引言

　　個人局域網（PAN）是近幾年在短距離（家庭與小型辦公室）無線通信技術領域提出來的新概念。PAN 的核心思想是用新的無線傳輸技術代替傳統的有線傳輸技術 ，實現個人信息終端的智能化互連 ，組建個人化的辦公或者家用信息網絡。目前已實現的 PAN 技術主要有 ： 超寬帶 （ Ultra - Wideband ，UWB） 、 藍牙 （Bluetoot h）、 IrDA （ In f rared Data Ass oc iati on） 以及HomeRF 等。 其中超寬帶具有性能高、 功耗低的優點 ，這使得超寬帶成為個人局域網 （ PAN） 研究領域中最富有競爭力的技術之一。

　　1 超寬帶無線傳輸系統

　　超寬帶無線技術可縮寫為 “UWB”。超寬帶技術是一種使用 1 GH z 以上帶寬的最先進的無線通信技術。 由于頻帶非常寬 ，所以雖然是無線通信 ， 其通信速度仍可以達到幾百Mbps 以上。超寬帶的特點在于不使用載波 ，而是采用沖激脈沖（超短脈沖）。超寬帶發射機端的脈沖電波是直接按照0或1發送的 ，由于只在需要時發送脈沖電波 ，因而大大減少了耗電量 ，可把電路的功耗降低到幾十毫瓦。 因此與常規的無線電相比 ，超寬帶具有頻帶寬、 平均功率低、抗截獲性能好、穿透能力強、成本低以及優良的抗多徑效應能力。

　　1. 1 超寬帶 （ UW B） 的信號模型

　　超寬帶 （ UW B）技術指具有很高帶寬比（射頻帶寬與其中心頻率之比）的無線電技術。 超寬帶發射信號的分數帶寬（帶寬與中心頻率之比）大于 25 %。 實現超寬帶通信的首要任務是產生超寬帶信號。 超寬帶從本質上講還是發射和接收高頻電磁脈沖的技術 ，可使用不同的方式來產生和接收這些信號以及對傳輸信息進行編碼 ，這些脈沖可以單獨發射或成組發射，并可根據脈沖幅度、相位和脈沖位置對信息進行編碼。 信號模型有 ：脈沖位置調制 （ PPM） 、 脈沖幅度調制 （ PAM）、UWB-CDMA。 在超寬帶通信中 ， 一般采用PPM對信號進行調制 ，擴頻方式采用跳時（TH）擴頻。PPM信號模型如公式 （ 1）所示 ：

　　其中W（t）是發送的單周期脈沖 ，滿足代表多用戶系統中第 k 個用戶 ，tf為脈沖重復周期，wd［ ］tf，d是信息序列 ，δ表示由信息序列控制的發射脈沖時延 ， 每Ns個單周期脈沖波形傳送一個二進制符號，d 表示傳送的二進制“0” 和“1”序列 ，“［ ］”表示取整運算，tc是由PN碼控制的發射脈沖時延表示了所發射的沖激脈沖串中第j個脈沖的起點， 為第k用戶PN碼的第j個碼元 ，最大值為 NmaxC（k）j ，PN碼周期為 Np 。

　　1. 2 　 超寬帶技術的發射接收框架

　　通過上文對信號模型的分析可知 ，研究超寬帶技術實質上是以占空比很低的沖激脈沖作為信息載體的無載波擴譜技術。典型的超寬帶無線電直接發射沖激脈沖串 ，不再具有傳統的中頻和射頻的概念 ，此時發射的信號可以看成基帶信號也可看成射頻信號。沖激脈沖通常采用單周期高斯脈沖 ，一個信息比特可映射為數百個這樣的脈沖。 單周期脈沖的寬度在納秒級 ，具有很寬的頻譜。PPM 和 PAM 是超寬帶技術的主要調制方式 ，其多址方式為脈沖位置多址 （ PPMA） ，由跳時PN 碼和信息比特共同控制沖激脈沖的發射時刻。 超寬帶通信系統有其特有的系統結構 ，圖1所示的是采用 PPM 調制的超寬帶系統框圖。 發射端對輸入的二進制數據流進行PPM調制后發射 ; 接收機采用相關接收 ，輸入脈沖通過脈沖相關器 ，然后進行脈沖序列積分 ，最后檢測判決。

　　2 　個人局域網中的超寬帶技術

　　2. 1 　 未來無線個人局域網

　　近年在短距離 （家庭與小型辦公室） 無線通信技術領域提出了個人局域網的概念。 無線個人局域網 （ WPAN） 指的是能在便攜式電器和通信設備之間進行短距離特別連接 （ad hocconnectivity）的網。WPAN 的覆蓋范圍一般在10m半徑以內 ，需要高速率無線網絡的支持和服務。 高速率WPAN主要是針對未來的多媒體應用 ，它在便攜式電器和通信設備之間建立無線連接 ，是比WLAN 覆蓋范圍更小、數據速率更高、有一定Qos保證、使用更靈活的一種網絡 ，在未來的第四代移動通信中也將占有一席之地。

　　為了給高速率WPAN制定標準，IEEE專門成立了一個802.15.3 高速率WPAN任務組。802.15.3物理層工作在2.4GHz和 2.4835 GHz之間的不需許可證頻段。 數據速率可達 11Mbit/s ～55Mbit/s ，適合高清晰度視像和高保真度聲音的配送。 802.15.3 媒體接入控制 （ MAC） 層規范是根據支持特別網、 提供多媒體Qos和支持功率管理來設計的。 與無線局域網相比 ，802.15.3 高速率WPAN技術具有特別適合便攜式消費者電器和通信設備及其應用的特點。表1給出了IEEE 802.15.3 高速率WPAN標準。

　　2. 2 　 用于個人局域網的超寬帶技術的特點

　　超寬帶技術能充分抑制多路徑衰落的影響、 實現室內高質量近距離無線通信、 發送功率很小、 幾乎不對其它寬帶傳輸帶來影響 ，這些使得超寬帶技術成為實現個人局域網的眾多技術中有極大發展優勢的技術。 如圖 2 為基于超寬帶技術的個人局域網示例 ，其中的超寬帶系統具有如下特點 ：

　　2. 2. 1 頻譜寬、功耗低

　　相對于窄帶收發信機及實現短距離通信的藍牙收發信機而言 ，超寬帶不需要產生正弦載波信號 ，可以直接發射受跳時偽隨機碼（PN碼） 和信息比特控制的沖激脈沖序列 ，因而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 ，提高頻譜利用率。

　　2. 2. 2 　 隱蔽性好、 安全系數高

　　由于超寬帶信號采用了跳時擴頻 ，其射頻帶寬可達1GH z以上 ，且發射功率頻譜密度極低 ，信號隱蔽在環境噪聲和其它信息號中 ，用傳統的收發機無法分辨和接收 ，必須采用與發射端一致的擴頻碼脈沖序列才能對大量類似于噪聲的發射信息進行解調 ，由此增加了超寬帶通信系統的安全性。

　　2. 2. 3 　 多徑分辨能力強

　　超寬帶信號波形的無載波狀態導致即使在脈沖重疊時也只有很少的衰落。 為了達到103的誤比特率 ，在加性高斯噪聲信道下所需要的信噪比約為 13. 5d B ，而根據實測信道數據進行估算 ，在室內多徑環境下 ，為了達到相同的性能 ，只需約15dB的信噪比。

　　2. 2. 4 　 超寬帶信號極大的帶寬帶來極大的系統容量。

　　2. 2. 5 　 處理增益高

　　由以上特點可知超寬帶技術最適用于擁擠的室內環境應用 ，并不太適合室外應用。 超寬帶技術對高速、 短/ 中距離無線家庭網絡用的下一代物理層 （ PHY ） 芯片是很理想的 ，有人預測 ，超寬帶可用作待定的 Blueto ot h2. 0 版本的物理層 ，也是IEEE 802. 15.3 的下一代物理層的良好候選者。

　　圖 2? 基于超寬帶技術的 PAN 示意圖

　　2. 3 　 個人局域網中超寬帶技術的研究方向

　　2. 3. 1 影響超寬帶使用的一個非常實際的問題就是干擾

　　直到目前為止 ，超寬帶使用非常寬的帶寬來收發無線電信號 ，而實際上并不存在如此寬的空閑頻帶 ，總要出現與現有無線技術所使用的頻帶相互重疊的部分 ，特別是設計到航空、軍事、 安全、 天文等領域。 超寬帶的大量使用可能對GPS等其他窄帶無線通信方式形成干擾 ，有關部門對 400MHz～6000MH z 工作的 UW B 的干擾進行的試驗表明 ，在有條件情況下 ，3. 1 GH z～5. 65 GH z 的某些頻段可以使用。 而固定衛星服務 （ 3.7GH z ～4.2GH z ） 、 微波著陸服務（ 5.03 GH z ～5.091 GH z）和多普勒氣象雷達（ 5.6GHz～5.65GHz） 等還存在一些問題需要解決。 目前超寬帶只能得到有限的應用 ，超寬帶系統對于窄帶系統的嚴重潛在干擾仍在進一步研究之中。

　　2.3.2 當前研究超寬帶在未來 WPAN 中應用的重點之一是Ad hoc

　　Ad hoc 是一種有特殊用途的對等式網絡 ，它使用無線通信技術 ，網絡中直接通信范圍內的節點互為路由器 ，通過相鄰點轉發實現Adhoc內部主機之間和內部主機與外部主機之間的通信。超寬帶的特點使其有希望成為一種小空間內靈活和特別適合的傳輸方案 ：

　　第一 ，超寬帶可在密集多徑環境的室內提供高速數據速率 ，這正是未來的無線系統所需要的 ;

　　第二 ，超寬帶的處理數據速率和功耗方面具有較高的靈活性 ，能根據傳輸參數和環境的不同而匹配最佳的數據速率。就無線終端設備而言 ，因為無需載波 ，接收機的結構將非常簡單。 超寬帶設備也將比傳統無線技術的終端設備便宜 ;

　　第三 ，超寬帶雖然要求在發射 — 接收之間同步 ， 但即使在網絡中不同鏈路之間異步的情況下也能工作，因此對于Ad hoc ，由于無固定網絡設施而使全網終端之間的同步高度復雜 ，超寬帶也非常適用。

　　2 .3 .3 媒體訪問控制（MAC）層的合理設計也是研究重點

　　高速數據在無線信道中傳播容易產生分組丟失 、 突發損失 、 分組時延等問題 。同時，由于無線信道隨時間、地點而變 ，從而為在用戶移動的情況下仍能保持同樣的 Qos 業務增加了難度。要解決這些問題都需要對MAC層進行合理設計 。UWB 系統的 MAC 層設計包括控制信道接入、Qos保證和安全性等 。

　　3 　 結束語

　　個人局域網對容量的要求不斷提高 ，并且要求對現有通信系統不造成影響 ，超寬帶脈沖無線電系統正好滿足了這一要求 ， UWB 通信是一項很有發展潛力的高速無線接入技術 。相信隨著對UWB研究的日益深入 ，超寬帶無線電技術將更加完善 、更加有效地服務于人們的生活 。