超寬帶(UWB)無線通信與未來應(yīng)用
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與普通二進制移相鍵控(BPSK)信號波形相比，UWB方式不利用余弦波進行載波調(diào)制而發(fā)送許多小于1ns的脈沖，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。
不要說BPSK等信號，即使與通常的擴頻信號(2.4GHz頻段無線LAN的幾十MHz帶寬)相比，也是超寬帶寬(數(shù)GHz帶寬)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號(2.4GHz無線LAN低于10mW/MHz)，UWB信號也低得多(低于10nW/MHz)，在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。而且由于脈沖的時間寬度極小，故能把多路徑分得更小，能實現(xiàn)RAKE接收(匯集接收許多方向的電波)。不過，UWB采用大量由1ns以下脈沖(單周期)組成的基帶信息，因此當(dāng)多重接入(Multiple Access)時，與其它局的單周期沖突時將出錯。這種沖突概率是左右誤碼率等系統(tǒng)性能的主要因素。
UWB特點
UWB的特點是不使用攜載信息信號的載波而代之以單周期的基帶信號進行傳送。由于占用帶寬達數(shù)GHz，即使傳送路徑特性良好也會產(chǎn)生失真。但是，由于UWB采用非常寬的帶寬，它具有以下特點：
①可以把多路徑的時延分解到1ns以下，這樣就能充分抑制多路徑衰落的影響；
②利用高的路徑分解能力，可用UWB實現(xiàn)室內(nèi)的高質(zhì)量近距離無線通信；
③衰落影響的降低，故發(fā)送功率很小即可；
④發(fā)送功率低的UWB中，功率譜密度非常小，故幾乎不對其它寬帶傳輸帶來影響。
UWB的物理特點：
①UWB信號
●單周期的脈沖序列
●不用余弦波的載波(也有使用廣義上的載波者)
●通常，脈沖時寬從微微秒到納秒
●典型的脈沖波形為高斯型
●脈沖重復(fù)周期通常間隔0.1秒
②UWB帶寬
●帶寬比=帶寬/中心頻率，通常在25%以上
帶寬比
●fc=2.4GHz,fh=3.0GHz,fl=1.8GHz時，帶寬比=50%,試與以往的通信方式比較：
AM：6.8KHz/530KHz=1.3%
cdmaOne:1.25MHz/800MHz=0.15%
W-CDMA:5MHz/2200MHz=0.23%
無線LAN(IEEE802.11)：22MHz/2450MHz=0.9%
③處理增益(PG)
UWB系統(tǒng)在占用同樣帶寬下具有與DS-CDMA系統(tǒng)同等程度的處理增益，故抗干擾能力強。
④通信容量
使用GHz級帶寬的UWB可以高可靠性實現(xiàn)超高速傳輸(后述)。
UWB在實用上的特點：
①功率譜密度極低(噪聲電平低于DC-SS)，對原有通信系統(tǒng)的干擾和被干擾小，可共存
②平均功率電平在1mW以下，可傳送數(shù)英里
③利用極短的脈沖(ns量級)，具有高的路徑分解能力，有利于實現(xiàn)RAKE，并可實現(xiàn)雷達的高精度測距(數(shù)cm級)。
④無載波，信號發(fā)射時間極短，可建立小型低功率的系統(tǒng)。
⑤占用非常寬的帶寬(GHz級)，可實現(xiàn)大容量多路接入和超高速傳輸(<數(shù)百Mbps)
⑥能同時進行通信與測距，可應(yīng)用于車輛間通信等。
采用這么寬的頻帶能實現(xiàn)高速傳送的道理可用仙農(nóng)引入的信道容量來說明。無論有線或無線的情況，物理上能對所提供的每個信道進行無誤傳送的最大傳輸速度，被定義為信道容量。特別地，在可傳輸?shù)念l段B受限，而有噪音產(chǎn)生誤碼的信道中，信道容量C由下式表示：
式中C=最大信道容量(bps),B=信道帶寬(Hz)，
P=信號功率(W)，N=噪音功率(W)
這就是說，最大傳輸速度C大致與信道的帶寬B成正比，如提高信噪比，C就能增大。所以，像UWB這樣把帶寬B擴展到GHz數(shù)量級，便能實現(xiàn)超高速傳輸。
至于信道中的誤碼，在通常的無線通信中并不僅是噪音，還有墻壁等障礙物的電波反射和折射等造成的多重傳播，即所謂多徑(Multi-path)造成信號間的干擾。而且在多個用戶接入無線信道，即所謂多重接入時，用戶間的脈沖在時間上沖突引起用戶間干擾，也會產(chǎn)生誤碼。為此，在UWB中，對各個用戶進行時跳模式(TH)的分配，以盡可能避免脈沖在時間上的沖突。盡管如此，但他局脈沖與本局脈沖沖突的概率仍決定著系統(tǒng)的性能，因此，在傳輸速度一定的條件下，如能擴大脈沖的間距，那么，UWB的系統(tǒng)性能會更好。
UWB技術(shù)更早是作為脈沖雷達來研究開發(fā)的。用UWB信號測距的原理很簡單，當(dāng)所發(fā)送的脈沖碰到障礙物，計算收到其反射信號的時間，用電磁波的傳輸速度乘以該脈沖的往返時間，便能計算出往返的距離。
雖然UWB在過去已進行了應(yīng)用開發(fā)，但要商用化應(yīng)研究的課題尚多，大致有以下各點：
①在超寬頻段產(chǎn)生時間極短脈沖的電路、元件以及超寬頻段天線、高頻電路的制造；
②接收時每個脈沖位置的檢測精度；
③多徑環(huán)境下脈沖信號間的干擾；
④多用戶環(huán)境下脈沖沖突產(chǎn)生的用戶間的干擾(系統(tǒng)內(nèi)干擾)
⑤共用頻率(共存系統(tǒng))產(chǎn)生的系統(tǒng)間干擾；
UWB的應(yīng)用
近年來，對移動信息通信系統(tǒng)的大容量、高可靠和高品質(zhì)化的要求普遍迅速增大，多種多樣的服務(wù)正在出現(xiàn)。在寬帶無線通信系統(tǒng)已引入了寬帶CDMA的IMT2000及其下行寬帶流的HDR，在無線LAN中已開發(fā)了2.4GHz頻段采用SS(擴頻)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳頻)的藍牙，5.2GHz頻段采用OFDM(正交頻分復(fù)用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可說是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。
這些方式都使用寬帶的調(diào)制方式，也能實現(xiàn)高速無線傳輸。而不用載波、用占用非常寬的頻帶的脈沖信號進行無線傳輸?shù)腢WB方式，由于高頻器件、信號處理技術(shù)的研究開發(fā)已增加了實現(xiàn)性，在領(lǐng)先研究者中對其理論的可行性極為關(guān)注。
充分利用UWB特點的應(yīng)用已在研究中。尤其是考慮到電波法對發(fā)送功率的限制等，在目前使用藍牙等技術(shù)的近距離無線市場中，可實現(xiàn)更高速的基帶無線通信，且具有傳感功能的UWB技術(shù)，一下子就受到了人們的關(guān)注?？煽紤]的主要應(yīng)用包括室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等。尤其是可考慮以下應(yīng)用：
1)通信
●數(shù)據(jù)速度：低速(幾十kbps)~超高速(數(shù)百Mbps)
●通信范圍：幾米(約5米)
●“第3代”藍牙發(fā)展或無線PAN(個人局域網(wǎng))
●IEEE802.15(無線PAN)
●把TG3(達到20Mbps)規(guī)范高速化
●家庭內(nèi)為主要的數(shù)據(jù)傳輸
●近距離100Mbps以上的無線傳輸
●無線USB2.0
●數(shù)據(jù)速率：480Mbps(USB2.0)
●美國XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技術(shù)方案
2)雷達、檢測器
●軍事用途
●警察及消防(穿墻檢測器等)
●高精度測距(防撞檢測器等)
UWB的應(yīng)用目標(biāo)如圖1所示，在100Mbps左右的高速無線系統(tǒng)中，功耗可比IEEE802.11a.b.g等大為降低，可應(yīng)用于電池驅(qū)動的便攜式系統(tǒng)。
UWB的法制化
在對UWB商用化的關(guān)注中，電波法上的問題已開始打通。表1列出美國對UWB商用化的積極行動。就2002年2月14日美國FCC認(rèn)可UWB商用問題，各國都在進行修改電波法等的研究。美國迄今的情況可歸納如下：
① 雖未準(zhǔn)許有組織的允許頻段外的發(fā)射但FCC已在準(zhǔn)許無執(zhí)照系統(tǒng)的UWB商用化方面進行了研究。為此，必須放棄有關(guān)有組織發(fā)射的FCC Part15規(guī)定。
②目前的RF信道分配限制預(yù)料今后已不適用，另一方面FCC正在研究保護GPS等現(xiàn)有系統(tǒng)免受有害干擾的對策。表明在采用新規(guī)定之前要有充分的機會進行試驗、分析。
③這些試驗既對頻率資源的有效利用作用重大，也將成為正式引入商用UWB系統(tǒng)的巨大牽引力。
FCC關(guān)于UWB商用化的討論中，根本的問題是對現(xiàn)有無線應(yīng)用系統(tǒng)的干擾問題，研究的主要問題如下：
應(yīng)避免UWB干擾的頻段
①基本要點
●在對UWB系統(tǒng)限制的同時也必需對噪音的限制制度化
●必須考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存，特別應(yīng)考慮對敏感系統(tǒng)的低功率干擾
●特別是對射電天文、GPS、UMTS、航空系統(tǒng)等是否禁止頻率共用，必須十二分地限制。
●受到限制的頻段有65個
②對GPS的干擾
●衛(wèi)星的地面接收信號功率大致為-134dBm(10~16W)
●典型的GPS接收靈敏度：-135dBm@1575.42MHz
●UWB信號引起的干擾在30~100m的近距離上將有問題
●因此，必須嚴(yán)格限制UWB信號的頻段或改善具干擾抑制功能的UWB發(fā)射機。
③對射電天文的干擾
●射電天文由于靠來自宇宙的極其微弱的電信號觀測天文現(xiàn)象，從來都大量使用微波、毫米波段的無線通信系統(tǒng)，當(dāng)對觀測的干擾明顯時，國際機構(gòu)URSI也將討論其對策
●擔(dān)心UWB信號，尤其是寬頻段上、峰值功率高的脈沖信號對射電天文帶來干擾。
考慮到這些情況，目前FCC正在研究UWB用的頻帶及相關(guān)的技術(shù)條件，并按支持UWB商用化的觀點制定具體方案。其大致要點包括：
①通信及測量系統(tǒng)
●頻段：3.1GHz~10.6GHz
●室內(nèi)限定為對等(peer-to-peer)型通信
②成象系統(tǒng)
●地下探查用雷達、墻內(nèi)探查、醫(yī)療、安全用途等(限制使用者)
●960MHz以下、1.99GHz或3.1GHz~10.6GHz
③車載雷達系統(tǒng)
●汽車防撬雷達等
●中心頻率高于24.075GHz。
日本的UWB研究開發(fā)
面對美國主導(dǎo)的UWB商用化，日本基于產(chǎn)業(yè)界的要求，出現(xiàn)了一些動向，但尚未成為統(tǒng)一的行動。日本通信綜合研究所(CRL)從2002年5月開始UWB特別R&D小組的籌備，8月成立了實施UWB計劃的特別小組，全面進行微波到毫米波的UWB研究開發(fā)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定等，并以CRL為中心組成UWB產(chǎn)學(xué)官財團，為有關(guān)UWB的電波制度的國際協(xié)調(diào)及日本有關(guān)UWB商品化的服務(wù)為主要目的，推進產(chǎn)學(xué)官的合作研究開發(fā)。
圖2示出UWB系統(tǒng)的地位，表2給出系統(tǒng)間的比較。
UWB產(chǎn)學(xué)官財團的目的：
●超寬帶無線接入系統(tǒng)的研發(fā)
●通過采用測試臺的微波段系統(tǒng)(960MHz、3.1GHz~10.6GHz頻段、22GHz~29GHz頻段)進行檢證試驗
●未利用頻段(亞毫米波~毫米波段)的研發(fā)
●達到高速數(shù)據(jù)傳輸(100Mbps以上)的低成本收發(fā)組件及通信方式的確定
●希望在信息技術(shù)審查/ARIB等方面標(biāo)準(zhǔn)化
UMB財團的主要研究課題：
●頻率共用技術(shù)
●超寬帶專用通信方式
●高速(100Mbps以上)傳輸技術(shù)
●超寬帶微波、毫米波器件技術(shù)
●電波傳輸特性的了解與模型化
●干擾抑制與去除方式
●高速脈沖信號處理技術(shù)(RF段、BB段)
●位置測定方式。
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