超寬帶技術在未來無線通信中的應用與實踐探索

盧華

【摘要】 自超寬帶技術的商業規范發布以來，超寬帶技術因自身的優勢，受到業界的廣泛關注。本文從超寬帶技術的概述入手，介紹了超寬帶技術的應用，最后探討了超寬帶技術面臨的挑戰。

【關鍵詞】 超寬帶技術 未來 無線通信 應用 現狀

一、超寬帶技術的概述

超寬帶技術作為一種新型的無線通信技術，解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，是當今最受關注的短距離高速無線通信技術。寬帶技術又被稱為脈沖無線發射技術，現在被廣泛接受的定義是指在3.1GHz到10.6GHz頻段之間占用10dB帶寬大于500Hz的無線發射方案[1]。傳統的無線通信是通過不同的載波頻率將信號調制到不同的頻帶上，載波的頻率與功率會在一定范圍內發生著變化，傳統無線通信就是利用載波的狀態變化來進行信息傳輸的。而超寬帶技術無線通信不需要通過載波，它是利用脈沖信號來進行信息傳輸，其中脈沖信號就是指那些產生與消失時間都極其短暫的信息，這種信號的產生到消失的時間僅用數百微妙到數納秒以下[2]。它與傳統無線通信相比具有如下優點：一是，頻帶極寬、傳輸速率極高。超寬帶脈沖信號和系統的頻帶極寬，目前已經實現大于100Mbps的可靠高速無線傳輸；在相同作用范圍的超寬帶技術無線通信的速率可以達無線局域網的10倍以上，達藍牙系統的100倍以上。二是，功率極低，功耗極小。超寬帶信號具有極低的輻射功率，并且因為它的頻帶極寬，這就使得超寬帶信號有極低的功率譜密度，甚至可以低于環境噪聲電平，從而決定了超寬帶通信系統的低截獲與低檢測特點，并且不會對常規的通信系統產生干擾影響，可以與常規通信系統共享頻帶達到共存的目的，還可以充分利用頻帶資源。同時低功率意味著其功耗也低，因而十分適合在移動通信設備的應用，而且可以大大的降低了對人體的輻射危害。三是，可高精度定位、定時，有良好的抗多徑效應性能。超寬帶技術無線通信系統一般在亞納秒級的脈沖寬度工作，因而具有亞納秒級時間分辨率，其多徑分辨率也相應的小于30cm，在接收信號時會形成1ns的時間接收窗口，僅接收處理接收窗口內的信號，對多徑干擾有很好的抗性[3]。四是，具有更強的穿透能力。超寬帶脈沖的頻率低，在相同絕對寬帶的無線信號中其為最低，因此它具有更強的穿透能力。五是，結構簡單，成本低。超寬帶技術無線通信系系統中，沒有在傳統的通過載波變化來實現信息傳輸的無線通信系統中用到的上變頻電路、下變頻電路、中頻電路以及各種濾波器等，系統結構簡單，實現通信相對容易，因此超寬帶技術無線通信的成本更低。

二、超寬帶技術的應用

隨著超寬帶技術的應用，該技術為支持高速應用與低速智能設備的短距離無線通信系統的配置提供了可能。超寬帶天線系統，使用簡單的體制以及編碼機制，在短距離內使信息速率大于100Mb/s。超寬帶可以在大量的應用場景中使用，比如：高速無線個人網、無線以太網接口鏈路、智能天線區域網、室外點對點網絡，以及傳感器，定位與識別網絡，其中高速無線個人網、無線以太網接口鏈路、以及智能天線區域網這三種可以將超寬帶設備網絡配置在居民區，也可以配置在辦公區，用來傳送用作娛樂的無線視頻、無線音頻、以及控制信號。室外點對點網絡能夠提供室外點對點連接。傳感器，定位與識別網絡可以在工業環境以及商業環境配置。

2.1高速無線個人網

高速無線個人網是指每個房間的活動設備個數為5到10個，活動范圍為1m到10m，數據速率為100Mb/s到500Mb/s，主要是基于點對點拓撲，它是通過現有的有限或者無線標準，經過中繼與外部相連[4]。

2.2無線以太網接口鏈路

無線以太網接口鏈路能將高速無線個人網的數據速率擴展到更高的數據頻率，比如擴展到1Gb/s、2.5Gb/s。無線以太網接口鏈路需要達到以下條件：一是，在電腦生產廠商方面，需要有以太網的替代品；二是，在消費者的角度，電腦與屏幕之間要有高質量的無線視頻傳輸能力，能夠傳送無線數字視頻。

2.3智能天線區域網

智能天線區域網在室內或者辦公室等有高密度設備的地方，其覆蓋范圍為30m。對智能天線區域網設備有低成本以及低功耗的要求，比如1mW到10mW，可以提供給用戶家庭或者辦公室的智能分布網。智能天線區域網有準確定位、準確跟蹤的功能。

2.4室外點對點網絡

超寬帶設備配置在室外，主要在PDA上行與信息交換、以及新聞文本、圖片、視頻的下載等方面適用。采用的標準將會決定室外點對點網絡結構是使用集中式或是使用分布式。在歐洲采用的超寬帶標準限制在室外配置超寬帶設備。但是這種情況也可能隨時發生改變，因為超寬帶管制的使用也會不斷的發展與進步。

2.5傳感器，定位與識別網

傳感器，定位與識別網具有設備密度高，每層設備數量大概為幾百個，主要在工廠或者倉庫，將帶有定位信息的低俗數據包進行傳送的特征。傳感器，定位與識別網絡設備的使用范圍較大，比如是主從拓撲，在單獨設備與主站之間的距離可以達到100m。當傳感器，定位與識別網在工業中應用時需要具備高級鏈路可靠性以及自適應的系統特征，達到對動態改變的接口和傳播環境做出反應的目的。在傳感器，定位與識別網中超寬帶起到的重要作用是可以根據用戶的需求來提供相應的業務。

三、超寬帶的應用領域

3.1通信領域

超寬帶在通信領域的應用主要體現在以下幾個方面：一是，智能數字家庭網絡。用超寬帶技術來與各種家用電器有機相連，比如說，電腦、PDA、電視、游戲、音響以及安全系統等。二是，可能成為無線USB或者無線1394的傳輸物理層標準，因為超寬帶可以提供大范圍的速率，可以使無線USB的速率要求得到滿足。三是，公路信息服務系統。將超寬帶技術應用在公路信息服務系統中，它可以提供高速率的信息服務，能夠為用戶提供路況信息、建筑物信息、以及天氣預報等人性化服務，也可以用于汽車防撞系統以及智能收費系統中。四是，應用在軍事方面。由于超寬帶技術的截獲率低、檢測率低、以及功耗低等特點，所以最早被應用在均是方面，發展到現在已經相當成熟，主要應用在戰場視距戰術組網電臺、非視距的通信電臺、戰術通信電臺、艦船與飛機內部通信系統、以及單兵作戰系統等中。

3.2雷達與監視領域

在雷達方面，超寬帶技術的應用研究已經有50多年的歷史，雷達領域也是驚呆超寬帶技術最早的應用領域。發展到現在，超寬帶雷達技術已經十分成熟。當采用亞納秒級信號時，空間距離的分辨率會很高，當高踞離分辨率與款頻譜相結合時，會使得雷達具有更精確的目標識別能力，可以獲取復雜目標的細微特征。超寬帶雷達系統所發出的信號具有極強的穿透力，可以從樹葉、地層以及云層等障礙物中穿透，可以對非常隱蔽的目標進行探測與分辨。它的具體應用有：探地雷達、穿墻雷達、安全監視等。

3.3定位

在生活中有很多地方要用到地位，不管是軍用還是民用都需要得到精確的定位信息。具體的來說定位主要用于：跟蹤、搜救、搜尋、尋物等。超寬帶在定位系統中高的應用不管在室內還是在室外都可以提供精確的位置信息，來給予用戶明確的指引。

四、超寬帶技術面臨的挑戰與發展前景

超寬帶技術面臨的挑戰主要有以下幾個方面：一是，現今的市場需要可以在窄帶載波調制的短距離無線系統，能夠提供高速數據速率來傳輸視頻或者準確的位置信息，可以支持位置敏感的應用。因而，這也是超寬帶的新的研究目標。二是，在超寬帶設備支架的相互干擾問題，以及可達到的QoS級方面依然存在著許多問題。三是，超寬帶技術在調制與編碼技術領域也存在著挑戰。最初的超寬帶技術應用在軍事領域時，獲得高容量不是軍事通信的主要目標。但是在商用系統中應用超寬帶技術，用戶容量是最先需要考慮的。而編碼與調制是一種能夠改善系統多用戶容量的最有效辦法，這就需要設計出自適應的調制方法與信道編碼機制來達到提高系統容量的目的。雖然在超寬帶技術中，平均有效全向輻射功率是很低的，但是在短時間內的峰值功率可能會很大。這就要求了要優化傳輸技術，來適應不同的信號傳播環境，可以提供符合需求的高可靠性以及自適應能力。四是，雖然超寬帶系統有很強的抵抗多徑影響的能力，但是系統性能也會受到多徑效應的影響。五是，系統的復雜性，超寬帶血藥用到多個并行檢測器或者高階調制。六是，物理層超寬帶設備的天線設計與實施，有效天線的設計與實施，是超寬帶系統面臨的巨大挑戰。七是，其他無線信號對超寬帶接收機的帶來的帶內干擾。超寬帶設備發射功率譜密度極小，使得超寬帶接收機容易受到噪聲的干擾與影響。八是，需要研究新的半導體技術應用在超寬帶系統中，來結局速度與同步延時以及功率消耗的問題。超寬帶技術面臨的這些挑戰，將會指明超寬帶技術的發展方向，當超寬帶技術將現今面臨的挑戰一一的克服掉，那么超寬帶技術的發展前景將會更加的光明，應用的范圍也將越來越廣，超寬帶技術在無線通信中應用也將更加的完善，為人們的生活提供更加有效的服務。

五、結束語

超寬帶技術作為一種新型技術，在各個領域有著廣泛的應用，隨著人們對短距離高速數據傳輸的需求不斷提高，超寬帶技術也必將會在無線通信中有更進一步的研究與發展。

參 考 文 獻

[1]武林俊，李燕文.超寬帶技術在未來無線通信中的應用[J].現代電子技術，2007，No.25213：8-11.

[2]曾照華.無線超寬帶通信原理及其應用標準[J].電力系統通信，2007，01：15-18+22.

[3]劉芳，潘宇.超寬帶（UWB）無線通信技術應用及其發展[J].白城師范學院學報，2007，No.6506：35-37+48.

[4]苗劍.超寬帶（UWB）無線通信技術[D].西安電子科技大學，2004.