超宽带及其在无线个域网中的应用

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摘　要  近年来，超宽带（UWB）无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。本文介绍了UWB的发展历史并详细归纳了技术特性，最后分析了该技术在无线多媒体个域网中的应用。
1、引言
         随着移动通信十几年来的蓬勃发展及2G、WLAN等技术的商业应用，无线技术已经成为人们日常生活中必不可少的一部分。近年来，短距离宽带无线接入技术发展迅速，而其中的超宽带（UWB，Ultra Wideband）技术是目前最受关注的一种短距离高速无线通信技术。
         自从2002年FCC通过对民用领域开放的规范后，由于其超高的传输速度、超低的功率、低成本与超高的频谱资源利用率等优势能满足无线发展要求，给现有的无线传输技术带来强大的冲击。特别是传统的采用脉冲无线电的超宽带技术，起初也被称为无线载波通信，它是一种不同于传统的窄带无线传输技术，也不同于3G蜂窝网中的扩频宽带技术，直接对ns级的脉冲进行调制，从而产生高达几吉赫兹的超宽带信号，而超宽带所有的优点都源于此。
2、UWB的发展概况
         无线通信经历宽带、窄带到宽带的发展过程。UWB最早的起源可追溯到1个多世纪以前，马可尼采用火花隙作为载波进行人类最早的无线通信。火花隙实际上就是带宽很宽的极窄脉冲，而真正现代意义上的超宽带无线技术，最初又被称为冲激无线电（Impulse Radio）技术，出现于20世纪60年代。当时主要是美国军方用于雷达侦测和无线保密通信研究，采用跳频扩频技术。到了20世纪90年代，美国南加州大学通信科学研究所论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信载波的新途径。发展到1998年，FCC开始征集UWB通信技术在民用通信中的意见，并于2002年2月14日批准了把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。2002年5月召开了关于UWB的第1次全球会议。2003年，Motorola子公司生产出实用的UWB收发设备，2004年8月获得FCC批准，2004年4月，Intel展示的UWB传输速率高达480Mbit/s。2005年10月，中国海尔和Freescale半导体合作生产出了全球第1台基于超宽带商用产品——数字高清晰电视。目前，在国际上占主要地位的UWB设计方案主要包括直接序列CDMA-UWB方案和多载波OFDM-UWB方案，CDMA-UWB是基于脉冲的UWB方案，OFDM-UWB是基于多载波的UWB方案，采用OFDM技术传输子带信息。
3、UWB技术特点
         由于UWB与传统通信系统相比工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：①系统容量大。香农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出，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。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。②高速的数据传输。UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。③多径分辨能力强。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，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。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，UWB信号的衰落最多不到5dB。④隐蔽性好。因为UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。⑤定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。⑥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。⑦低成本和低功耗。UWB无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。由于UWB信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。尽管如此，UWB在技术上面临一定的挑战，还有诸多技术的问题有待研究解决，比如需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多径传播；需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术；研究新的调制技术，进一步降低收发结构的复杂度等。
4、UWB在无线多媒体个域网中的应用
         UWB无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信（速率在100Mbit/s以上）时，传输距离较近，一般在10～20m左右；进行较低速率无线通信和定位时，传输距离可更远。UWB技术采用无载波脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位。与全球定位系统（GPS）相比，UWB技术的定位精确度更高，可以达到10～20cm的精度。正是凭借着短距离传输范围内的高传输速率及高精确度这一巨大优势，UWB进入民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）上。在这样一种小范围内进行高速通信，可以使人们摆脱线缆的束缚，使各种设备以高速无线进行连接。根据超宽带无线传输的特性，UWB技术可以应用于无线多媒体家域网、个域网、雷达定位和成像系统、智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。在无线多媒体个域网中，各种数字多媒体设备根据需要在小范围内组成自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关接入英特网。数字多媒体设备是那些需要收发视频、音频、文本、数据等数字多媒体信息的设备，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。UWB技术可以实现的速率超过1 Gbit/s，与有线的USB 2.0接口相当，远远高于无线局域网802.11b的11 Mbit/s，也比下一代无线局域网802.11a/g的54 Mbit/s高出近一个数量级。UWB通信的功耗较低，能更好地满足使用电池的移动设备的要求。另外，UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频等扩频多址技术，使非授权者很难截获传输的信息，因而安全性非常好。表1是一些典型的实时多媒体应用对不同无线传输技术的数据传输速率的要求。从表中可以看出，如果采用无线的方式来进行传输，只有UWB技术可以满足各种应用的要求。
         表1　多媒体应用的数据传输速率的要求

         表2为下载一些多媒体信息所需的时间。采用UWB技术，可以在合理的时间内完成下载。随着多媒体应用的发展，其内容大小和所需传输速率还将不断提高。因此，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。
         表2　下载多媒体信息所需的时间

5、结束语
         无线通信已经迅速渗入到我们的生活之中，不断增长的容量要求需要一种不对现有通信系统造成影响的新的无线通信方案，而超宽带脉冲无线电系统正好满足了这一要求。在科研人员的努力下，不久的将来技术将会更加完善、更加有效地服务于人们的生活。