超寬帶無線通信技術發展趨勢探討

李燦

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230038）

超寬帶無線通信技術發展趨勢探討

李燦

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230038）

作為全新的一種通信技術，近年來，超寬帶無線通信技術得到了廣泛研究。它有效地解決了傳統短距無線通信技術中存在的系統復雜、信道衰落、功耗大等諸多問題。本文在簡單介紹無線通信的概念的基礎上，分析了超寬帶無線通信技術自身的特點，同時分析研究了幾種不同的超寬帶無線通信的具體實現方案和各自的特征與不足。

無線通信；無載波脈沖；超寬帶

1 超寬帶無線通信技術簡介

上世紀八十年代末期，超寬帶這一技術被美國國防部(DaRPa)首次提出：一個信號處于20dB處的分數帶寬大于25%或是絕對帶寬大于1.5GHz時，則稱該信號為超寬帶信號。采用超寬帶信號來實現信息的傳輸就叫做超寬帶無線通信(UWB)。根據2002年美國將超寬帶技術應用于民用的定位，指出超寬帶技術是信號絕對帶寬大于等于500 MHz，或者是相對帶寬大于等于0.2，同時在3.1 GHz～10.6 GHz的頻段范圍內進行通信。

UWB實現了無線局域網和個人局域網接口卡的無縫接入，并保證了技術應用過程中的低功耗、高帶寬、結構簡單的特征。具體來說，UWB技術具備了以下諸多優點：

1.1 傳輸速率高

UWB系統采用了千兆赫茲為計量單位的超寬頻帶,即便是發送信號功率譜密度很低，同樣能夠保證信息傳輸速率達到100Mb/s～500 Mb/s。根據信道容量的計算公式,若帶寬為7GHz,即便信噪比在-10dB以下，計算得到的理論信道容量也在1Gb/s,因而，考慮到信號在傳輸中的損失，要實現100Mb/s以上的傳輸速率也是可以的。

1.2 通信距離短

高頻信號的強度會隨著傳播距離的延遲而出現快速衰減，所以在短距離數據通信中，采用超寬頻帶系統更為合理。分析研究指出，當收發機距離在12m以上時，UWB的信道容量較窄帶系統要低得多。

1.3 平均發射功率低

UWB發射機在短距離通信傳輸中通過犧牲帶寬來保證發射功率低于1mW。FCC對UWB的發送功率譜密度進行了嚴格規定，必須小于放射噪音值-41.3 dBm/MHz，所以，從理論上講，UWB信號所帶來的干擾相當于一寬帶白噪聲。這樣帶來了幾點優勢：實現了UWB系統與窄帶通信系統在同一頻段的共存，有限提高了無線資源的有效利用；提高了UWB信號傳輸的穩定性和隱蔽性。

1.4 多徑分辨率極高

UWB采用的是持續時間短的窄脈沖，在時空三維空間的分辨率都非常強，因而，系統具有極高的多徑分辨率，通過接收機的分集分離具備超強抗衰落能力，保證了系統在定位、跟蹤方面的高精確度。并且，窄脈沖的超強穿透力也使得UWB系統具有更為廣泛的利用價值。

1.5 適合于便攜型應用

過往的UWB技術大部分是基于基帶實現數據通信的傳輸，因而不需要射頻調制以及解調，這樣降低了設備的成本、提高了性價比，且功耗低，易于攜帶。

2 超寬帶無線通信相關技術的探討

目前超寬帶無線通信實現無線通信的方案包括以下幾種：基于MB-OFDM的超寬帶無線通信系統、單載波DS-CDMa方案、無載波脈沖方案。無載波脈沖方案可采用脈沖位置、脈沖幅度、二進制移相鍵控調整等多種調制方式，這樣精簡了無線通信技術的結構，降低了成本，但是同樣也降低了頻譜的利用率。多子帶載波調制方案提高了頻譜的利用率和使用空間，提高了系統的應用性能。

2.1 無載波脈沖技術在超寬帶無線通信系統的應用

無載波脈沖超寬帶通信技術中核心技術是脈沖。當前更多的是采用光電和電子方法來形成脈沖，并由專用寬帶天線將形成的脈沖以數百兆赫的速度發生，使脈沖信號在時空上隨機分布，在時頻域上形成多個噪聲編碼信道，對應的位移類似噪聲信號。從根本上講，超寬頻技術發展的根本條件是產極窄脈沖“納秒級”的信號源。單個無載波窄脈沖信號本身具有兩方面的優勢：激勵信號是一種單個窄脈沖，波形分布為陡峭前沿形式；激勵信號的頻譜非常寬闊。單脈沖能夠利用諸如高斯波形、升余弦等不同類型的波形。采用無載波脈沖超寬帶進行數據通信中，位于收發端的數據天線對接收到的信號具有一次微分效應，即系統的輸出信號與輸入信號是導數關系。

作為當前應用最多的超寬帶通信方式，無載波脈沖方案由發射機生成相應的基帶窄脈沖序列，傳統的信息信號需通過PPM、BPSK、PaM等多種調制手段來攜帶信號。而基帶窄脈沖序列不需要進行調制，信號可直接對空發送，如圖1所示，為采用無載波脈沖位置對調制超寬帶無線通信系統。

圖1 UWB發射機功能圖

2.2 單載波DS-CDMa方案

在單載波DS-CDMa系統中，由DS-CDMa進行傳輸通道的擴頻，由單載波對傳輸信號進行調制，保證了信號在適當的頻帶范圍內進行準確傳輸，當前，FCC規定超寬帶通信頻譜范圍保持在3.1GHz-10.6GHz。傳統的無載波脈沖中有部分低頻分量，因而很難達到FCC的標準；而采用單載波DS-CDMa方案則實現了頻譜的搬移，有效地解決了這一問題。

2.3 基于MB-OFDM技術的超寬帶無線通信系統

MB-OFDM系統中將整段使用的頻段劃分為長度不等的多個子頻帶，各子頻保持在500MHz帶寬，每個劃分的子頻帶攜帶著一個OFDM信號，這個OFDM信號由不同數量的子載波信號通過正交關系合成。相較于傳統的OFDM方法，采用OFDM的合成信號在符號長度、循環前綴張度等一些數據參數上存在較大的不同。系統中的OFDM合成信號隨著時間的不同而對不同中心頻率載波進行調制，確保信號能夠在不同的子頻帶內進行傳播。OFDM充分利用了頻譜特性，當系統中存在較大子載波數時，各子載波通過信號疊加獲得一個具有矩形特性的總信號，因而實現了頻譜資源的利用。

圖2 MB-OFDM方案頻譜與子帶分配

MB-OFDM方案在利用頻譜過程中還具備了很強的靈活性。各級通信設備間存在的干擾情況，通過降低子頻帶的發射功率和減少子頻帶的發射數量來降低干擾，改善網絡的性能，并能夠對子載波進行抑制，從而提高對OFDM信號控制的精確度。

多帶方式還實現了有效選擇MaC的頻分多址(FDMa)。不同微網或通信設備利用不同的子頻帶集合，或采用不同各自的時頻序列來當作地址碼，實現了各自的獨特性。同樣，可以融合FDMa、TDMa、CDMa等不同方式，對多址方案進行靈活的設計選擇。

3 超寬帶無線通信的發展趨勢

超寬帶無線通信在具備多方優勢的同時，同樣也存在著諸多不足，如寬帶占用大，導致對其他無線通信系統造成強烈干擾，因而，眾多學者一直對超寬帶無線通信的頻率使用有著很大的爭議；另一方面，超頻帶在信號發射中具有較低的平均功率，脈沖時間也很短暫，這樣它的瞬時功率峰值就會非常大，這在一些行業使用上會有影響。

然而，這并不會對超寬帶無線通信的發展和運用造成影響。當前，無線多媒體、無線技術方面大量運用無線通信技術，根據客戶的需求，自組小范圍自有網絡，傳輸數據，并可將數據傳輸到網絡中。同時，超寬帶無線通信被廣泛應用于無線通信和定位系統、智能交通系統等，為交通智能收費、汽車行駛安全提供了低成本高性能的解決方案。利用具備無載波脈沖方式的超寬帶無線通信系統穿透力強的特點，將其應用于軍事、勘探等多個領域中，取得了非常好的效果。

超寬帶無線通信作為當前一種新興的無線通信技術，盡管還有許多的不成熟，但其應用前景還是十分明朗的。隨著智能化電子設備發展加快，對短距離的數據實現快速傳輸愈發迫切。當前的超寬帶無線在頻率管制、標準化等方面雖與無線技術相互競爭，但隨著無線多媒體發展，其在消費電子、通信等領域會有大規模應用。

4 結語

超寬帶無線通信技術是當前電子通信領域發展的重點。本文對超寬帶無線通信的發展進行了簡介，針對其技術上的功能和特征進行了具體分析，并以此為基礎，探討了超寬帶無線通信技術的發展趨勢，針對MB-OFDM的超寬帶無線通信系統、單載波DS-CDMa方案、無載波脈沖方案進行了特點分析和應用前景探討，以期讓超寬帶無線通信技術獲得更好的發展應用。

[1]張在琛，畢光國．超寬帶無線通信技術及其應用[J]．移動通信，2004，(1-2)：110-114．

[2]崔小雯．超寬帶無線通信技術在智能家居系統中的應用．遼東學院計算中心，2010．

[3]IT專家網．淺論：無線通信技術現狀[EB/OL]．2010．

[4]John G．Proakis．數字通信[M]．第三版．北京：電子工業出版社，1998．

[5]張賢達，保錚．通信信號處理[M]．國防工業出版社，2000．

Discussion on the Development Trend of UWB Wireless Communication Technology

Li Can
(anhui Telecommunication Planning and Designing co.,LTD,Hefei 230038,anhui)

as a new communication technology,Ultra wideband wireless communication technology has been widely studied in recent years.It effectively solves the problems of complex systems,channel fading and big power consumption in traditional shortrange wireless communication technology.Based on the concept of wireless communication,this paper analyzes the characteristics of the ultra wideband wireless communication technology.It also analyzes the implementation of several different ultra wideband wireless communication and their respective characteristics and shortcomings.

wireless communication;carrier-free pulse;ultra wideband

TP393

a

1008-6609(2016)03-0056-03

李燦，男，安徽碭山人，學士，工程師，研究方向：移動通信。