議超寬帶無線通信技術

杜成龍

【摘要】 超寬帶（UWB）無線通信技術是近年來備受關注的一種高速、低功耗的無線通信技術，在簡單介紹超寬帶無線通信的概念基礎上，著重分析了超寬帶無線通信的特點和應用。

【關鍵詞】 超寬帶 無線通信 技術特點一、技術概述和特點分析

UWB技術最初是1960年美國作為軍用雷達技術開發的，早期主要用于雷達技術領域。該技術的發展帶動了脈沖檢測器等設備的開發，而且該技術具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統復雜度低、厘米級的定位精度等優點。

但在隨后的30多年間，UWB技術發展很緩慢，一方面是因為軍方的限制讓第三方無法開發支持UWB的軟件和硬件，此外，UWB技術對其他頻帶帶來的干擾，也阻礙了它的發展步伐。2002年2月，FCC批準了UWB技術用于民用，進而將UWB技術推向了市場前端。

目前的UWB技術根據底層UWB信號的實現形式不同，可分為兩大類。一類是基于窄脈沖式的沖激類UWB，即不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。這樣提出的UWB設計方案稱為直接序列CDMAUWB（DS-CDMAUWB）方案。這個方案頻譜利用率高，可進行高精度定位和跟蹤，抵抗多徑衰落能力強，但頻譜共享的靈活性較差，不利于與其他窄帶系統共存。

另外一類是基于調制載波擴頻式的載波類UWB，提出的設計方案叫多載波OFDMUWB（MB-OFDMUWB）方案，它采用OFDM技術傳輸子帶信息，提高了頻譜的靈活性，但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），容易產生對其他系統的干擾，因此解決干擾問題是該方案目前最大的難題。兩種技術形成了鮮明對立的兩大陣營，使得制訂面向UWB高速數據傳輸標準的802.15.3a工作組已經解散。

目前，由ITU-RTG1/8工作組來負責UWB高速數據傳輸的全球統一標準的制訂工作。

與其他無線技術相比，UWB具有以下幾個技術特性。其一是高帶寬、高傳輸速率。按照UWB的技術設計，UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾個GHz，數據速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，這樣的理論速度高于藍牙100倍，特別適合局域網或者個域網內設備之間的快速共享數據庫以及傳送數據。

其次是強大的抗干擾性能，UWB采用跳時擴頻信號，系統具有較大的處理增益，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IEEE802.11a、IEEE802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。另外，由于UWB的脈沖非常短（0.1～1.5ns），頻譜非常寬（數GHz，可超過10GHz），能避免多路徑傳輸的信號干擾。

第三是低功耗，UWB系統發射功率非常小，通信設備可以用小于1mW的發射功率實現通信，另外，CDMA-UWB不使用載波，只是發出瞬間脈沖電波，也就是直接按“0”和“1”發送出去，并且在需要時才發送脈沖電波，大大延長了系統電源的工作時間。

二、UWB系統方案及一些技術問題

2.1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。

2.2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-CA-MA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。

2.3 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2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。

三、UWB技術的應用

3.1 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1Mbit/s，功率是lmW。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。

3.2 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。

3.3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。

四、結語

盡管目前UWB的發展中存在著頻率管制、標準化等難題，也還必須面對其他無線技術的競爭，但是可以預見，隨著無線多媒體應用越來越普及，UWB將在消費電子領域、通信領域獲得大規模應用。物理層方案雖然沒有融合的跡象，但是雙方都沒有放棄產業化的腳步，誰最終占領市場，誰將成為事實標準，這都預示著UWB技術的前景將非常廣泛。