UWB技術(shù)與應用

第26卷第3期山東通信技術(shù)VoL 26 No. 32006年9月Shandong Communication TechnologyUWB技術(shù)與應用龔江濤尚琴陳金鷹(成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,成都610059)摘要:本文介紹了UwB的基本概念和系統組成,分析了UWB技術(shù)的無(wú)載波傳輸和多脈沖擴頻調制方式,通過(guò)與藍牙、 Home RF等其他短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較,突現了UWB在高速率傳輸、低功率發(fā)射、低功耗、大空間容量等多方面的優(yōu)勢,并介紹了UwB技術(shù)在近距寬帶傳輸、智能無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等領(lǐng)域藏廣闊的應用前景。研究認為,盡管UwWB有比其他短距離無(wú)線(xiàn)通信更值得推崇的地方,但目前受兩個(gè)近乎對立標準的影響,勢必妨礙UWB技術(shù)的推廣。關(guān)鍵詞:UWB無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)近距通信引言涉及脈沖和調制兩大關(guān)鍵問(wèn)題。其技術(shù)特點(diǎn)在于UwB依賴(lài)于脈沖串傳遞信息,它先將被傳信息調制隨著(zhù)短距離數據業(yè)務(wù)需求的增加,促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)個(gè)到離散脈沖信號上,然后直接發(fā)射寬度很窄的脈沖信域網(wǎng)(WPAN技術(shù)的發(fā)展。在市場(chǎng)利益的驅動(dòng)下,美國號。這與傳統通信技術(shù)所采用的載波調制方式完全不聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)于2002年2月4日通過(guò)了一同,后者先把信號波形搬移到相應的載波信號上再進(jìn)項認可UwB用于民用用途的最終規定,將31~行發(fā)射。因此UWB技術(shù)又稱(chēng)為基帶( baseband)傳輸106GHz頻段向商業(yè)UWB通信開(kāi)放,使該項原只技術(shù)或無(wú)載波( carrier-free)傳輸技術(shù),或沖激無(wú)線(xiàn)電在軍事中應用和研究,并已有三十多年的歷史UwB( (impluse radio)技術(shù)。圖1所示為超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系技術(shù)得以民用。目前,HEE802委員會(huì )已將UwB作統基本組成的結構圖p。為WPAN的基礎技術(shù)來(lái)研究討論對UWB技術(shù)進(jìn)行研究的目的旨在開(kāi)發(fā)了具有千兆赫茲和高空間容量的新型無(wú)線(xiàn)信道,以解決無(wú)線(xiàn)、高速、短距離、低功耗、低成本網(wǎng)絡(luò )通信問(wèn)題,尤其放大放大是室內密集多徑場(chǎng)合,如WPAN中的應用。從目前的趨勢來(lái)看,UWB技術(shù)的發(fā)展有可能取代藍牙(Blue相關(guān)器脈沖PN碼基帶tooth)、 Home rF的傳統地位2001年4月我國發(fā)布的“十五”863計劃中,已將UWB無(wú)線(xiàn)通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)列為通信技術(shù)主體研究項目。調制2UWB技術(shù)基本概念數據鐘產(chǎn)生超寬帶(UWB)是一種以占空比很低(低達接收機05%)的沖激脈沖作為信息載體的無(wú)載波通信技術(shù)中國煤化工CNMHG且成結構圖山東通信技術(shù)2006年目前,用于UWB的滿(mǎn)足特定頻譜要求的脈沖波對遠近效應的敏感程度沒(méi)有DSSS那么高,所以此時(shí)形,根據頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類(lèi)。應選擇 TH-BPM;而在速率高時(shí)則優(yōu)先考慮經(jīng)典的超寬帶系統采用基帶脈沖波形,它包含從低頻 DS-BPM。在采用最小均方誤差準則(MMSE)檢測方到GHz頻率的連續帶寬。常見(jiàn)的如矩形脈沖、高斯脈式的多用戶(hù)接收機應用情況時(shí),兩者差別不大;但在斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯速率比較高時(shí), TH/DS-BPM的性能則比 TH-PPM系脈沖具有很大的直流分量,只適用于學(xué)術(shù)研究。工程統好。而利用不同SS序列之間的正交性,通過(guò)同時(shí)傳上要求沒(méi)有直流分量,因此采用極短的高斯函數的各輸多路多脈沖調制的信號來(lái)提高系統的通信速率的階導數作為發(fā)射脈沖,通常每個(gè)脈沖持續的時(shí)間只有碼分復用( Code Divison Multiplexing,CDM)技術(shù)也幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間,因此這些脈沖所占用的頻被提出在UB中使用。帶范圍很寬,可以達到幾GHz。設ff,f分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和3超寬帶的特點(diǎn)中心頻率,B為相對帶寬,BM為絕對帶寬,則在B為10db點(diǎn)處應有:UWB的技術(shù)優(yōu)勢主要表現為B=>2%或B>50Nz(1)傳輸速率高在信號調制時(shí),可以采用單個(gè)脈沖傳遞不同的信理論上,一個(gè)寬度趨于0的脈沖具有無(wú)限的帶息,即單脈沖調制;也可以用多個(gè)脈沖傳遞相同的信寬,所以UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很息,即多脈沖調制。在實(shí)際中,為了降低單個(gè)脈沖的幅低,也可以實(shí)現高達100bp58-500bps的傳輸速度,提高系統的抗干擾性能超寬帶脈沖無(wú)線(xiàn)通信系率。在民用上,UWB脈沖寬度一般為納秒級的。如果統往往用多脈沖調制。一個(gè)脈沖代表一個(gè)數位,那么理論上UWB可達在多脈沖調制中,傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱(chēng)為1cbps的速率,這樣在實(shí)際中實(shí)現100bps以上的速組脈沖。因此,多脈沖調制的過(guò)程可以分成兩步第率是完全可能的。步是進(jìn)行每組脈沖內對單個(gè)脈沖的調制,通常采用(2)發(fā)射功率低,功耗小脈沖相位調制(PPM)或二相調制(BPM)。PPM稱(chēng)為因為不使用載波,UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗跳時(shí)擴譜( Spread Spectrum)(THSS),每組脈沖內部少量能量,從而省略了發(fā)射連續載波的大量功耗。這的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性,但具有不同的使得UWB在通過(guò)縮小脈沖寬度的同時(shí)提高帶寬并時(shí)間位置;BPM稱(chēng)為直接序列( Direct Sequence)擴譜且不增加功耗,這就打破了過(guò)去任何一項傳輸技術(shù)的( Spread Spectrum)(DSS,其每組脈沖內部的每一功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應用中,UWB發(fā)個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度但具有不射機的發(fā)射功率通常低于1mw(這也是FCC為了避同的極性。第二步為每組脈沖作為整體被調制通常免對其它設備造成干擾而對UWB做出的技術(shù)指標采用脈沖幅度調制(PAM)、脈沖相位調制(PM)或二要求)。雖然現在實(shí)際上使用芯片實(shí)現后的整體電路相調制(BPM)。在第二步中根據需要傳輸的信息比能耗在300mw左右,但隨著(zhù)技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步特PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度,PM同時(shí)調節每這項指標隨之會(huì )下降。組脈沖的時(shí)間位置,BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性(3)多極分辨率高將第一步和第二步組合起來(lái)可形成多種調制技由于UWB采用連續時(shí)間很短的窄脈沖,它的時(shí)術(shù): TH-SS PPM、 DS-SS PPM、 TH-SS PAM、DSSS間、空間分辨力很強,因此系統的多徑分辨率很高PAM,TH-SS BPM和 DS-SS BPM。綜合考慮可靠性、(1ns脈沖的多徑分辨率為30cm)。接收機通過(guò)分集可有效性及多址性能等因素,目前典型的組合方式是以獲得很強的抗衰落能力,同時(shí)在進(jìn)行測距、定位、跟TH-SS PPM和 TH/DS-BPM。蹤時(shí)也能達到更高精度。此外,窄脈沖具有很強的穿二者的區別是采用匹配濾波器的單用戶(hù)檢測情透力,這使UWB具有比紅外線(xiàn)更廣泛的應用,如幫況下, TH/DS-BPM的性能要優(yōu)于 TH-SS PPM。而對助警察搜尋隔墻的逃犯,以及解救那些被圍困在倒塌TH-BPM和 DS-BPM而言,在速率低時(shí),由于THSS建筑中國煤化工CNMHG第3期龔江濤等:UWB技術(shù)與應用(4)電磁兼容性好時(shí)監視系統)、通信系統和測量系統等。除了在高速數由于UWB的帶寬相當于1000個(gè)電視頻道或3據WPAN中的應用外,UWB還在無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)接口、萬(wàn)個(gè)FM廣播頻道,這會(huì )對其它電子設備形成強大的智能無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、室外對等網(wǎng)、雷達跟蹤、精確定位等干擾。不過(guò)FCC規定,UWB的發(fā)送功率譜密度必須領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。低于美國發(fā)射噪音規定值-41.3 dbm/MHz,因此從理論上講相對于其它通信系統,UWB信號所產(chǎn)生的干4l高速數據傳輸擾僅相當于一個(gè)寬帶白噪聲,影響是比較小的。(5)成本低,適合于便攜型使用在UWB的高速數據傳輸中有兩層含義。其一為由于UwB技術(shù)使用基帶傳輸,無(wú)需進(jìn)行射頻調普通意義上的高速數據傳輸:即在室內同時(shí)激活5制和解調,所以不需要混頻器、過(guò)濾器、RF/F轉換器10臺UWB設備,以100~500Mb/s的速率傳輸1~及本地振蕩器等復雜元件,系統結構簡(jiǎn)化,成本大大10m。其二是極高速數據傳輸,速率高達幾個(gè)Gbs,傳降低,同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。這樣帶來(lái)的輸距離只有幾米。這種極高速數據傳輸主要用在PC好處是設備的功耗小、靈活性高,適合于便攜型無(wú)線(xiàn)機之間的連接(用來(lái)取代以太電纜)、PC機與液晶顯應用。示屏之間的無(wú)線(xiàn)數字視頻接口,這種速率要求只有(6)系統安全性能好UwB才能實(shí)現。由于UwB的發(fā)射功率低,信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號之中,用傳統的接收機無(wú)法接受和識別,42智能無(wú)線(xiàn)局域必須采用與發(fā)端一致的擴頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調,因此增強了系統的安全性。除此之外,抗干擾性能這種應用的主要特點(diǎn)是高密度遠距離(>30m)。強頻譜資源利用率高、系統容量大等特點(diǎn),都使得可為辦公室或家庭提供一個(gè)低成本(小于1美元)低WB的應用前景看好。功耗(1~10mW)的智能傳輸網(wǎng),并且能夠自動(dòng)跟蹤IEEE802Blue ToothHomeREUWB服務(wù)對象(例如小孩或者貴重傳輸速率4Mbps小于IMb(12M可高達50M|物品的跟蹤、電話(huà)自動(dòng)應答通信距離10m-100m「小于10m電子向導等),這在目前窄帶發(fā)射功率1瓦以上毫瓦q-100毫瓦1瓦以上1毫瓦以下短距離網(wǎng)絡(luò )中是無(wú)法實(shí)現的?？臻g容量80 Kbps/m230Kbps/m2kBps/m21000Kbps/m2應用范圍無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)計算機等家庭和辦公室設備互補家庭語(yǔ)音和數據流近距離多媒體43室外對等網(wǎng)筆記本臺式電腦,筆記本移動(dòng)電話(huà),筆記本,無(wú)繩電話(huà),無(wú)線(xiàn)電視,DVD終端類(lèi)型掌上電腦和因特網(wǎng)掌上電腦移動(dòng)設備無(wú)線(xiàn)音響,移動(dòng)設備高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)這種網(wǎng)絡(luò )主要是用在室外滿(mǎn)足掌上電腦(PDA)的數表1UWB與其它短距離無(wú)線(xiàn)通信比較據交換、數字報亭的報刊文摘表1給出了產(chǎn)UWB與其他短距離無(wú)線(xiàn)通信的的快速下載、音像制品的租售等,這是UWB應用的個(gè)簡(jiǎn)單的比較。從表中可見(jiàn)除了在通信距離上一個(gè)非常巨大的潛在市場(chǎng)。UWB比其他三種短距離無(wú)線(xiàn)通信方式受限外,在傳輸速率、發(fā)射功率、空間容量、應用范圍方面UWB都44傳感、定位、識別占有較大優(yōu)勢。這些應用的主要特點(diǎn)是高密度(例如每層樓上有4UWB的應用前景幾百個(gè)智能傳感器)。主要用在對工廠(chǎng)、倉庫、超市中貴重物品的位置信息低速傳輸[]UwB的獨特的技術(shù)優(yōu)勢,使其應用領(lǐng)域非常廣盡管無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)對UWB翹首以盼,但UWB的標泛,如成像系統(如地面穿透雷達、醫療成像系統、實(shí)準遲中國煤化工e,目前正E的(下轉第26頁(yè))CNMHG第3期劉耀宇等:一種基于IP的網(wǎng)絡(luò )新技術(shù) Flash-OFDM望使運營(yíng)商把升級至3G基站的成本節省90%。了這一點(diǎn),正在積極尋找合作伙伴,并已經(jīng)與西門(mén)子簽訂了合作協(xié)議,共同研發(fā)產(chǎn)品。如果 Flash-OFDM4結論和展望能夠像當年的CDMA那樣尋找到一個(gè)可以大規模應用的市場(chǎng),那么這項技術(shù)將獨立地發(fā)展下去,否則最3G是以話(huà)音為主的蜂窩網(wǎng),它雖然比2G2.5G終只能與其它技術(shù)融合,成為下一代移動(dòng)通信技術(shù)的等的傳輸速率快很多,但仍無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)多媒體通信部分。的要求,并且其投人成本高?，F在 Flarion提出的Flash-OFDM無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以把大量數據參考文獻塞入比較小的帶寬里面解決3G的不足。和現有的1 M.Scott Corson, Rajiv Laroia,, Alan O'Neill, Vincent Park,以OFDM為基礎的系統(例如DSL)不同and George Tsirsis, A New Paradigm for IP-Based CellularFlash-OFDM不僅僅是一種物理層的解決方案,它更Networks, IEEE Computer Society November/December3,N6)p.20-29是一種采用了OFDM獨特的物理特性的系統級技2 Flarion Technologies, Inc. FLASH-OFDM Technology術(shù),使得在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中能增強更高層的性能優(yōu)勢,獲September2,2004,http://www.flarion.com/viewpoint得非常有效的數據包傳送,以及很低的信號延遲。它3 Kevin Brown, Corey Soliman, What is4G? a description of以P透明方式使網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫延展到廣闊的移動(dòng)環(huán)境leading technologies with an overview of Flash OFDM中,能夠解決3G出現的問(wèn)題、面對現在移動(dòng)通信April29,2004,http://www.personal.psu展要求的挑戰,因此這種技術(shù)在未來(lái)將是非常有前途edu/users/k/r/krb187/4G. htm的。Fah-OFDM的缺點(diǎn)就在于缺乏產(chǎn)業(yè)鏈條的支4張磊,因特網(wǎng)移動(dòng)寬帶接入解決方案,技術(shù)前沿,200412撐,這會(huì )使其陷入孤軍奮戰的境地。 Flarion也意識到5李8020標準步履維艱hmn另辟徑,技術(shù)前沿,20054+“+““-““““中+(上接第22頁(yè))個(gè)工作組在制定UWB標準時(shí),受出,UWB要進(jìn)入市場(chǎng),還有待標準的完成、進(jìn)一步的WiMedia聯(lián)盟(包括 Alereon、微軟、英特爾、惠普、諾技術(shù)研究、相應芯片的研制以及資金的投入?；鶃?、索尼等廠(chǎng)商)支持的技術(shù)標準與受UWB論壇(論壇包括 Freescale、摩托羅拉等廠(chǎng)商)支持的技術(shù)標參考文獻準間的相互對立,這可能導致建立 UWB IEEE標準1張土兵超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用前景及其挑戰[J的努力停止,并使用戶(hù)在二種互不兼容的技術(shù)中艱難南通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005年3月第4卷第1期的選擇相應的芯片2龐海生朱詩(shī)兵超寬帶及其關(guān)鍵技術(shù)[J]電信技術(shù)2005年第4期3談敏超,田振麗,傅海陽(yáng)超寬帶一下一代的無(wú)線(xiàn)技術(shù)[J5結束語(yǔ)信息安全與通信保密,200544多種協(xié)議角逐短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)市場(chǎng)[ Eb/Ol].htTp/ww將UWB技術(shù)轉為民用還是一項新技術(shù),隨著(zhù)該zdnet. com. cn/techupdate/implement/wireless/wireless/story/技術(shù)日益完善,它在無(wú)線(xiàn)通信方面的獨特優(yōu)勢,將促0380007259239360246,00htm進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。加上 Blue Tooth和 HomeRF5UWB標準工作陷人僵局 Wintel技術(shù)獲市場(chǎng)青矚的淡出市場(chǎng),UWB在近距多媒體設備和個(gè)人網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域,特別是信息家電方面將有很大的市場(chǎng)潛力。需指112l/1794/2005518-20014lhml中國煤化工CNMHG