UWB——种前沿宽带无线技术[转帖]

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　　一、UWB概述
　　
　　超宽带UWB由Ultra Wideband缩写而成，它是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
　　
　　超宽带和其它的"窄带"或者是"宽带"主要有两方面的区别：一、超宽带的带宽，按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25％为超宽带；信号带宽与中心频率之比在1％～25％之间为宽带，小于1％为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二、超宽带的无载波传输方式。传统的"窄带"和"宽带"都是采用无线电频率（RF）载波来传送信号，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相反的，超宽带以基带传输。实现方式是发送脉冲无线电（IR）信号传送声音和图像数据，每秒可发送多至10亿个代表0和1的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄（0.1至1.5纳秒），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），其中的低频部分可以实现穿墙通信。UWB脉冲信号的发射功率都十分低，仅仅相当于一些背景噪音，不会对其他窄带信号产生任何干扰。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。此外，传统的无线通信在通信时需要连续发出载波，要消耗不少电能。而UWB是发出脉冲电波——直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因而减少了耗电量（仅为传统无线技术的1/100）。
　　
　　UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这两种技术是目前TG3a（IEEE 802.15.3a Task Group，IEEE 802.15.3a任务组）所讨论的两个竞争提议的基础。UWB使用的电波带宽为数GHz，与带宽20MHz左右的无线LAN相比，UWB利用的带宽高出数百倍。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。不要说BPSK等信号，即使与通常的扩频信号(2.4GHz频段无线LAN的几十MHz带宽)相比，也是超宽带宽(数GHz带宽)。功率谱密度比之扩频信号(2.4GHz无线LAN低于10mW/MHz)，UWB信号也低得多(低于10nW/MHz)。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。而且由于脉冲的时间宽度极小，能把多路径分得更小，能实现RAKE接收(汇集接收许多方向的电波)。通信速度为数百M～1Gbit/秒，与高速有线LAN旗鼓相当。
　　
　　二、UWB的历史与发展
　　
　　UWB并不是一件新生事物，它已经有几十年的历史了，但是过去它仅仅应用在军事雷达和定位设备中。2002年2月14日，这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会（FCC）的批准用于民用通信，正式将3.1G-10.6GHz频带向作为室内通信用途的UWB开放，从而引起了世界各国的广泛关注，FCC准许UWB技术进入民用领域的条件是“在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(功率为1mW/MHz)的条件下，可将3.1GHz-10.6Ghz的频带用于对低下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。自1998年起，FCC对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC仍开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。
　　
　　在UWB技术的竞争发展中出现了两个提议，第一个提议为多频带OFDM联盟MBOA（MultiBand OFDM Alliance，MBOA）提出的。MBOA由包括多数世界上最大的半导体、消费电子产品和计算机制造商在内的40个供应商组成的联盟。MBOA的提议将UWB频带分为最少三个波段，使用OFDM在这三个频段内部产生无数的窄通道和通道之间的“跃距”。按照MBOA的共同创立者之一、UWB新兴企业Staccato通讯公司的市场副总裁Mark Bowles的说法，如果将频带分解为500MHz的块，将会简化无线电的结构并可以使用CMOS技术。OFDM据称在捕获无线电能量方面极有效率，特别是当能量在不同的表面反射并异相进入接收天线引起干涉时特别有效。第二个提议被称作直接排序（Direct Sequencing，DS），是基于Motorola获得的Xtreme Spectrum所创建的技术。这种方式使用被称为直接序列扩展频谱的技术，可以使很多传输共享相同的频率范围。这使很多小批量（被称为piconets）的UWB设备互相连接更为容易。支持者认为比起MBOA的提议，这种方式将会对现有的许可频带内的用户造成更少的干扰。
　　
　　三、UWB的特点
　　
　　UWB是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。UWB具有以下特点：
　　
　　1． 抗干扰性能强
　　
　　UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
　　
　　2． 传输速率高
　　
　　UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。
　　
　　3． 带宽极宽
　　
　　UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。
　　
　　4． 消耗电能小
　　
　　通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以，消耗电能小。
　　
　　5． 保密性好
　　
　　UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。
　　
　　6． 发送功率非常小
　　
　　UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这样，UWB的应用面就广。
　　
　　四、UWB的应用
　　
　　近年来，对移动信息通信系统的大容量、高可靠和高品质化的要求迅速增大，多种多样的服务正在出现。在宽带无线通信系统已引入了宽带CDMA的IMT2000及其下行宽带流的HDR，在无线LAN中已开发了2.4GHz频段采用SS(扩频)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳频)的蓝牙，5.2GHz频段采用OFDM(正交频分复用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可说是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。这些方式都使用宽带的调制方式，也能实现高速无线传输。而不用载波、用占用非常宽的频带的脉冲信号进行无线传输的UWB方式，由于高频器件、信号处理技术的研究开发已增加了实现性。具有传感功能的UWB技术在目前使用蓝牙等技术的近距离无线市场中，可实现更高速的基带无线通信。
　　
　　在企业中UWB可能会成为笔记本电脑和PDA与外设连接并以一种特别方式共享多媒体的主要途径。
　　
　　UWB技术的主要应用包括室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等。尤其是以下应用：
　　
　　●数据速度：低速(几十kbps)~超高速(数百Mbps)
　　
　　●通信范围：几米(约5米)
　　
　　●“第3代”蓝牙发展或无线PAN(个人局域网)
　　
　　●IEEE802.15(无线PAN)
　　
　　●把TG3(达到20Mbps)规范高速化
　　
　　●家庭内为主要的数据传输
　　
　　●近距离100Mbps以上的无线传输
　　
　　●无线USB2.0
　　
　　●数据速率：480Mbps(USB2.0)
　　
　　●美国XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技术方案
　　
　　在数据通信方面，超宽带技术可以用于实现ad hoc网络。该网络是多跳无线网络，不依赖固定基础设施，能够快速配置和自组织地工作。其中每一台主机既作为终端，也作为一个路由器。
　　
　　在2004年雅典奥运会上，韩国移动电话商(Cosmote)推出了三项最新技术，其中之一即为超宽带无线技术，它能有效地将个人电脑、机顶盒或者DVD播放机的高质量视频信号传输到大屏幕上，为用户提供奥运会比赛时间、场地、结果、奖牌榜、天气预报和娱乐活动，以及运动员小传等。
　　
　　五、发展现状与面临的挑战
　　
　　目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将UWB集成到个人电脑芯片组中。由于脉冲发生的电路结构简单，相对来说比较容易在芯片组中集成。因为UWB是在笔记本电脑与外围设备之间实现无线接口连接的物理层技术，所以英特尔将UWB定位于"无线USB2.0"，将其作为10m以内的近距离高速无线传输接口使用，目前已达到100Mbit/s，实现了最初的目标，下一个目标则是500Mbit/s。
　　
　　NEC和东芝在国际学会“2004年天线传播国际专题讨论会(ISAP\'04)”上公开了正在开发的UWB天线。NEC公司已将无线LAN用外置式天线模块产品化。东芝展示3种小型UWB天线，分别为笔记本电脑用天线和便携式设备用天线。
　　
　　虽然现代UWB技术已经发展了几十年，但仍然还面临很多挑战，这些挑战包括：
　　
　　●前向纠错编码的设计、低复杂度的信道补偿算法、快速捕获和同步方法、容量分析；
　　
　　●高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、超宽带天线、板上微控制器噪声的处理等；
　　
　　●多址方案的设计，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；
　　
　　●信道建摸，需要更好的理解传播信道的特点；
　　
　　●多径衰落的处理，需要考虑RAKE接收机实现的复杂性；
　　
　　●新的调制技术，如M-PAM ；
　　
　　随着这些技术的发展，UWB 将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入，为用户提供诸如视频分发和视频会议这类需要很高QoS的服务。


摘自：中宽网