超寬帶技術(shù)及其新的發(fā)展方向
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一、引言
當設計未來(lái)的短距離無(wú)線(xiàn)通信系統時(shí)，我們要考慮通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人，任何時(shí)間，任何地點(diǎn)”的連接性。這要求新的無(wú)線(xiàn)世界是現在和未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統的綜合，包括WANs，WSP?column=news&key=LAN target=_blank class=qqx_gjz>LANs，WPANs以及Ad Hoc和家用局域網(wǎng)，可以連接各種不同的設備，包括計算機和各種娛樂(lè )設備。要實(shí)現這個(gè)目標，就需要新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。
UWB技術(shù)最初是在1960年作為軍用雷達技術(shù)開(kāi)發(fā)的，早期主要用于雷達技術(shù)領(lǐng)域；1972年UWB脈沖檢測器申請了美國專(zhuān)利；1978年出現了最初的UWB通信系統；1984年UWB系統成功地進(jìn)行了10公里的試驗；1990年美國國防部高級計劃局（DARPA）開(kāi)始對UWB技術(shù)進(jìn)行驗證。2002年2月，FCC批準了UWB技術(shù)用于民用。
UWB技術(shù)發(fā)展慢的原因主要有：在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開(kāi)發(fā)支持UWB的軟件和硬件；由于UWB使用許多專(zhuān)用頻段，FCC對UWB技術(shù)的批準進(jìn)展緩慢；UWB帶來(lái)的干擾問(wèn)題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐；而且，由于UWB技術(shù)可能取代現在使用的所有無(wú)線(xiàn)技術(shù)，包括PAN，WLAN（802.11a，802.11b，802.11g）和無(wú)線(xiàn)WAN（如GPRS，1XRTT），因此，許多公司會(huì )抵制該技術(shù)的商用。
二、UWB頻譜效率
在短距離通信中，UWB-RT為現在的頻譜管理和無(wú)線(xiàn)系統工程中的多數問(wèn)題提供了答案。在UWB-RT中，新的方法是共享現有的頻譜，而不是尋求新的頻段。這個(gè)觀(guān)點(diǎn)得到US管制局的批準。歐洲和亞洲也開(kāi)始了這方面的工作，尤其是日本和新加坡。UWB-RT將對多媒體家用網(wǎng)絡(luò )和娛樂(lè )市場(chǎng)產(chǎn)生很大的沖擊力，它允許實(shí)施智能網(wǎng)絡(luò )和設備，可以實(shí)現以用戶(hù)為中心的無(wú)線(xiàn)通信世界。
FCC的最初報告和工業(yè)界對UWB設備的定義是：一種發(fā)射信號的相對帶寬大于0.2，或者傳輸時(shí)帶寬至少為500MHz的設備。相對帶寬定義為2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分別為-10dB時(shí)的上界頻率和下界頻率。在物理層，UWB通信擴展少量的EIRP，根據FCC的定義，低于0.56mW與其中心頻率相比，穿過(guò)很寬的頻帶。這可以從其功率譜密度中計算出，在3.01～10.6GHz，為75nW/MHz。UWB的這個(gè)定義不僅有高的時(shí)間分辨率，也有比窄帶系統低的衰落邊際。
UWB設備可以分為很多類(lèi)，如圖像系統，車(chē)載雷達系統，通信，測量系統等。它們都需要很高的頻譜效率，通過(guò)采用適當的技術(shù)標準，UWB可以使用現有的無(wú)線(xiàn)設備使用的頻譜，而不會(huì )引起干擾，從而可以更好地利用頻譜。在WBAN/WPAN網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)之間，應用Ad Hoc 的概念，如使用多跳路由，UWB設備可以降低發(fā)射功率和覆蓋范圍，這使得在同樣的區域內，可以有大量的設備運行，極大地增加了頻譜利用率和容量。由于一個(gè)系統的最大傳輸范圍與速率成反比，要在任何時(shí)候，任何地點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，成本會(huì )隨著(zhù)數據速率增加。因此，短距離無(wú)線(xiàn)系統覆蓋的區域很小，基于UWB-RT的技術(shù)，將會(huì )是未來(lái)高空間容量網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)選擇。
三、UWB的優(yōu)點(diǎn)
與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，UWB具有許多優(yōu)點(diǎn)。表1將UWB技術(shù)與其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了比較。UWB技術(shù)的特點(diǎn)有：傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低。UWB通過(guò)改變脈沖的幅度、間距或者持續時(shí)間來(lái)傳遞信息。與窄帶收發(fā)信機和藍牙收發(fā)信機相比，UWB不需要產(chǎn)生正弦載波信號，可以直接發(fā)射沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統共存，提高頻譜利用率。
UWB不需要正弦波調制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統的結構比較簡(jiǎn)單。UWB信號的處理也比較簡(jiǎn)單，只需使用很少的射頻或微波器件，射頻設計簡(jiǎn)單，系統的頻率自適應能力強?？梢詫⒚}沖發(fā)射機和接收機前端集成到一個(gè)芯片上，再加上時(shí)間基和控制器，就可以構成一部UWB通信設備。因此，它的成本可以大大降低。
由于UWB信號采用了跳時(shí)擴頻，其射頻帶寬可以達到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中，用傳統的接收機無(wú)法接收和識別，必須采用與發(fā)端一致的擴頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調，因此增加了系統的安全性。
UWB信號的衰落比較低，有很強的抗多徑衰落的能力。UWB信號的高帶寬帶來(lái)了極大的系統容量，由于UWB無(wú)線(xiàn)電信號發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統容量比其他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)都高。
由于UWB信號的擴頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線(xiàn)，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長(cháng)了系統電源的使用時(shí)間，非常適合移動(dòng)通信設備的應用。有研究表明，使用超寬帶的手機待機時(shí)間可以達6個(gè)月，而且低輻射功率可以避免過(guò)量的電磁波輻射對人體的傷害。
四、UWB-RT的應用
隨著(zhù)UWB-RT商業(yè)化的開(kāi)始用，這項技術(shù)為支持高速應用和低速智能設備的短距離無(wú)線(xiàn)通信系統的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線(xiàn)系統，使用簡(jiǎn)單的調制和編碼機制，在短距離內可達到的信息速率大于100Mb/s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以做一個(gè)折衷。
大量的應用場(chǎng)景適合使用UWB，主要包括：高速無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)（HDR-WPAN）；無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)接口鏈路（WEIL）；智能天線(xiàn)區域網(wǎng)（IWAN）；室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )（OPPN）；傳感器，定位和識別網(wǎng)絡(luò )（SPIN）。
前三種情況假定UWB設備網(wǎng)絡(luò )部署在居民區或者辦公區，主要傳送用于娛樂(lè )的無(wú)線(xiàn)視頻/音頻和控制信號。第四種情況提供室外點(diǎn)對點(diǎn)連接，而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。
1. 高速無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)(HDR-WPAN)
HDR-WPAN定義為：每個(gè)房間的活動(dòng)設備為5～10，在1～10m范圍內，數據速率為100～500Mb/s，主要基于點(diǎn)對點(diǎn)拓撲。使用現有的有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)標準，通過(guò)中繼與外部相連。
2.無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL)
可以將HDR的概念擴展到更高的數據速率，如1Gb/s，2.5Gb/s。WEIL應該滿(mǎn)足以下需求：從PC廠(chǎng)商方面，需要以太網(wǎng)線(xiàn)的替代品；從消費者角度看，在PC和LCD屏之間要求高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸能力，可以傳無(wú)線(xiàn)數字視頻。
3.智能天線(xiàn)區域網(wǎng)(IWAN)
IWAN的特征是：在室內或者辦公室等有高密度設備的地方，覆蓋范圍為30m。設備的要求是：低成本，低功率消耗，如1～10mw，給用戶(hù)提供家庭/辦公室的智能分布網(wǎng)。設備的功能有：準確定位，跟蹤，支持環(huán)境敏感的設備，在當前的窄帶短距離網(wǎng)絡(luò )中不太容易實(shí)現。這種情況，無(wú)線(xiàn)最后一英里或者到外部的可用連接可以用來(lái)發(fā)送報警、控制信號，或者遠程檢查家庭周?chē)鷤鞲衅鞯臓顟B(tài)。
4.室外點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )(OPPN)
UWB設備部署在室外，主要適用于PDA上行和信息交換，新聞文本，圖片和視頻的下載。采用何種標準將決定OPPN結構使用集中式還是分布式的，這是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的課題。
歐洲即將采用的UWB標準將嚴格限制支持室外的UWB設備的部署。然而，這種情況可能會(huì )改變，因為UWB管制的使用也將不斷進(jìn)步，如同過(guò)去其他無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)所經(jīng)歷的一樣。
5.傳感器，定位和識別網(wǎng)(SPIN)
SPIN系統的特征是：設備密度高，每層幾百個(gè)，主要在工廠(chǎng)或者倉庫，發(fā)送帶有定位信息的低速數據包。SPIN設備使用范圍較大，如果為主從拓撲，在單獨設備和主站之間可達100m。在工業(yè)應用中，SPIN需要高級鏈路可靠性和自適應的系統特征，以對動(dòng)態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境作出反應。UWB將起到的一個(gè)重要作用是：根據用戶(hù)需求提供有效的業(yè)務(wù)。場(chǎng)景機制的劃分和各種網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，包括上面分析的各種情況，是遠遠不能滿(mǎn)足用戶(hù)的期望的。一個(gè)宏偉的目標是，在不同場(chǎng)景下，實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫共存和互操作性。因此，設計有效的連接，自動(dòng)漫游機制和數據鏈路的自適應，是將來(lái)一個(gè)重要的研究課題。
五、技術(shù)挑戰
基于窄帶載波調制的短距離無(wú)線(xiàn)系統，不能提供高速數據速率來(lái)傳輸視頻或者準確的移動(dòng)終端位置信息，不能支持位置敏感的應用。今天的市場(chǎng)很需要有這種能力的系統。這也是UWB的一個(gè)研究目標?？梢跃W(wǎng)絡(luò )總的數據速率和其他相關(guān)參數來(lái)標識UWB設備的系統性能和頻譜效率。在UWB設備之間的相互干擾和可達到的QoS級方面，仍然有很多未解決的問(wèn)題?？紤]位置敏感的應用，有必要決定一個(gè)給定的應用所需的準確性，這個(gè)質(zhì)量級在可變信道和網(wǎng)絡(luò )負載條件下能否維持。
在調制和編碼技術(shù)領(lǐng)域也存在挑戰。最初，UWB-RT用于軍事通信，獲得高容量不是一個(gè)主要目標。然而，在商用系統中，有很大的用戶(hù)容量是很重要的。編碼和調制是能夠改善系統多用戶(hù)容量的最有效方法之一，應該設計自適應的調制方法和信道編碼機制。盡管在UWB中，平均EIRP是很低的，短時(shí)間內的峰值功率可能很大，因此，要求能夠優(yōu)化傳輸技術(shù)（如自適應功率控制）。為適應不同的信號傳播環(huán)境，各種高級技術(shù)，如UWB-MIMO，能夠提供所需的高可靠性和自適應能力。與窄帶系統不同，UWB系統受到更少的信號衰落，因為很窄的脈沖在不同路徑上傳播，引起大量獨立衰落的信號成分，可以加以區分，由于高時(shí)間分辨率，導致很大的多徑分集。UWB-MIMO系統也可抗時(shí)域ISI和ICI，因為接收信號有很好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，能簡(jiǎn)單適應脈沖重復頻率到主要的信道時(shí)延擴展。
此外，盡管UWB系統有內在的強健性抵抗多徑，但也不是完全不受影響。極端信號傳播情況會(huì )引起室內環(huán)境中大量的多徑，導致傳播時(shí)延持續10毫秒至幾百毫秒。這引起的ISI限制了系統的最大數據速率，除非有一種有效的方法可以用來(lái)減輕這些影響。在快速脈沖調制技術(shù)（如PPM），實(shí)現有效均衡的成本很高，這個(gè)問(wèn)題在使用低脈沖重復頻率系統中較輕。系統復雜性是另外一個(gè)挑戰，UWB需要多個(gè)并行檢測器或者高階調制。
另外一個(gè)挑戰來(lái)自于物理層UWB設備的天線(xiàn)設計和實(shí)施。一般來(lái)說(shuō)，便攜式通信設備要求很小和不易受損的天線(xiàn)，可以集成到設備中，能夠在不同的環(huán)境下有效工作。有效天線(xiàn)的設計和實(shí)施，是UWB系統設計中的一個(gè)巨大挑戰。
另外一個(gè)問(wèn)題是，來(lái)自于其他無(wú)線(xiàn)信號對UWB接收機的帶內干擾的影響。近處干擾問(wèn)題引起了學(xué)術(shù)界的極大興趣，UWB設備發(fā)射功率譜密度很小，UWB接收機中容易受到噪聲影響和干擾。當一個(gè)區域有大量集中的UWB設備同時(shí)工作時(shí)，也有相同的問(wèn)題，還有多徑傳播的不利影響和設備間干擾現象，以及要考慮在接收機和網(wǎng)絡(luò )層如何發(fā)起和維持同步。
最后，除了非線(xiàn)性模電設計技術(shù)外，還需進(jìn)一步研發(fā)在UWB系統使用新的，先進(jìn)的半導體技術(shù)，如MEMS，SOI等。這些技術(shù)可以提供有效的方案解決速度和同步時(shí)延，功率消耗等問(wèn)題，它們的成功研發(fā)對UWB-RT的未來(lái)開(kāi)發(fā)和應用是至關(guān)重要的。
六、UWB研究現狀
現在有許多公司在進(jìn)行UWB技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。美國XtremeSpectrun公司能夠提供在各種設備之間無(wú)線(xiàn)傳輸音頻、視頻的UWB芯片組，它采用雙相調制技術(shù)和IEEE 802.15.3 MAC協(xié)議，傳輸速率達到100Mb/s。
Intel在2000年成立了UWB研究實(shí)驗室，其實(shí)驗室產(chǎn)品在2～3年內能達到100Mb/s的數據速率。Intel認為UWB在短距離內可以達到400～500Mb/s，因此Intel稱(chēng)UWB為無(wú)線(xiàn)USB。Time Domain公司利用UWB PPM技術(shù)，開(kāi)發(fā)了兩代PulsON芯片，第三代PulsON商用產(chǎn)品也即將問(wèn)世。
2003年1月，Philips和GA簽訂了一個(gè)備忘錄，利用Philips在BiCOMS的優(yōu)勢和GA的UWB技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)速率達480Mb/s的UWB芯片組，并支持IEEE 802.15.3a標準。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了傳輸速率達400Mb/s的UWB芯片組。
新加坡的Cellonics公司開(kāi)發(fā)了基于非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)理論的新技術(shù)，它只需要使用一個(gè)電感器和一個(gè)二極管就可以實(shí)現數字調制解調器，不需要混頻器、振蕩器和鎖相環(huán)。該技術(shù)可以改善UWB接收器設計中的相關(guān)接收，而且簡(jiǎn)單、成本低，功耗也低。
美國Discrete Time公司開(kāi)發(fā)了多頻段UWB技術(shù)，它采用不同頻段發(fā)送信息而不是發(fā)射單個(gè)脈沖。與單頻段UWB相比，多頻段UWB系統的每頻段內可以用較低的速率發(fā)送信息，這降低了UWB的成本，具有較好的自適應性，可以與802.11a共存。
Intel、Cisco、Sony等公司都準備進(jìn)入UWB無(wú)線(xiàn)數據通信市場(chǎng)，無(wú)線(xiàn)家用網(wǎng)絡(luò )將會(huì )是UWB的主流市場(chǎng)。對短距離高速WPAN，UWB-RT有希望成為一項可行和有競爭力的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，有能力支持以用戶(hù)為中心的個(gè)人無(wú)線(xiàn)通信世界。UWB-RT的新特點(diǎn)，可能成為短距離無(wú)線(xiàn)設備和應用的基礎，在未來(lái)的泛網(wǎng)中，對用戶(hù)而言，從一個(gè)網(wǎng)絡(luò )過(guò)渡到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )是透明的。盡管在技術(shù)，經(jīng)濟和管制方面的挑戰，各種研究和開(kāi)發(fā)的努力與全球管制框架結合，會(huì )進(jìn)一步增加UWB-RT成為新的智能短距離聯(lián)網(wǎng)應用和業(yè)務(wù)的首選技術(shù)的機會(huì )。
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