超寬帶無線通信,超寬帶無線通信是什么意思

摘要　隨著無線通信技術的發展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶（UWB）技術的出現，實現了短距離內超帶寬、高速的數據傳輸。其調制方式和多址技術的特點使得它具有其他無線通信技術所無法具有的很寬的帶寬、高速的數據傳輸、功耗低、安全性能高等特點。本文介紹了UWB的主要技術特點，并把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通信技術進行了比較，最后對UWB的應用前景進行了分析與展望。
　　1、引言
　　無線通信技術是當前發展最迅速、最具活力的技術領域之一，在這個領域中，各種新技術、新方法層出不窮。其中，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是在20世紀90年代以后發展起來的一種具有巨大發展潛力的新型無線通信技術，被列為未來通信的十大技術之一。
　　1990年3月，在美國新墨西哥州的Los Alamo國家實驗室召開的超寬帶雷達會議上提出了“超寬帶（UWB）雷達”的概念。超寬帶雷達是一種新體制的雷達，它定義為：分數帶寬（FBW，Fractional Band-Width）大于25%的雷達為超寬帶雷達。

　　　
　　式（1）中f₁和f_h由能量帶寬定義給出。如果該波形的絕大部分能量（一般大于90%）都落入由這兩個頻率作為上下界的頻段范圍內，則稱f_h-f₁為能量帶寬。
　　2、超寬帶性能特點
　　UWB是一種“特立獨行”的無線通信技術，它將會為無線局域網LAN和個人局域網PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。UWB具有以下特點：
　　2.1　抗干擾性能強
　　UWB信號，在發射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設備產生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。表1給出了目前幾種主要的無線通信技術的主要性能指標參數。
　　表1　UWB與其他無線通信技術的比較

　　2.2　傳輸速率高
　　UWB的數據速率可以達到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高于藍牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

　　2.3　帶寬極寬
　　UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，并且可以和目前的窄帶通信系統同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開辟了一種新的時域無線電資源。
　　2.4　頻譜利用率高，系統容量大
　　因為不需要產生正弦載波信號，可以直接發射沖激序列，因而UWB系統具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統容量。
　　2.5　發射功率低
　　由于UWB系統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的發射功率實現幾千米的通信。
　　2.6　保密性好
　　UWB保密性表現在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低。用傳統的接收機無法接收。
　　3、UWB系統方案及一些技術問題
　　3.1　單頻帶系統
　　單頻帶系統僅使用單一的成形脈沖進行數據傳輸，其信號帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強。但由于信號的時間彌散嚴重，接收機的復雜度較高。此外，為解決共存性問題，避免與帶內窄帶系統的干擾，該系統采用的濾波器也是比較復雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經過DS-CDMA擴頻之后的信號再對載波進行調制，從而可以在合適的頻帶范圍內傳輸。傳統的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規定的發射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過頻譜搬移解決了這一難題。
　　3.2　多頻帶系統
　　多頻帶系統是指將規劃UWB的整個頻段劃分成若干個子帶。使用部分或全部子帶進行數據傳輸。信號成形和數據調制在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統窄帶系統使用頻段。多頻帶系統根據調制方式分為多帶脈沖無線電和多帶正交頻分復用兩種方式。其多址問題采用跳頻技術來解決。相對于符號速率又可分為快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多頻帶聯盟提議將UWB頻帶分為最少三個頻段。并采用正交頻分復用（OFDM）方式將三個頻段進一步分為大量的窄通道。
　　從技術上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協的。對無線電頻率管理來說，有兩個基本的原則：一是新的無線電技術不得對已有的無線電臺（系統）造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護要求，即要能忍受已有無線電臺的各種干擾。DS-CAMA因為使用整個3.1～10.6GHz頻段，包括傳統無線技術使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個頻率子帶可以很方便地避開這些頻率。
　　3.3　UWB硬件系統
　　同傳統結構相比，UWB收劫言機的結構相對簡單，圖1給出了UWB發射和接收機的系統框圖。在UWB收發信機中，信息可被不同技術調制，在接收端，天線收集信號能量經放大后通過相關接收后處理，再經門限檢測后獲得原來信息。相對于超外差式接收機來說，實現相對簡單，沒有本振、功放、PLL（鎖相環）、VCO（壓控振蕩器）、混頻器等，成本低，而且UWB接收機可全數字化實現，采用軟件無線電技術，可動態調整數據率、功耗等。
　　
　　圖1　UWB發射和接收機系統框圖
　　4、UWB技術的應用
　　由于UWB通信利用了一個相當寬的帶寬，就好像使用了整個頻譜，并且它能夠與其他的應用共存，因此UWB可以應用在很多領域，如個域網、智能交通系統、無線傳感網、射頻標識、成像應用。
　　4.1　UWB在個域網中的應用
　　UWB可以在限定的范圍內（比如4m）以很高的數據速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍牙好很多。藍牙的數據速率是1 Mbit/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無線外設訪問來傳輸照片、文件、視頻。因此UWB特別適合于個域網。通過UWB，可以在家里和辦公室里方便地以無線的方式將視頻攝像機中的內容下載到PC中進行編輯，然后送到TV中瀏覽，輕松地以無線的方式實現個人數字助理（PDA）、手機與PC數據同步、裝載游戲和音頻/視頻文件到PDA、音頻文件在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。
　　4.2　UWB在智能交通信息中的應用
　　利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易駕駛。當汽車的前方、后方、旁邊有障礙物時，該雷達會提醒司機。在停車的時候，這種基于UWB的雷達是司機強有力的助手。利用UWB可還以建立智能交通管理系統，這種系統應該由若干個站臺裝置和一些車載裝置組成無線通信網，兩種裝置之間通過UWB進行通信完成各種功能。例如，實現不停車的自動收費、汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取、站臺方對移動汽車的定位搜索和速度測量等。
　　4.3　傳感器聯網
　　利用UWB低成本、低功耗的特點，可以將UWB用于無線傳感網。在大多數的應用中，傳感器被用在特定的局域場所。傳感器通過無線的方式而不是有線的方式傳輸數據將特別方便。作為無線傳感網的通信技術，它必須是低成本的；同時它應該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無線傳感網通信技術的最合適候選者。
　　4.4　成像應用
　　由于UWB具有好的穿透墻、樓層的能力，UWB可以應用于成像系統。利用UWB技術，可以制造穿墻雷達、穿地雷達。穿墻雷達可以用在戰場上和警察的防暴行動中，定位墻后和角落的敵人；地面穿透雷達可以用來探測礦產，在地震或其他災難后搜尋幸存者。基于UWB的成像系統也可以用于避免使用X射線的醫學系統。
　　由于UWB有著很多優點，它還可以用于智能標識、有線網絡的無線延伸以及在軍事方面用來實現超保密的通信系統。