超寬帶無線技術(shù)
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一、引言
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)短距離高速無線通信的需求。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)未來的短距離無線通信系統(tǒng)時(shí)，需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。這就要求新的無線世界是現(xiàn)在和未來無線通信系統(tǒng)的綜合，包括WANs、WLANs、WPANs和Ad Hoc以及家用局域網(wǎng)。它可以連接各種不同的設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)和各種娛樂設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要開發(fā)新的無線技術(shù)。
UWB技術(shù)最初是在1960年作為軍用雷達(dá)技術(shù)開發(fā)的，早期主要用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。1972年，UWB脈沖檢測(cè)器申請(qǐng)到了美國(guó)專利；1978年，出現(xiàn)了最初的UWB通信系統(tǒng)；1984年，UWB系統(tǒng)成功地進(jìn)行了10公里的試驗(yàn)；1990年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃局(DARPA)開始對(duì)UWB技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用。
UWB技術(shù)發(fā)展緩慢的原因主要有：①在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開發(fā)支持UWB的軟件和硬件；②由于UWB使用許多專用頻段，F(xiàn)CC對(duì)UWB技術(shù)的批準(zhǔn)進(jìn)展緩慢：③UWB帶來的干擾問題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐。另外，由于UWB技術(shù)可能取代現(xiàn)在使用的所有無線技術(shù)，包括PAN、WLAN(802.11a、802.11b、802.11g)和無線WAN，因此，許多公司會(huì)抵制該技術(shù)的商用。
二、UWB的優(yōu)點(diǎn)
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)在2002年2月14日的規(guī)定中，超寬帶系統(tǒng)被定義為相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率的比)大于20%或帶寬大于500MHz的信號(hào)系統(tǒng)。與其他無線通信技術(shù)相比，UWB具有許多優(yōu)點(diǎn)，表1列出了UWB技術(shù)與其他無線局域網(wǎng)技術(shù)的比較。UWB技術(shù)具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低的特點(diǎn)。此外，它還可通過改變脈沖的幅度、間距、或持續(xù)時(shí)間來傳遞信息。
與窄帶收發(fā)信機(jī)和藍(lán)牙收發(fā)信機(jī)相比，UWB不需要產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，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(tǒng)共存，提高了頻譜利用率。
表1 UWB與其他無線局域網(wǎng)技術(shù)的比較
數(shù)據(jù)速率(Mbit/S) | 功耗(mW) | 傳輸距離(m) | 頻段 | |
藍(lán)牙 | 1-2 | 1OO | 100 | 2.4GHz |
IEEE 802.11b | 11 | 200 | 100 | 2.4GHz |
IEEE 802.11a | 54 | 40-800 | 20 | 5GHz |
IEEE 802.11g | 54 | 65 | 50 | 2.4GHz |
UWB | 100-500 | 1 | 10 | 3.1-10.6GHz |
UWB不需要正弦波調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。UWB對(duì)信號(hào)的處理只需使用很少的射頻或微波器件，因而射頻設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)頻率自適應(yīng)能力強(qiáng)。由于只要能將脈沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(gòu)成一部UWB通信設(shè)備，因此它的成本可以大大降低。
由于UWB信號(hào)采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，其射頻帶寬可以達(dá)到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號(hào)隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號(hào)之中，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收和識(shí)別，必須采用與發(fā)端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)的安全性。
UWB信號(hào)的衰落比較低，有很強(qiáng)的抗多徑衰落的能力。
UWB信號(hào)的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號(hào)發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強(qiáng)的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術(shù)都高。
由于UWB信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源的使用時(shí)間，非常適合移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用。有研究表明，使用超寬帶的手機(jī)待機(jī)時(shí)間可以達(dá)6個(gè)月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對(duì)人體的傷害。
三、UWB的調(diào)制方式
UWB是發(fā)射和接收沖激脈沖的技術(shù)，可以使用不同的方式來產(chǎn)生和接收這些信號(hào)以及對(duì)傳輸信息進(jìn)行編碼，可以單獨(dú)或成組發(fā)射，并可根據(jù)幅度、相位和脈沖位置對(duì)信息進(jìn)行編碼。UWB信號(hào)的調(diào)制方式有：脈沖位置調(diào)制(PPM)、M脈沖位置調(diào)制(MPPM)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、開關(guān)鍵控(OOK)、二進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制(BPAM)、M進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制(MPAM)、混合脈沖位置調(diào)制、直接數(shù)字調(diào)制、子載波調(diào)制等。當(dāng)前采用較多的是脈沖位置調(diào)制(也稱時(shí)間調(diào)制：TM)和二進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制，下面就主要介紹這兩種調(diào)制方式。
1.脈沖位置調(diào)制
脈沖位置調(diào)制是將需要傳遞的數(shù)字信息調(diào)制到脈沖與脈沖之間的超窄(小于1ns)無載頻脈沖信號(hào)的時(shí)隙中去，并以每秒幾百萬個(gè)脈沖的速率發(fā)射和接收UWB信號(hào)。
假設(shè)UWB多徑接入系統(tǒng)中有無數(shù)個(gè)有效的脈沖無線發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，則第k個(gè)發(fā)射機(jī)輸出的典型時(shí)跳信號(hào)可以表示為：
(1)
其中：t(k)是第k個(gè)發(fā)射機(jī)的時(shí)鐘時(shí)間，cj(k)是第k個(gè)發(fā)射機(jī)的跳時(shí)碼，0≤cj(k)(u)＜Nh,NhTc≤Tf，Tf是平均脈沖重復(fù)周期；dj(k)(u)示調(diào)制的數(shù)據(jù)，Wt(t)表示所發(fā)送的基本高斯脈沖波形。
理論上開始于發(fā)射機(jī)時(shí)鐘的零時(shí)刻，且每個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的數(shù)目與發(fā)射機(jī)有關(guān)。因此第k個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)包括大量的變換到不同時(shí)間的單周期波形，第k個(gè)單周期理論上開始于k時(shí)間，表示基本可能抽樣空間中的一個(gè)因素。
2.二進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制
BPAM是超寬帶信號(hào)的另外一種典型波形，可以表示為：
(2)
其中：dj(k)表示第k個(gè)發(fā)射機(jī)傳輸二進(jìn)制符號(hào)“0”和“1”所對(duì)應(yīng)的“-1”和“+1”。
BPAM與PPM的主要區(qū)別是：前者用信息符號(hào)控制脈沖幅度，后者用于控制發(fā)射信號(hào)的時(shí)延。
在典型的UWB收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)中，首先在發(fā)射端由脈沖重復(fù)頻率發(fā)生器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一系列的沖激脈沖，然后在調(diào)制器中，用待發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)這一系列的脈沖進(jìn)行脈沖振幅調(diào)制或脈沖位置調(diào)制，并通過射頻濾波器將這一系列帶有發(fā)送信息的脈沖發(fā)送出去。在接收端，天線接收通過多徑衰落信道而來的UWB信號(hào)，經(jīng)過噪聲放大器將信號(hào)能量放大之后輸入到相關(guān)的解調(diào)器中。在相關(guān)解調(diào)器中，使用與發(fā)端同樣的沖激脈沖序列對(duì)射頻濾波，再通過低通濾波、抽樣等恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。
四、UWB-RT的應(yīng)用
隨著UWB-RT商業(yè)化的開始，這項(xiàng)技術(shù)為支持高速應(yīng)用和低速智能設(shè)備的短距離無線通信系統(tǒng)的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單的調(diào)制和編碼機(jī)制，在短距離內(nèi)可達(dá)到的信息速率大于100Mbit/s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以取一個(gè)折衷。
大量的應(yīng)用場(chǎng)景適合使用UWB，主要包括高速無線個(gè)人網(wǎng)(HDR-WPAN)，無線以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL)，智能天線區(qū)域網(wǎng)(IWAN)，室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(OPPN)，傳感器、定位和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)(SPIN)。
前三種情況假定UWB設(shè)備網(wǎng)絡(luò)部署在居民區(qū)或者辦公區(qū)，主要傳送用于娛樂的無線視頻/音頻和控制信號(hào)；第四種情況提供室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接：而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。
1.HDR-WPAN
HDR-WPAN定義為：每個(gè)房間的活動(dòng)設(shè)備為5～10，在1～10m范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為100～500Mbit/s，主要基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洹Ｋ衫矛F(xiàn)有的有線或者無線標(biāo)準(zhǔn)通過中繼與外部相連。
2.無線以太網(wǎng)接口鏈路
可以將HDR的概念擴(kuò)展到更高的數(shù)據(jù)速率，如1Gbit/s、2.5Gbit/s。WEIL應(yīng)該滿足以下需求：從PC廠商方面看，需要以太網(wǎng)線的替代品；從消費(fèi)者角度看，在PC和LCD屏之間要求高質(zhì)量的無線視頻傳輸能力，可以傳無線數(shù)字視頻。
3.智能天線區(qū)域網(wǎng)
IWAN適用于在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設(shè)備的地方，距離為30m。設(shè)備的要求是：低成本、低功率消耗(如1～10mw)，并能給用戶提供家庭/辦公室的智能分布網(wǎng)。設(shè)備的功能應(yīng)包括準(zhǔn)確定位、跟蹤、支持環(huán)境敏感的設(shè)備，這在當(dāng)前的窄帶短距離網(wǎng)絡(luò)中不太容易實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，無線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來發(fā)送報(bào)警、控制信號(hào)，或者遠(yuǎn)程檢查家庭周圍傳感器的狀態(tài)。
4.室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
UWB設(shè)備部署在室外，主要適用于PDA上行和信息交換，包括新聞文本、圖片和視頻的下載。采用何種標(biāo)準(zhǔn)將決定著OPPN結(jié)構(gòu)是使用集中方式還是分布方式，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(biāo)準(zhǔn)將嚴(yán)格限制支持室外的UWB設(shè)備的部署。然而，這種情況可能會(huì)改變，因?yàn)閁WB管制的使用也在不斷進(jìn)步，如同過去其他無線業(yè)務(wù)所經(jīng)歷的一樣。
5.傳感器、定位和識(shí)別網(wǎng)
SPIN系統(tǒng)的特征是設(shè)備密度高(每層幾百個(gè))。它主要用于在工廠或者倉庫發(fā)送帶有定位信息的低速數(shù)據(jù)包。SPIN設(shè)備使用范圍較大，如果為主從拓?fù)?，在單?dú)設(shè)備和主站之間的距離可達(dá)100m。在工業(yè)應(yīng)用中，SPIN需要高級(jí)鏈路可靠性和自適應(yīng)的系統(tǒng)特征，以對(duì)動(dòng)態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境作出反應(yīng)。
UWB的一個(gè)重要作用就是可根據(jù)用戶需求提供有效的業(yè)務(wù)。場(chǎng)景機(jī)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，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的期望。一個(gè)宏偉的目標(biāo)就是在不同場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的無縫共存和互操作性，因此涉及有效的連接、自動(dòng)漫游機(jī)制和數(shù)據(jù)鏈路的自適應(yīng)，將是未來一個(gè)重要的研究課題。
五、管制和標(biāo)準(zhǔn)化
考慮到UWB-RT系統(tǒng)的新特點(diǎn)，要與現(xiàn)有的業(yè)務(wù)兼容，并保證不同廠商設(shè)備之間的互操作性，還有大量的工作要做。
歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)在兩年前就開始工作了，為部署非專用UWB設(shè)備建立一個(gè)立法框架。由EMC和無線頻譜技術(shù)委員會(huì)(TC-ERMC)的TG31組負(fù)責(zé)，與歐洲郵電管理局(CEPT)SE21合作，ETSI正考慮這項(xiàng)技術(shù)的最佳選擇和與其他業(yè)務(wù)的頻率共享。
2002年9月，日本信息通信技術(shù)分會(huì)向總務(wù)省(MPHPT)提交了UWB的草案，為UWB的標(biāo)準(zhǔn)化做準(zhǔn)備。此外，日本的通信研究實(shí)驗(yàn)室(CRL)正與主要的工業(yè)伙伴進(jìn)行研究，開發(fā)基于UWB-RT的商用系統(tǒng)。2003年初，新加坡的信息發(fā)展署(IDA)建立了一個(gè)UWB試驗(yàn)區(qū)，給UWB開發(fā)者提供了一個(gè)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。
UWB-RT提供了很好的前景，具有很大的潛力，同時(shí)也對(duì)管制提出了挑戰(zhàn)。FCC許可的UWB信號(hào)源僅發(fā)射很小的功率，通信距離較短，而且使用的是已經(jīng)分配給其他業(yè)務(wù)的頻段。然而，很少有人關(guān)注UWB信號(hào)源可能帶來的干擾問題，更多人認(rèn)為應(yīng)該關(guān)注UWB設(shè)備是否應(yīng)該大量增加，進(jìn)而變得無所不在。在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，幾百個(gè)UWB發(fā)射機(jī)同時(shí)工作可能會(huì)對(duì)周圍的其他業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害的干擾，如對(duì)導(dǎo)航、救援、通信或者固定無線接入業(yè)務(wù)會(huì)產(chǎn)生干擾。UWB組織花費(fèi)了很大的精力來解決這些問題，提出和設(shè)計(jì)了可以避免產(chǎn)生這些干擾的系統(tǒng)。
FCC和ETSI ERM TG31a都制定了嚴(yán)格的規(guī)則，以保證新的UWB無線產(chǎn)品是安全的，并不斷進(jìn)行改善。在歐洲，正在努力保護(hù)所有可能受影響的業(yè)務(wù)，且多數(shù)業(yè)務(wù)提供者都在積極參與CEPT SE24組的技術(shù)開發(fā)活動(dòng)，如固定無線接入(FWA)運(yùn)營(yíng)商(受影響的頻段：3.5GHz、3.6-4.2GHz、4.4-5.0GHz)、蜂窩網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(915MHz、1800～2100MHz)和空間科學(xué)組織(406～406.1MHz、1400～1427MHz、1544～1545MHz、5250～5460MHz)等。
廣泛支持PHY和MAC層工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是UWB-RT成功部署的一個(gè)前提。在結(jié)合數(shù)據(jù)通信和定位能力的短距離無線通信系統(tǒng)中，盡管標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在多大程度上依賴于應(yīng)用目前還有爭(zhēng)論，但將來的UWB-RT一定會(huì)把支持標(biāo)準(zhǔn)化PHY/MAC和聯(lián)網(wǎng)功能作為唯一的選擇。
在IEEE內(nèi)部，任務(wù)組3a(TG 3a)集中在定義可選的PHY(Alt-PHY)，基于UWB-RT的802.15.3。這個(gè)新定義的Alt-PHY將對(duì)多媒體分布域的消費(fèi)者需求作響應(yīng)，與已經(jīng)設(shè)計(jì)好的MAC(802.15.3a)提供標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)和新技術(shù)的結(jié)合，可能在近期得到批準(zhǔn)。在新定義的PHY層之上采用預(yù)先定義的MAC層，將是UWB-RT商業(yè)應(yīng)用開發(fā)的第一階段。盡管這種方法會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率和QoS級(jí)，但這是一種可行的折衷方案，有助于加速UWB-RT的商業(yè)部署。
與標(biāo)準(zhǔn)化同時(shí)進(jìn)行的是無線標(biāo)準(zhǔn)品牌形象的建立。2002年9月，Kodak、HP和Xtremespectrum等公司發(fā)起并成立了便攜式設(shè)備與視聽設(shè)備之間高速無線多媒體通信的WiMedia聯(lián)盟，以促進(jìn)數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備之間的無線圖像及視頻傳輸，并推進(jìn)IEEE 802.15.3的標(biāo)準(zhǔn)化工作。此外，一個(gè)新成立的工作組，IEEE 802.15.3a，正在分析和制定一個(gè)基于UWB-RT的低速、低功率和低成本的WPAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的潛力。
六、UWB研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在，國(guó)外對(duì)UWB的研究正在如火如荼地進(jìn)行著，美國(guó)的多所大學(xué)，如南加州大學(xué)、麻省理工大學(xué)、伯克利大學(xué)等都在進(jìn)行UWB通信系統(tǒng)的研究。歐洲也有相應(yīng)的項(xiàng)目，如德國(guó)的Dresden大學(xué)、芬蘭的Oulu大學(xué)等都啟動(dòng)了UWB研究項(xiàng)目。
此外，目前已有許多公司也在進(jìn)行UWB技術(shù)的研究開發(fā)工作。美國(guó)的XtremeSpectrun公司己開發(fā)出在各種設(shè)備之間無線傳輸音頻、視頻的UWB芯片組，它采用雙相調(diào)制技術(shù)和IEEE 802.15.3 MAC協(xié)議，傳輸速率達(dá)到100Mbit/s。
Intel、Cisco、Sony等公司都準(zhǔn)備進(jìn)入U(xiǎn)WB無線數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)，無線家用網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是UWB的主流市場(chǎng)。對(duì)于短距離高速WPAN，UWB-RT有希望成為一項(xiàng)可行和有競(jìng)爭(zhēng)力的無線技術(shù)，有能力支持以用戶為中心的個(gè)人無線通信世界。UWB-RT所具有的新特點(diǎn)，使其可能成為短距離無線設(shè)備和應(yīng)用的基礎(chǔ)。在未來的泛網(wǎng)中，對(duì)用戶而言，從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)過渡到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是透明的。盡管在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管制方面還有一些挑戰(zhàn)，但各種研究和開發(fā)的努力將與全球管制框架相結(jié)合，使UWB-RT將會(huì)在未來的無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用。
評(píng)論