离较近的情况下，信号的传播损耗较小，可以通过增加信号带宽来提高系统的容量。

　　2.2　超宽带信号特点

　　(1)隐蔽性好。无线电波空间传播的公开性是无线电通信较之有线通信的固有不足。超宽带无线电的射频带宽可达几个GHz以上，且所需的发射功率一般在10uW，其功率谱密度很低，信号被隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检测。例如，TM-UWB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间，采用一种独特的时序编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率，以提供难以被探测和截听的安全传输，而且由于极短的波形持续时间，更易于实现多用户通信中的分组突发传输。

　　(2)处理增益高。超宽带无线电处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每一个比特所用脉冲数，可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。

　　(3)多径分辨能力强。超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10-30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。

3、超宽带的标准化工作

　　3.1　超宽带技术的发展

　　二十世纪五十年代开始就使用UWB技术进行微波网络的瞬态响应的研究，1973年出现了第一个UWB通信专利，1986年第一个短脉冲UWB通信系统问世。1993年美国南加州大学通信科学研究所论证了采用短脉冲跳时调制多址技术进行通信的UWB理论，从此开始了现代UWB无线通信技术的研究与开发工作。1994年第一套公开的UWB通信系统出现。2002年FCC允许UWE民用通信系统投入使用。近几年，UWB技术有较快的发展。2003年，Motorola公司生产出以DS(Direst Spread)-UWB为技术的商用UWB收发设备，2004年8月获FCC批准。2004年4月，Intel也展示了其以MB-OFMD(Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为技术的UWB芯片，传输速率达480Mbps。

　　多种技术的出现也加快了标准化工作的进程，2003年IEEE批准成立了802.15.3的另一个物理层(PHY)标准组TG3a，2月TG3a征集到31个不同的PHY层提案，3月就对其中的24个进行了评估，这其中又有23个是基于UWB技术的。9月经过几轮的投票最后只剩下2个候选提案，即1号合并提案(由Intel，TI等提出)的MB-OFDM和2号合并提案(Motorola等提出)的DS-UWB。

　　3.2　IEEE802.15工作组的分工

　　WPAN的标准化工作由IEEE802.15组负责，它是一个由多个公司组成的国际标准化工作组。IEEE802.15工作组负责WPAN的多种标准的制定工作，它分为四个工作组，如表1所示。

表1　IEEE802.15工作组任务分工

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IEEE802.15 WPAN

IEEE802.15.1

以蓝牙标准为基础

速率732kbps

范围：10m

频带：2.4GHz ISM频段

IEEE802.15.2

研究共存模型和机制

WLAN与WPAN之间的冲突和共存情况研究

IEEE802.15.3

速率10-55Mbps

范围在30-50m

频带：2.4GHz ISM频段

IEEE802.15.3a

非常高的数据率

53.3-480Mpbs

范围小于10m

频带：3.1-10.6GHz

IEEE802.15.4

低功率消耗

速率：20-250kbps

范围：10-75m

频带：2.4GHz、915MHz和868MHz频段

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　　IEEE802.15.1工作组：主要负责以蓝牙V1.1为基础的标准化工作。蓝牙技术用于在个人设备间较短距离上传送数据。蓝牙技术使用跳频扩频(FH-SS)技术，将1MHz间隔分成79个频点，跳频速率达1600hop/s，使用高斯成形的BFSK符号调制。传送数据业务可最大达单向732kbps，双向64kbps。802.15.1标准允许WPAN设备与802.11设备之间的数据传送。IEEE标准化委员会(IEEE-SA)于2002年4月15日批准了此项标准，并于2002年6月14日颁布了此项标准。

　　IEEE802.15.2工作组：主要任务是研究工作在相同环境中的两种无线系统的共存问题。IEEE802.15.2工作组有两个目标：一是对WPAN和WLAN设备之间的相互干扰进行量化；二是在MAC层和PHY层建立一种WPAN和WLAN的共存机制。

　　IEEE802.15.3工作组：标准草案规定在2.4GHz ISM频段系统可以工作在5个15MHz的信道上，其中两个信道与IEEE802.11b相互干扰。通过变换调制方式(QPSK、DQPSK、16/32/64-QAM)和编码方式(格形编码调制)可以提供5种数据传输率(11Mbps、22Mbps、33Mbps、44Mbps和55Mbps)。本标准的MAC与WPAN设备可构建微微网。MAC层还可提供多媒体的服务质量、功率控制和ad-hoc网支持。IEEE802.15.3a工作组是作为802.15.3的一个高速物理层的补充，它的目的是研究支持10m以内短距离WPAN的110-480Mbps速率的物理层标准。也就是说，IEEE802.15.3a只是一个物理层标准，其WPAN的MAC层标准和IEEE802.15.3一致。

　　IEEE802.15.4工作组的重点集中在低速率、低功耗的WPAN上。此标准的频谱分配：在868MHz有一个信道、在916MHz频段有10个信道、在2.4GHz频段有16个信道。调制方式采用MSK或BPSK，传送范围为10-75m。标准的MAC层支持多种ad-hoc的拓扑结构，保证能分组传送。IEEE标准化委员会于2003年5月12日批准了IEEE802.15.4草案。另外802.15.4a作为802.15.4的一个补充，其物理层的标准可能采用低速率的超宽带技术。

　　对802.15.3a的两个提案，做如下说明。

　　3.3　MB-OFDM技术

　　2004年1月由Intel发起与TI、Nokia等几个大公司组建了MBOA联盟，其主要技术基础是MB-OFDM(如表2所示)，到2004年9月已有成员公司180多家。MB-OFMA技术是根据FCC规范的说明，将3.1-10.6GHz频段分成14个频段，5个频段组，前4个频段组分别由3个频段组成，第5个频段组由2个频段组成。每个频段的带宽为528MHz。系统的传输可达到53.3、80、110、160、200、320、400和480Mbps。每一个频段被分成128个子载波，其中122个为数据调制和导频子载波。采用前向纠错码(FEC)的卷积编码，码率分别为1/3、11/32、1/2、5/8和3/4。

　　系统中每一个频段共使用时频交织OFDM(TFI-OFDM)方式，允许将每一个UWB频段分成一组正交的窄带信道。它的特点是频谱利用高、频段配置灵活、速率扩展性好。因为OFDM的符号周期增加了，这种调制方式可有效地降低ISI的影响，但是这种性能的提高是以收发设备的复杂性为代价的，而且还要考虑载波间干扰(ICI)的影响以及放大电路的线性约束条件等。

表2　MB-OFDM物理层建议

[table]

频谱分配

频带数

14频段组成5个频段组，基本3个强制频段，

带宽

11个可选频段528MHz

频率范围

1组：3.168-4.752GHz

2组：4.752-6.336GHz

3组：6.336-7.920GHz

4组：7.920-9.504GHz

5组：9.504-10.560GHz

调制方式

TFI-OFDM(128点的FFT)QPSK

多址方式

时频交织

共微微网的数目

4

纠错码

卷积码

码速率

11/32 @ 110Mbps，

5/8　@ 200Mbps，

3/4　@ 480Mpbs

链路预算

5.3dB　@ 10m @ 110Mpbs

10.0dB @ 4m @ 200Mbps

11.5dB @ 2m @ 480Mpbs

符号周期

312.5ns OFDM符号

缓解多径的方式

单抽头(在延时扩展为60.6na时系统具有稳键性)及保护间隔

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　　3.4　DS-UWB技术

　　DS-UWB技术(如表3所示)最早是由XtremeSpectrum公司提出并研制出三个芯片的套片，分别为射频模块、MAC模块和基带处理模块，后被Motorola公司旗下的Freescale半导体收购。这一技术采用的双频段脉冲无线电扩频方式，频段中不考虑5.2-5.8GHz，每一个频带用短脉冲传送，带宽超过1GHz(即脉冲无线电)，使用每符号24个码片的DS-SS调制，纠错方式采用R-S码和卷积码。

　　它有效地利用了香农理论，实现准确定位，达到较高的频谱利用率。但是在标准的实施过程中，易受当地政策对频率资源规划的限制。

表3　DS-UWB物理层建议

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频谱分配

频带数

2

带宽

1.368GHz，2.736GHz

频率范围

3.2-5.15GHz

5.825-10.6GHz

调制方式

BPSK、QPSK、DS-SS

共存方法

在WLAN频段内(~5GHz)没有信号

多址方式

CDMA

共微微网的数目

8

纠错码

卷积码，R-S码

码速率

1/2 @ 110Mbps

RS(255,223)@ 200Mbps，

RS(255,223)@ 480Mbps

链路预算

6.7dB　@ 10m @ 114Mbps

11.9dB @ 4m　@ 200Mbps

1.7dB　@ 2m　@ 600Mbps

码片长

731 ps(低频段时)

365.5 ps(高频段时)

缓解多径的方式

决策反馈均衡和RAKE

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4、通用信令模式

　　由MBOA联盟和UWB论坛分别提出的两个解决方案所提供数据速率和通信距离范围很相似，但是，以各自技术为依托，市场上也涌现出多种UWB架构以满足不同的价格、数据速率和能耗要求的产品，这就需要一个公共物理层(PHY)标准来实现，它允许遵从该标准的UWB设备使用DS-UWB、MB-OFDM和/或未来的一些UWB技术，同时在共享的UWB频谱内仍可相互通信和协调。因此，DS-UWB论坛设计出了一种支持MB-OFDM技术、DS-UWB技术以及其他UWB技术的公共信令模式(CSM，Common Signaling Mode)。CSM基于最小500MHz带宽的二进制移相键控(BPSK)前导(Beacon)信号，是这些技术的“最小公分母”。

　　CSM业务处在IEEE 802.15.3媒体访问控制(MAC)协议子层以及MB-OFDM与DS-UWB信令协议的框架之内。MAC协议允许多个无线设备利用时分多址(TDMA)为同一个人局域网内不同设备分配时隙来共享一个无线电信道，时间预约机制可以有效共享公共无线信道。公共时隙中的控制和前导信号能被所有接入的无线设备接收和解释。这些MAC特性使CSM十分有效，它能对两个或多个不同的PHY协议进行仲裁。CSM作为一种基本模式，会被每一种遵从标准的设备采纳。作为单一的多模式标准的一部分，设备也会支持一种(简单设备)或多种(复杂设备)高速PHY。

　　CSM使用的中心频率与MB-OFDM所规定三个子频段中中间频段的中心频率严格一致，也和DS-UWB较低频段的中心频率一致。CSM采用UWB脉冲，在至少500MHz带宽内以公共码速率发送脉冲。MB-OFDM收发信机和DS-UWB收发信机使用的基本处理模块均能够方便地产生和接收CSM信号。

　　CSM信号由一个很简单的BPSK信号构成，其编码方式可获得良好的微微网同步性能。CSM PHY的关键参数是信号中心频率和前导时间序列的公共信令速率，不同UWB系统均可同等实现该速率。MAC还要求合适的控制与协调信息。

　　CSM适合于采用MB-OFDM和DS-UWB以及其它UWB信号格式的场合，并带来三个特殊功能：多种非兼容设备可接收CSM广播前导信号和控制信号；允许从其它非兼容设备获取原始消息交换和其它控制信息；时隙调整有利于异型设备间的数据传输。这些功能可在802.15.3微微网环境下为MB-OFDM和DS-UWB设备提供协调能力。

5、超宽带技术发展的方向及展望

　　从技术角度讲，超宽带无线通信技术的研究方向主要有硬件研发和算法研究两方面，其中硬件主要集中在电路及芯片的设计制造方面，包括纳秒级脉冲信号的产生、无线接口技术的研究以及芯片工艺的设计等方面。算法研究主要集中在物理层基带信号处理方法以及网络协议的研究上，物理层研究包括调制编码方式、信道研究、同步算法等；网络协议的研究在无线通信领域一直是研究的重要方面，超宽带技术也不例外，通过协议的研究能达到最大限度地提高传输速率、降低传输延迟的目的。

　　从应用的角度讲，根据超宽带的技术特点，它尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事应用中。如：高速移动LAN、成像和监视系统、军事通信、地面穿透雷达、汽车传感器和医用检测器，同时由于其高速的传输速率，将在家庭娱乐及手机等无线网络设备中将有更广的发展空间。随着2005年超宽带产品的集中上市，超宽带的时代已经来临。

6、结论

　　超宽带技术的国际标准化工作还在进行，两种技术不论谁将成为标准(也可能两种技术都将成为标准)，但勿庸置疑，由于超宽带技术所具有的高传输速率、低复杂性和抗多径等特性，作为一种短距离无线通信技术，随着产品的商业化步伐和标准化工作的进程，将会有更大的发展。

作者：焦胜才　郑伟　温向明 来源：中国联通网站