論超寬帶技術UWB的基本特點以及其發(fā)展
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【關鍵詞】超寬帶 頻譜效率 技術挑戰(zhàn)
一、引言
當設計未來的短距離無線通信系統(tǒng)時，我們要考慮通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人，任何時間，任何地點”的連接性。這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設備。要實現(xiàn)這個目標，就需要新的無線技術。
UWB技術最初是在1960年作為軍用雷達技術開發(fā)的，早期主要用于雷達技術領域；1972年UWB脈沖檢測器申請了美國專利；1978年出現(xiàn)了最初的UWB通信系統(tǒng)；1984年UWB系統(tǒng)成功地進行了10公里的試驗；1990年美國國防部高級計劃局（DARPA）開始對UWB技術進行驗證。2002年2月，F(xiàn)CC批準了UWB技術用于民用。
UWB技術發(fā)展慢的原因主要有：在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開發(fā)支持UWB的軟件和硬件；由于UWB使用許多專用頻段，F(xiàn)CC對UWB技術的批準進展緩慢；UWB帶來的干擾問題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐；而且，由于UWB技術可能取代現(xiàn)在使用的所有無線技術，包括PAN，WLAN（802.11a，802.11b，802.11g）和無線WAN（如GPRS，1XRTT），因此，許多公司會抵制該技術的商用。
二、UWB頻譜效率
在短距離通信中，UWB-RT為現(xiàn)在的頻譜管理和無線系統(tǒng)工程中的多數(shù)問題提供了答案。在UWB-RT中，新的方法是共享現(xiàn)有的頻譜，而不是尋求新的頻段。這個觀點得到US管制局的批準。歐洲和亞洲也開始了這方面的工作，尤其是日本和新加坡。UWB-RT將對多媒體家用網(wǎng)絡和娛樂市場產(chǎn)生很大的沖擊力，它允許實施智能網(wǎng)絡和設備，可以實現(xiàn)以用戶為中心的無線通信世界。
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(jù)FCC的定義，低于0.56mW與其中心頻率相比，穿過很寬的頻帶。這可以從其功率譜密度中計算出，在3.01～10.6GHz，為75nW/MHz。UWB的這個定義不僅有高的時間分辨率，也有比窄帶系統(tǒng)低的衰落邊際。
UWB設備可以分為很多類，如圖像系統(tǒng)，車載雷達系統(tǒng)，通信，測量系統(tǒng)等。它們都需要很高的頻譜效率，通過采用適當?shù)募夹g標準，UWB可以使用現(xiàn)有的無線設備使用的頻譜，而不會引起干擾，從而可以更好地利用頻譜。在WBAN/WPAN網(wǎng)絡的節(jié)點之間，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(qū)域內(nèi)，可以有大量的設備運行，極大地增加了頻譜利用率和容量。由于一個系統(tǒng)的最大傳輸范圍與速率成反比，要在任何時候，任何地點進行覆蓋，成本會隨著數(shù)據(jù)速率增加。因此，短距離無線系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域很小，基于UWB-RT的技術，將會是未來高空間容量網(wǎng)絡的一個選擇。
三、UWB的優(yōu)點
與其他無線通信技術相比，UWB具有許多優(yōu)點。表1將UWB技術與其他無線局域網(wǎng)技術進行了比較。UWB技術的特點有：傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低。UWB通過改變脈沖的幅度、間距或者持續(xù)時間來傳遞信息。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(tǒng)共存，提高頻譜利用率。
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)的結構比較簡單。UWB信號的處理也比較簡單，只需使用很少的射頻或微波器件，射頻設計簡單，系統(tǒng)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芯片上，再加上時間基和控制器，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(tǒng)的接收機無法接收和識別，必須采用與發(fā)端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)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信號的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術都高。
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，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實現(xiàn)幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長了系統(tǒng)電源的使用時間，非常適合移動通信設備的應用。有研究表明，使用超寬帶的手機待機時間可以達6個月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對人體的傷害。
四、UWB-RT的應用
隨著UWB-RT商業(yè)化的開始用，這項技術為支持高速應用和低速智能設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)，使用簡單的調(diào)制和編碼機制，在短距離內(nèi)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折衷。
大量的應用場景適合使用UWB，主要包括：高速無線個人網(wǎng)（HDR-WPAN）；無線以太網(wǎng)接口鏈路（WEIL）；智能天線區(qū)域網(wǎng)（IWAN）；室外點對點網(wǎng)絡（OPPN）；傳感器，定位和識別網(wǎng)絡（SPIN）。
前三種情況假定UWB設備網(wǎng)絡部署在居民區(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。第四種情況提供室外點對點連接，而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。
1. 高速無線個人網(wǎng)(HDR-WPAN)
HDR-WPAN定義為：每個房間的活動設備為5～10，在1～10m范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為100～500Mb/s，主要基于點對點拓撲。使用現(xiàn)有的有線或者無線標準，通過中繼與外部相連。
2.無線以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL)
可以將HDR的概念擴展到更高的數(shù)據(jù)速率，如1Gb/s，2.5Gb/s。WEIL應該滿足以下需求：從PC廠商方面，需要以太網(wǎng)線的替代品；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)
IWAN的特征是：在室內(nèi)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)絡中不太容易實現(xiàn)。這種情況，無線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來發(fā)送報警、控制信號，或者遠程檢查家庭周圍傳感器的狀態(tài)。
4.室外點對點網(wǎng)絡(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，這是一個需要進一步研究的課題。
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，這種情況可能會改變，因為UWB管制的使用也將不斷進步，如同過去其他無線業(yè)務所經(jīng)歷的一樣。
5.傳感器，定位和識別網(wǎng)(SPIN)
SPIN系統(tǒng)的特征是：設備密度高，每層幾百個，主要在工廠或者倉庫，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(tǒng)特征，以對動態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境作出反應。
UWB將起到的一個重要作用是：根據(jù)用戶需求提供有效的業(yè)務。場景機制的劃分和各種網(wǎng)絡的發(fā)展，包括上面分析的各種情況，是遠遠不能滿足用戶的期望的。一個宏偉的目標是，在不同場景下，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡的無縫共存和互操作性。因此，設計有效的連接，自動漫游機制和數(shù)據(jù)鏈路的自適應，是將來一個重要的研究課題。
五、技術挑戰(zhàn)
基于窄帶載波調(diào)制的短距離無線系統(tǒng)，不能提供高速數(shù)據(jù)速率來傳輸視頻或者準確的移動終端位置信息，不能支持位置敏感的應用。今天的市場很需要有這種能力的系統(tǒng)。這也是UWB的一個研究目標?？梢跃W(wǎng)絡總的數(shù)據(jù)速率和其他相關參數(shù)來標識UWB設備的系統(tǒng)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題。考慮位置敏感的應用，有必要決定一個給定的應用所需的準確性，這個質(zhì)量級在可變信道和網(wǎng)絡負載條件下能否維持。
在調(diào)制和編碼技術領域也存在挑戰(zhàn)。最初，UWB-RT用于軍事通信，獲得高容量不是一個主要目標。然而，在商用系統(tǒng)中，有很大的用戶容量是很重要的。編碼和調(diào)制是能夠改善系統(tǒng)多用戶容量的最有效方法之一，應該設計自適應的調(diào)制方法和信道編碼機制。盡管在UWB中，平均EIRP是很低的，短時間內(nèi)的峰值功率可能很大，因此，要求能夠優(yōu)化傳輸技術（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，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(tǒng)不同，UWB系統(tǒng)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(qū)分，由于高時間分辨率，導致很大的多徑分集。UWB-MIMO系統(tǒng)也可抗時域ISI和ICI，因為接收信號有很好的自相關和互相關特性，能簡單適應脈沖重復頻率到主要的信道時延擴展。
此外，盡管UWB系統(tǒng)有內(nèi)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引起室內(nèi)環(huán)境中大量的多徑，導致傳播時延持續(xù)10毫秒至幾百毫秒。這引起的ISI限制了系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率，除非有一種有效的方法可以用來減輕這些影響。在快速脈沖調(diào)制技術（如PPM），實現(xiàn)有效均衡的成本很高，這個問題在使用低脈沖重復頻率系統(tǒng)中較輕。系統(tǒng)復雜性是另外一個挑戰(zhàn)，UWB需要多個并行檢測器或者高階調(diào)制。
另外一個挑戰(zhàn)來自于物理層UWB設備的天線設計和實施。一般來說，便攜式通信設備要求很小和不易受損的天線，可以集成到設備中，能夠在不同的環(huán)境下有效工作。有效天線的設計和實施，是UWB系統(tǒng)設計中的一個巨大挑戰(zhàn)。
另外一個問題是，來自于其他無線信號對UWB接收機的帶內(nèi)干擾的影響。近處干擾問題引起了學術界的極大興趣，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。當一個區(qū)域有大量集中的UWB設備同時工作時，也有相同的問題，還有多徑傳播的不利影響和設備間干擾現(xiàn)象，以及要考慮在接收機和網(wǎng)絡層如何發(fā)起和維持同步。
最后，除了非線性模電設計技術外，還需進一步研發(fā)在UWB系統(tǒng)使用新的，先進的半導體技術，如MEMS，SOI等。這些技術可以提供有效的方案解決速度和同步時延，功率消耗等問題，它們的成功研發(fā)對UWB-RT的未來開發(fā)和應用是至關重要的。
六、UWB研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在有許多公司在進行UWB技術的研究開發(fā)工作。美國XtremeSpectrun公司能夠提供在各種設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研究實驗室，其實驗室產(chǎn)品在2～3年內(nèi)能達到100Mb/s的數(shù)據(jù)速率。Intel認為UWB在短距離內(nèi)可以達到400～500Mb/s，因此Intel稱UWB為無線USB。Time Domain公司利用UWB PPM技術，開發(fā)了兩代PulsON芯片，第三代PulsON商用產(chǎn)品也即將問世。
2003年1月，Philips和GA簽訂了一個備忘錄，利用Philips在BiCOMS的優(yōu)勢和GA的UWB技術聯(lián)合開發(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公司開發(fā)了基于非線性動態(tài)理論的新技術，它只需要使用一個電感器和一個二極管就可以實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，不需要混頻器、振蕩器和鎖相環(huán)。該技術可以改善UWB接收器設計中的相關接收，而且簡單、成本低，功耗也低。
美國Discrete Time公司開發(fā)了多頻段UWB技術，它采用不同頻段發(fā)送信息而不是發(fā)射單個脈沖。與單頻段UWB相比，多頻段UWB系統(tǒng)的每頻段內(nèi)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等公司都準備進入UWB無線數(shù)據(jù)通信市場，無線家用網(wǎng)絡將會是UWB的主流市場。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線技術，有能力支持以用戶為中心的個人無線通信世界。UWB-RT的新特點，可能成為短距離無線設備和應用的基礎，在未來的泛網(wǎng)中，對用戶而言，從一個網(wǎng)絡過渡到另一個網(wǎng)絡是透明的。盡管在技術，經(jīng)濟和管制方面的挑戰(zhàn)，各種研究和開發(fā)的努力與全球管制框架結合，會進一步增加UWB-RT成為新的智能短距離聯(lián)網(wǎng)應用和業(yè)務的首選技術的機會。
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