超宽带无线技能

一、导言

　　跟着无线通讯技能的开展，现有的无线网络技能现已不能满意人们对短间隔高速无线通讯的需求。因而，当规划未来的短间隔无线通讯体系时，需求考虑通讯的遍及特性和B3G中说到的“任何人、任何时刻、任何地址”的衔接性。这就要求新的无线国际是现在和未来无线通讯体系的归纳，包含WANs、WLANs、WPANs和Ad Hoc以及家用局域网。它能够衔接各种不同的设备，包含计算机和各种文娱设备。要完成这个方针，就需求开发新的无线技能。

　　UWB技能开端是在1960年作为军用雷达技能开发的，前期首要用于雷达技能领域。1972年，UWB脉冲检测器请求到了美国专利；1978年，呈现了开端的UWB通讯体系；1984年，UWB体系成功地进行了10公里的实验；1990年，美国国防部高档方案局(DARPA)开端对UWB技能进行验证；2002年2月，FCC同意了UWB技能用于民用。

　　UWB技能开展缓慢的原因首要有：①在1994年曾经首要限于军方运用，约束了第三方开发支撑UWB的软件和硬件；②由于UWB运用许多专用频段，FCC对UWB技能的同意开展缓慢：③UWB带来的搅扰问题也阻止了UWB的开展脚步。别的，由于UWB技能或许替代现在运用的一切无线技能，包含PAN、WLAN(802.11a、802.11b、802.11g)和无线WAN，因而，许多公司会抵抗该技能的商用。

二、UWB的长处

　　美国联邦通讯委员会(FCC)在2002年2月14日的规矩中，超宽带体系被界说为相对带宽(信号带宽与中心频率的比)大于20%或带宽大于500MHz的信号体系。与其他无线通讯技能比较，UWB具有许多长处，表1列出了UWB技能与其他无线局域网技能的比较。UWB技能具有传输速率高、体系容量大、抗多径才能强、功耗低、本钱低的特色。此外，它还可经过改动脉冲的起伏、间隔、或持续时刻来传递信息。

　　与窄带收发信机和蓝牙收发信机比较，UWB不需求发生正弦载波信号，能够直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的均匀功率，有利于与其他体系共存，提高了频谱运用率。

表1　UWB与其他无线局域网技能的比较

　　UWB不需求正弦波调制和上、下变频，也不需求本地振荡器、功放和混频器等，因而体积小，体系结构简略。UWB对信号的处理只需运用很少的射频或微波器材，因而射频规划也比较简略，体系频率自适应才能强。由于只需能将脉冲发射机和接纳机前端集成到一个芯片上，再加上时刻基和操控器，就能够构成一部UWB通讯设备，因而它的本钱能够大大下降。

　　由于UWB信号选用了跳时扩频，其射频带宽能够到达1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号荫蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接纳机无法接纳和辨认，有必要选用与发端共同的扩频码脉冲序列才干进行解调，因而添加了体系的安全性。

　　UWB信号的式微比较低，有很强的抗多径式微的才能。

　　UWB信号的高带宽带来了极大的体系容量，由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，体系有很高的增益和很强的多径分辨力，所以体系容量比其他的无线技能都高。

　　由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即便选用低增益的全向天线，也可运用小于1mW的发射功率完成几公里的通讯。如此低的发射功率延长了体系电源的运用时刻，十分合适移动通讯设备的运用。有研讨标明，运用超宽带的手机待机时刻能够达6个月，并且低辐射功率能够防止过量的电磁波辐射对人体的损伤。

三、UWB的调制方法

　　UWB是发射和接纳冲激脉冲的技能，能够运用不同的方法来发生和接纳这些信号以及对传输信息进行编码，能够独自或成组发射，并可依据起伏、相位和脉冲方位对信息进行编码。UWB信号的调制方法有：脉冲方位调制(PPM)、M脉冲方位调制(MPPM)、二进制相移键控(BPSK)、开关键控(OOK)、二进制脉冲起伏调制(BPAM)、M进制脉冲起伏调制(MPAM)、混合脉冲方位调制、直接数字调制、子载波调制等。当时选用较多的是脉冲方位调制(也称时刻调制：TM)和二进制脉冲起伏调制，下面就首要介绍这两种调制方法。

　　1.脉冲方位调制

　　脉冲方位调制是将需求传递的数字信息调制到脉冲与脉冲之间的超窄(小于1ns)无载频脉冲信号的时隙中去，并以每秒几百万个脉冲的速率发射和接纳UWB信号。

　　假定UWB多径接入体系中有无数个有用的脉冲无线发射机一起发射信号，则第k个发射机输出的典型时跳信号能够表明为：

　　　　(1)

　　其间：t(k)是第k个发射机的时钟时刻，cj(k)是第k个发射机的跳时码，0≤cj(k)(u)＜Nh,NhTc≤Tf，Tf是均匀脉冲重复周期；dj(k)(u)示调制的数据，Wt(t)表明所发送的根本高斯脉冲波形。

　　理论上开端于发射机时钟的零时刻，且每个发射机发射的数目与发射机有关。因而第k个发射机发射的信号包含很多的变换到不一起刻的单周期波形，第k个单周期理论上开端于k时刻，表明根本或许抽样空间中的一个要素。

　　2.二进制脉冲起伏调制

　　BPAM是超宽带信号的别的一种典型波形，能够表明为：

　　　　(2)

　　其间：dj(k)表明第k个发射机传输二进制符号“0”和“1”所对应的“-1”和“+1”。

　　BPAM与PPM的首要区别是：前者用信息符号操控脉冲起伏，后者用于操控发射信号的时延。

　　在典型的UWB收发信机结构中，首先在发射端由脉冲重复频率发生器操控脉冲发生器发生一系列的冲激脉冲，然后在调制器中，用待发送的数据对这一系列的脉冲进行脉冲振幅调制或脉冲方位调制，并经过射频滤波器将这一系列带有发送信息的脉冲发送出去。在接纳端，天线接纳经过多径式微信道而来的UWB信号，经过噪声扩大器将信号能量扩大之后输入到相关的解调器中。在相关解调器中，运用与发端相同的冲激脉冲序列对射频滤波，再经过低通滤波、抽样等康复发送信号。

四、UWB-RT的运用

　　跟着UWB-RT商业化的开端，这项技能为支撑高速运用和低速智能设备的短间隔无线通讯体系的布置供给了或许性。FCC界说的UWB天线体系，运用简略的调制和编码机制，在短间隔内可到达的信息速率大于100Mbit/s。UWB在信息速率和掩盖规模之间能够取一个折衷。

　　很多的运用场景合适运用UWB，首要包含高速无线个人网(HDR-WPAN)，无线以太网接口链路(WEIL)，智能天线区域网(IWAN)，室外点对点网络(OPPN)，传感器、定位和辨认网络(SPIN)。

　　前三种状况假定UWB设备网络布置在居民区或许作业区，首要传送用于文娱的无线视频/音频和操控信号；第四种状况供给室外点对点衔接：而第五种考虑工业和商业环境。

　　1.HDR-WPAN

　　HDR-WPAN界说为：每个房间的活动设备为5～10，在1～10m规模内，数据速率为100～500Mbit/s，首要根据点对点拓扑。它可运用现有的有线或许无线规范经过中继与外部相连。

　　2.无线以太网接口链路

　　能够将HDR的概念扩展到更高的数据速率，如1Gbit/s、2.5Gbit/s。WEIL应该满意以下需求：从PC厂商方面看，需求以太网线的替代品；从顾客视点看，在PC和LCD屏之间要求高质量的无线视频传输才能，能够传无线数字视频。

　　3.智能天线区域网

　　IWAN适用于在室内或许作业室等有高密度设备的当地，间隔为30m。设备的要求是：低本钱、低功率耗费(如1～10mw)，并能给用户供给家庭/作业室的智能散布网。设备的功用应包含精确定位、盯梢、支撑环境灵敏的设备，这在当时的窄带短间隔网络中不太简单完成。在这种状况下，无线最终一英里或许到外部的可用衔接能够用来发送报警、操控信号，或许长途查看家庭周围传感器的状况。

　　4.室外点对点网络

　　UWB设备布置在室外，首要适用于PDA上行和信息交流，包含新闻文本、图片和视频的下载。选用何种规范将决议着OPPN结构是运用会集方法仍是散布方法，这是一个需求进一步研讨的课题。

　　欧洲行将选用的UWB规范将严厉约束支撑室外的UWB设备的布置。但是，这种状况或许会改动，由于UWB控制的运用也在不断进步，好像曩昔其他无线事务所阅历的相同。

　　5.传感器、定位和辨认网

　　SPIN体系的特征是设备密度高(每层几百个)。它首要用于在工厂或许库房发送带有定位信息的低速数据包。SPIN设备运用规模较大，假如为主从拓扑，在独自设备和主站之间的间隔可达100m。在工业运用中，SPIN需求高档链路可靠性和自适应的体系特征，以对动态改动的接口和传达环境作出反应。

　　UWB的一个重要效果便是可依据用户需求供给有用的事务。场景机制的区分和各种网络的开展，包含上面剖析的各种状况，都远远不能满意用户的期望。一个雄伟的方针便是在不同场景下，完成各种网络的无缝共存和互操作性，因而触及有用的衔接、主动周游机制和数据链路的自适应，将是未来一个重要的研讨课题。

五、控制和规范化

　　考虑到UWB-RT体系的新特色，要与现有的事务兼容，并确保不同厂商设备之间的互操作性，还有很多的作业要做。

　　欧洲电信规范化安排(ETSI)在两年前就开端作业了，为布置非专用UWB设备树立一个立法结构。由EMC和无线频谱技能委员会(TC-ERMC)的TG31组担任，与欧洲邮电管理局(CEPT)SE21协作，ETSI正考虑这项技能的最佳挑选和与其他事务的频率同享。

　　2002年9月，日本信息通讯技能分会向总务省(MPHPT)提交了UWB的草案，为UWB的规范化做预备。此外，日本的通讯研讨实验室(CRL)正与首要的工业同伴进行研讨，开发根据UWB-RT的商用体系。2003年头，新加坡的信息开展署(IDA)树立了一个UWB实验区，给UWB开发者供给了一个进行实地实验的时机。

　　UWB-RT供给了很好的远景，具有很大的潜力，一起也对控制提出了应战。FCC答应的UWB信号源仅发射很小的功率，通讯间隔较短，并且运用的是现已分配给其他事务的频段。但是，很少有人重视UWB信号源或许带来的搅扰问题，更多人以为应该重视UWB设备是否应该很多添加，从而变得无所不在。在一个很小的规模内，几百个UWB发射机一起作业或许会对周围的其他事务发生有害的搅扰，如对导航、救援、通讯或许固定无线接入事务会发生搅扰。UWB安排花费了很大的精力来处理这些问题，提出和规划了能够防止发生这些搅扰的体系。

　　FCC和ETSI ERM TG31a都拟定了严厉的规矩，以确保新的UWB无线产品是安全的，并不断进行改进。在欧洲，正在尽力维护一切或许受影响的事务，且大都事务供给者都在积极参与CEPT SE24组的技能开发活动，如固定无线接入(FWA)运营商(受影响的频段：3.5GHz、3.6-4.2GHz、4.4-5.0GHz)、蜂窝网运营商(915MHz、1800～2100MHz)和空间科学安排(406～406.1MHz、1400～1427MHz、1544～1545MHz、5250～5460MHz)等。

　　广泛支撑PHY和MAC层工业规范，是UWB-RT成功布置的一个条件。在结合数据通讯和定位才能的短间隔无线通讯体系中，虽然规范应在多大程度上依赖于运用现在还有争辩，但将来的UWB-RT必定会把支撑规范化PHY/MAC和联网功用作为仅有的挑选。

　　在IEEE内部，使命组3a(TG 3a)会集在界说可选的PHY(Alt-PHY)，根据UWB-RT的802.15.3。这个新界说的Alt-PHY将对多媒体散布域的顾客需求作呼应，与现已规划好的MAC(802.15.3a)供给规范特色和新技能的结合，或许在近期得到同意。在新界说的PHY层之上选用预先界说的MAC层，将是UWB-RT商业运用开发的第一阶段。虽然这种方法会下降整个体系的功率和QoS级，但这是一种可行的折衷方案，有助于加快UWB-RT的商业布置。

　　与规范化一起进行的是无线规范品牌形象的树立。2002年9月，Kodak、HP和Xtremespectrum等公司建议并建立了便携式设备与视听设备之间高速无线多媒体通讯的WiMedia联盟，以促进数码相机、MP3播放机、摄像机等设备之间的无线图画及视频传输，并推动IEEE 802.15.3的规范化作业。此外，一个新建立的作业组，IEEE 802.15.3a，正在剖析和拟定一个根据UWB-RT的低速、低功率和低本钱的WPAN技能规范的潜力。

六、UWB研讨现状

　　现在，国外对UWB的研讨正在如火如荼地进行着，美国的多所大学，如南加州大学、麻省理工大学、伯克利大学等都在进行UWB通讯体系的研讨。欧洲也有相应的项目，如德国的Dresden大学、芬兰的Oulu大学等都启动了UWB研讨项目。

　　此外，现在已有许多公司也在进行UWB技能的研讨开发作业。美国的XtremeSpectrun公司己开发出在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，它选用双相调制技能和IEEE 802.15.3 MAC协议，传输速率到达100Mbit/s。

　　Intel、Cisco、Sony等公司都预备进入UWB无线数据通讯商场，无线家用网络将会是UWB的干流商场。关于短间隔高速WPAN，UWB-RT有期望成为一项可行和有竞争力的无线技能，有才能支撑以用户为中心的个人无线通讯国际。UWB-RT所具有的新特色，使其或许成为短间隔无线设备和运用的根底。在未来的泛网中，对用户而言，从一个网络过渡到另一个网络是通明的。虽然在技能、经济和控制方面还有一些应战，但各种研讨和开发的尽力将与全球控制结构相结合，使UWB-RT将会在未来的无线网络中发挥重要的效果。