無線通信—UWB

UWB(Ultra-Wide Bandwidth，超寬帶)技術(shù)是近年來在國(guó)際上新興的一種無線通信技術(shù)。一般的通信系統(tǒng)通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，而UWB通信系統(tǒng)則不同，它沒有采用載波，而是利用持續(xù)時(shí)間非常短(納秒級(jí))的窄脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps以上。



2002年2月，UWB技術(shù)首次獲得了美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的批準(zhǔn)用于民用通信，這一舉措有力地促進(jìn)了UWB的發(fā)展。UWB技術(shù)在軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，使得國(guó)際上對(duì)于UWB技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)的制訂也越來越重視。



1 UWB技術(shù)概括



FCC規(guī)定UWB工作頻譜位于3．1～10．6GHz，因此UWB產(chǎn)品要受到其他工作在這個(gè)頻段上的設(shè)備的干擾，為了降低干擾程度，只好對(duì)UWB設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行限制。每一種無線通信技術(shù)系統(tǒng)空間容量是每個(gè)運(yùn)營(yíng)商都關(guān)心的問題，所謂空間容量就是單位面積信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的吞吐量。相比于藍(lán)牙技術(shù)系統(tǒng)30kbps／m2的空間容量，UWB的空間容量可達(dá)IMbps／m2，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。



UWB技術(shù)中最重要和先進(jìn)的部分是信號(hào)的編碼與調(diào)制。與其他通信系統(tǒng)一樣，UWB也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的編碼。UWB通常采用的編碼技術(shù)是直接序列編碼和跳時(shí)編碼。UWB采用的調(diào)制方式比較多，有脈沖幅值調(diào)制(PAM)、相位調(diào)制(BPSK、QPSK等)、通斷鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)和正交脈沖調(diào)制等，這樣調(diào)制技術(shù)的選擇余地大。



UWB中還采用了多帶調(diào)制技術(shù)，多帶調(diào)制技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以有效地使用FCC所規(guī)定的3．I～10．6GHz整個(gè)頻譜；再就是可以獨(dú)立對(duì)待單個(gè)子頻帶，這樣就增加了UWB系統(tǒng)的靈活性。在UWB設(shè)備和其他設(shè)備共存時(shí)，多帶調(diào)制技術(shù)可以有效地降低UWB設(shè)備對(duì)其他窄帶設(shè)備的干擾。



2 UWB主流技術(shù)



UWB技術(shù)主要有MB-OFDM和DS-UWB兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作上，就存在這兩大陣營(yíng)：即多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)和直序列碼分多址(DS-UEB)，這兩大陣營(yíng)的代表廠商前者有德州儀器、英特爾、三星電子等，后者是美國(guó)XtremeSpectrum和飛思卡爾等為主的DS-UWB聯(lián)盟。對(duì)于用哪種標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有確定，下面就這兩種技術(shù)進(jìn)行介紹。



1．MB-OFDM



MB-OEDM是德州儀器、英特爾、三星電子和飛利浦等公司所支持的技術(shù)。MB-OFDM是基于多載波的UWB方案，采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息。MB-OFDM把頻段分成多個(gè)528MHz的子頻帶(第一代是只有3個(gè)子頻帶)，每個(gè)子頻帶采用TFI-OFDM(時(shí)頻-正交頻分復(fù)用)復(fù)用方式，每個(gè)子頻帶上都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)使用的是持續(xù)時(shí)間不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個(gè)子頻帶來實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，從而增加了符號(hào)的時(shí)間。符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)的好處是使得抗符號(hào)間干擾能力較強(qiáng)，但是抗符號(hào)間干擾性能的提高是通過提高發(fā)射機(jī)設(shè)備的復(fù)雜性作為代價(jià)的，而且同時(shí)還要考慮子信道間干擾的影響。相對(duì)而前，MB-OFDM在性能方面具有優(yōu)勢(shì)，其初期數(shù)據(jù)傳輸速率就高達(dá)480Mbps，而且OFDM技術(shù)對(duì)微弱信號(hào)具有很強(qiáng)的能量捕獲能力，因而相對(duì)其他技術(shù)來講，MB-OFDM的通信距離較長(zhǎng)。在表8-2列出了MB-OFDM的主要技術(shù)參數(shù)。


MB-OFDM技術(shù)具有以下的主要特點(diǎn)：



·多頻帶調(diào)制方式，易于實(shí)現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高；



·具有很強(qiáng)的抗多徑和抗干擾的能力；



·更易于對(duì)符號(hào)間干擾進(jìn)行抑制；



·TFI-OFDM系統(tǒng)完全避開在U-NII頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)信道和子載波分配靈活， 可以與世界各地不同地方的頻譜規(guī)則保持一致，有助于在全球范圍內(nèi)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；



·TFI-OFDM系統(tǒng)只需一條發(fā)送鏈路和一條接收鏈路，可以方便地進(jìn)行升級(jí)。



2．DS-UWB



DS-UWB最早是由已被美國(guó)摩托羅拉公司收購(gòu)的XtremeSpectrum公司所提出，它是基于脈沖的UWB方案，發(fā)射信號(hào)占用整個(gè)1．7GHz的頻段。為了避免來自U-NIl的干擾，DS-UWB技術(shù)把頻譜分為兩個(gè)頻段，U-NII頻段的兩側(cè)各有一個(gè)子頻帶，低頻帶占用3．2～5．1 5GHz的帶寬，高頻段占用5．825～10．6GHz的帶寬。根據(jù)所占用的頻段，DS-UWB技術(shù)有低頻段、高頻段及雙頻段方式3種操作方式。低頻段方式就是在低頻段上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率為28．5～400Mbps；高頻段方式就在高頻帶上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率為57～800Mbps；而雙頻段方式則占用高頻段和低頻段，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1．2Gbps。



DS-UWB在每個(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個(gè)碼片的DS-SS(直接序列擴(kuò)頻)實(shí)現(xiàn)編碼增益，采用RS碼和卷積碼糾錯(cuò)方式。DS-UWB技術(shù)比較成熟，已開發(fā)出第二代芯片。DS-UWB的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表8-2。





DS-UWB技術(shù)的主要特點(diǎn)如下。



·是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個(gè)傳輸任務(wù)可共享整個(gè)頻帶的頻率，頻率利用率高；



·對(duì)現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶造成的干擾少，能有效抵抗多徑衰落；



·能夠進(jìn)行高精度定位和跟蹤；



·易于實(shí)現(xiàn)低功耗、低速數(shù)據(jù)流的無線傳輸，也可實(shí)現(xiàn)高速率、高QoS的多媒體業(yè)務(wù)等。



3 UWB的發(fā)展趨勢(shì)



在UWB標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)中，MB-OFDM和DS-UWB各有其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由于支持這兩種技術(shù)的兩大陣營(yíng)各不相讓，難以達(dá)成一致。雖然UWB標(biāo)準(zhǔn)制訂的延緩會(huì)使超寬頻進(jìn)入市場(chǎng)，但是在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界特別是FCC的大力支持下，已有多項(xiàng)UWB方面的專利和多種UWB產(chǎn)品問世，例如，美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企 Artimi在2005年發(fā)布了具備UWB通信功能的LSI“RTMI-100”，其最大傳輸速度為800Mbps。同時(shí)，UWB技術(shù)也有許多新的、挑戰(zhàn)性的問題值得去研究，比如UWB設(shè)備與傳統(tǒng)窄帶業(yè)務(wù)之間的兼容性及如何共存問題，隨著國(guó)際上對(duì)UWB技術(shù)的關(guān)注和重視，很多知名高科技公司及科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在開展UWB無線通信技術(shù)的研究和開發(fā)。有理由相信，隨著各國(guó)科研人員的進(jìn)一步努力及合作，UWB技術(shù)將會(huì)更加完善、更加有效地服務(wù)人們生活的各個(gè)方面，并在無線通信領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。