超寬帶無線通信技術和應用領域

摘要：首先簡要介紹了超寬帶（UWB）的系統框架，而后介紹了其主要技術特征和標準化情況，最后對UWB技術的應用前景進行了展望。

關鍵字：超寬帶、MB-OFDM、DS-CDMA、IEEE802.15.3a、無線USB、藍牙

一、概述

　　超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，起源于上世紀60年代，過去僅應用在軍事雷達和定位設備中。隨著無線通信技術的飛速發展，人們對高速無線通信提出了更高的要求，超寬帶技術又被重新提出。UWB利用納秒至皮秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，這些脈沖所占用的帶寬甚至高達幾GHz，因此最大數據傳輸速率可以達到幾百Mbps。在高速通信的同時，UWB設備的發射功率卻很小，僅僅是現有設備的幾百分之一。所以UWB是一種高速而又低功耗的數據通信方式。

　　UWB系統的完整架構如圖 1所示。最下層為物理層和MAC層，在其上為匯聚層，匯聚層的上面就是應用層的無線USB、無線1394和其他的應用環境。而本文下面提到的MB-OFDM和DS-CDMA均屬于物理層和MAC層的技術方案。
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二、UWB的兩大技術標準

　　2003年，在IEEE802.15.3a工作組征集提案時，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復用（OFDM）和直接序列碼分多址（DS-CDMA）三種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復用方案融合，從而形成了多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩大方案。下面分別對這兩種方案進行介紹。

1．MB-OFDM和DS-CDMA方案技術特征

　　MB-OFDM的核心是把頻段分成多個528MHz的子頻帶，每個子頻帶采用TFI-OFDM（時-頻交織正交頻率復用）方式，數據在每個子帶上傳輸。傳統意義上的UWB系統使用的是周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個子帶來實現帶寬的動態分配，增加了符號的時間。長符號時間的好處是抗ISI（符號間干擾）能力較強。但是這種性能的提高是以收發設備的復雜性為代價的，而且由于OFDM技術能使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通信距離也會較遠。

　　DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出的。它采用低頻段（3.1~5.15GHz）、高頻段（5.825~10.6GHz）和雙頻帶（3.1~5.15GHz和5.825~10.6GHz）三種操作方式。低頻段方式提供28.5~400Mbit/s的傳輸速率，高頻段方式提供57~800Mbit/s的傳輸速率。DS-CDMA在每個超過1GHz的頻帶內用極短時間脈沖傳輸數據，采用24個碼片的DS-SS（直接序列擴頻）實現編碼增益，糾錯方式采用R-S碼和卷積碼。

　　表 1給出了MB-OFDM和DS-CDMA兩種方案的主要技術參數。
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2．UWB標準化現狀

　　從以上兩種技術方案提出之日起，IEEE802.15.3a工作組中就一直不能達成一致。從技術上來講，MB-OFDM和DS-CDMA是無法彼此妥協的，DS-UWB曾提出一個通用信令模式，希望與MB-OFDM兼容，但被MB-OFDM拒絕。經過三年沒有結果的爭辯競爭，IEEE802.15.3a工作組宣布放棄對UWB標準的制定，工作組隨即解散。

　　IEEE802.15.3a工作組解散后，MB-OFDM的支持者WiMedia論壇轉而取道ECMA/ISO想要激活標準。2005年12月，WiMedia與ECMA International (國際歐洲計算機制造商協會)合作制定并通過了建立ECMA 368/369。ECMA 368/369基于MB-OFDM技術，支持的速率高達480Mbps以上。ECMA已向ISO提交此標準，據稱該標準有望于今年第四季度成為ISO標準。

三、UWB技術的應用前景

　　隨著IEEE802.15.3a工作組的解散，雙方將繼續在技術上競爭，也許市場將決定哪種技術最終獲勝。圖 2給出了UWB的應用領域，可見UWB的應用遍及個人電腦，消費電子產品以及移動通信領域。
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（1）PC及外圍設備

　　UWB技術可以為PC用戶提供取代線纜的無線USB，從而為PC和打印機、掃描儀、鍵盤、顯示器等外圍設備提供無線的連接。

（2）移動電子類設備和通信設備

　　一旦PC采用UWB作為短距離線纜的替代方案，數碼相機、數碼攝像機以及移動消費電子類產品將隨之改變。UWB技術不僅可將所有的影像捕捉設備與個人電腦互聯，而且可以將其直接連接到顯示設備、打印機和P2P設備；而UWB技術也使得移動電話變成個人服務器，可以直接與個人電腦、打印機、大屏幕顯示器、揚聲器和汽車電器互聯。

（3）家庭消費電子類產品

　　UWB技術將會消除家庭娛樂設備之間的電纜，并且將提供個人電腦，家庭娛樂設備以及消費電子設備之間的無線互聯。

　　在UWB相關應用方面，MB-OFDM已被USB-IF采納為無線USB的技術；同時，今年3月份，Bluetooth SIG（Bluetooth Special Interest Group，藍牙特別興趣小組）宣布將結合MB-OFDM技術和現有藍牙技術，從而實現新的高速傳輸應用。相比之下，DS-CDMA的發展就略遜一籌，為了搶占龐大的USB市場，今年1月份，UWB Forum成立了Cable-Free USB Initiative，開發其自有的無線USB規范。

　　在尚未明朗的無線1394領域，就兩大聯盟的參與者來看，UWB Forum中有SONY的參與，而SONY在家電等相關產品中有相當程度的影響力，所以在無線1394的發展上，UWB Forum的實力仍不可小視。

四、總結

　　2006年1月IEEE宣布解散802.15 TG3a工作小組，UWB未來的發展就交由市場來決定，WiMedia-MBOA和UWB Forum兩大陣營的競爭更加白熱化。從兩大聯盟的參與者和目前相關應用采納程度來看，WiMedia-MBOA已獲得USB IF和Bluetooth SIG的接納，未來在PC相關應用發展上有較大優勢；而UWB Forum則有移動設備相關制造商Freescale、Motorola以及家電制造商SONY的支持，未來在通信和消費電子類產品的應用應該可占有一席之地。