UWB技术与应用

第26卷第3期山东通信技术VoL 26 No. 32006年9月Shandong Communication TechnologyUWB技术与应用龚江涛尚琴陈金鹰(成都理工大学信息工程学院,成都610059)摘要:本文介绍了UwB的基本概念和系統组成,分析了UWB技术的无载波传输和多脉冲扩频调制方式,通过与蓝牙、 Home RF等其他短距离无线通信技术的比较,突现了UWB在高速率传输、低功率发射、低功耗、大空间容量等多方面的优势,并介紹了UwB技术在近距宽带传输、智能无线局域网等领域藏广阔的应用前景。研究认为,尽管UwWB有比其他短距离无线通信更值得推崇的地方,但目前受两个近乎对立标准的影响,势必妨碍UWB技术的推广。关键词:UWB无线通信无线局域网近距通信引言涉及脉冲和调制两大关键问题。其技术特点在于UwB依赖于脉冲串传递信息,它先将被传信息调制随着短距离数据业务需求的增加,促进了无线个到离散脉冲信号上,然后直接发射宽度很窄的脉冲信域网(WPAN技术的发展。在市场利益的驱动下,美国号。这与传统通信技术所采用的载波调制方式完全不联邦通信委员会(FCC)于2002年2月4日通过了一同,后者先把信号波形搬移到相应的载波信号上再进项认可UwB用于民用用途的最终规定,将31~行发射。因此UWB技术又称为基带( baseband)传输106GHz频段向商业UWB通信开放,使该项原只技术或无载波( carrier-free)传输技术,或冲激无线电在军事中应用和研究,并已有三十多年的历史UwB( (impluse radio)技术。图1所示为超宽带无线通信系技术得以民用。目前,HEE802委员会已将UwB作统基本组成的结构图p。为WPAN的基础技术来研究讨论对UWB技术进行研究的目的旨在开发了具有千兆赫兹和高空间容量的新型无线信道,以解决无线、高速、短距离、低功耗、低成本网络通信问题,尤其放大放大是室内密集多径场合,如WPAN中的应用。从目前的趋势来看,UWB技术的发展有可能取代蓝牙(Blue相关器脉冲PN码基带tooth)、 Home rF的传统地位2001年4月我国发布的“十五”863计划中,已将UWB无线通信关键技术及其共存与兼容技术列为通信技术主体研究项目。调制2UWB技术基本概念数据钟产生超宽带(UWB)是一种以占空比很低(低达接收机05%)的冲激脉冲作为信息载体的无载波通信技术中国煤化工CNMHG且成结构图山东通信技术2006年目前,用于UWB的满足特定频谱要求的脉冲波对远近效应的敏感程度没有DSSS那么高,所以此时形,根据頻谱特性可分成基带脉冲和特殊脉冲两类。应选择 TH-BPM;而在速率高时则优先考虑经典的超宽带系统采用基带脉冲波形,它包含从低频 DS-BPM。在采用最小均方误差准则(MMSE)检测方到GHz频率的连续带宽。常见的如矩形脉冲、高斯脉式的多用户接收机应用情况时,两者差别不大;但在斯单脉冲和瑞利单脉冲等。但矩形脉冲和高斯速率比较高时, TH/DS-BPM的性能则比 TH-PPM系脉冲具有很大的直流分量,只适用于学术研究。工程统好。而利用不同SS序列之间的正交性,通过同时传上要求没有直流分量,因此采用极短的高斯函数的各输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率的阶导数作为发射脉冲,通常每个脉冲持续的时间只有码分复用( Code Divison Multiplexing,CDM)技术也几十皮秒到几纳秒的时间,因此这些脉冲所占用的频被提出在UB中使用。带范围很宽,可以达到几GHz。设ff,f分别为带宽的高端频率、低端频率和3超宽带的特点中心频率,B为相对带宽,BM为绝对带宽,则在B为10db点处应有:UWB的技术优势主要表现为B=>2%或B>50Nz(1)传输速率高在信号调制时,可以采用单个脉冲传递不同的信理论上,一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带息,即单脉冲调制;也可以用多个脉冲传递相同的信宽,所以UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很息,即多脉冲调制。在实际中,为了降低单个脉冲的幅低,也可以实现高达100bp58-500bps的传输速度,提高系统的抗干扰性能超宽带脉冲无线通信系率。在民用上,UWB脉冲宽度一般为纳秒级的。如果统往往用多脉冲调制。一个脉冲代表一个数位,那么理论上UWB可达在多脉冲调制中,传输相同信息的多个脉冲称为1cbps的速率,这样在实际中实现100bps以上的速组脉冲。因此,多脉冲调制的过程可以分成两步第率是完全可能的。步是进行每组脉冲内对单个脉冲的调制,通常采用(2)发射功率低,功耗小脉冲相位调制(PPM)或二相调制(BPM)。PPM称为因为不使用载波,UWB仅在发射窄脉冲时消耗跳时扩谱( Spread Spectrum)(THSS),每组脉冲内部少量能量,从而省略了发射连续载波的大量功耗。这的每一个脉冲具有相同的幅度和极性,但具有不同的使得UWB在通过缩小脉冲宽度的同时提高带宽并时间位置;BPM称为直接序列( Direct Sequence)扩谱且不增加功耗,这就打破了过去任何一项传输技术的( Spread Spectrum)(DSS,其每组脉冲内部的每一功耗和带宽成正比的定律。在短距离应用中,UWB发个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度但具有不射机的发射功率通常低于1mw(这也是FCC为了避同的极性。第二步为每组脉冲作为整体被调制通常免对其它设备造成干扰而对UWB做出的技术指标采用脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PM)或二要求)。虽然现在实际上使用芯片实现后的整体电路相调制(BPM)。在第二步中根据需要传输的信息比能耗在300mw左右,但随着技术的不断成熟和进步特PAM同时改变每组脉冲的幅度,PM同时调节每这项指标随之会下降。组脉冲的时间位置,BPM同时改变每组脉冲的极性(3)多极分辨率高将第一步和第二步组合起来可形成多种调制技由于UWB采用连续时间很短的窄脉冲,它的时术: TH-SS PPM、 DS-SS PPM、 TH-SS PAM、DSSS间、空间分辨力很强,因此系统的多径分辨率很高PAM,TH-SS BPM和 DS-SS BPM。综合考虑可靠性、(1ns脉冲的多径分辨率为30cm)。接收机通过分集可有效性及多址性能等因素,目前典型的组合方式是以获得很强的抗衰落能力,同时在进行测距、定位、跟TH-SS PPM和 TH/DS-BPM。踪时也能达到更高精度。此外,窄脉冲具有很强的穿二者的区别是采用匹配滤波器的单用户检测情透力,这使UWB具有比红外线更广泛的应用,如帮况下, TH/DS-BPM的性能要优于 TH-SS PPM。而对助警察搜寻隔墙的逃犯,以及解救那些被围困在倒塌TH-BPM和 DS-BPM而言,在速率低时,由于THSS建筑中国煤化工CNMHG第3期龚江涛等:UWB技术与应用(4)电磁兼容性好时监视系统)、通信系统和测量系统等。除了在高速数由于UWB的带宽相当于1000个电视频道或3据WPAN中的应用外,UWB还在无线以太网接口、万个FM广播频道,这会对其它电子设备形成强大的智能无线局域网、室外对等网、雷达跟踪、精确定位等干扰。不过FCC规定,UWB的发送功率谱密度必须领域有着广阔的应用前景。低于美国发射噪音规定值-41.3 dbm/MHz,因此从理论上讲相对于其它通信系统,UWB信号所产生的干4l高速数据传输扰仅相当于一个宽带白噪声,影响是比较小的。(5)成本低,适合于便携型使用在UWB的高速数据传输中有两层含义。其一为由于UwB技术使用基带传输,无需进行射频调普通意义上的高速数据传输:即在室内同时激活5制和解调,所以不需要混频器、过滤器、RF/F转换器10台UWB设备,以100~500Mb/s的速率传输1~及本地振荡器等复杂元件,系统结构简化,成本大大10m。其二是极高速数据传输,速率高达几个Gbs,传降低,同时更容易集成到CMOS电路中。这样带来的输距离只有几米。这种极高速数据传输主要用在PC好处是设备的功耗小、灵活性高,适合于便携型无线机之间的连接(用来取代以太电缆)、PC机与液晶显应用。示屏之间的无线数字视频接口,这种速率要求只有(6)系统安全性能好UwB才能实现。由于UwB的发射功率低,信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中,用传统的接收机无法接受和识别,42智能无线局域必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此增强了系统的安全性。除此之外,抗干扰性能这种应用的主要特点是高密度远距离(>30m)。强频谱资源利用率高、系统容量大等特点,都使得可为办公室或家庭提供一个低成本(小于1美元)低WB的应用前景看好。功耗(1~10mW)的智能传输网,并且能够自动跟踪IEEE802Blue ToothHomeREUWB服务对象(例如小孩或者贵重传输速率4Mbps小于IMb(12M可高达50M|物品的跟踪、电话自动应答通信距离10m-100m「小于10m电子向导等),这在目前窄带发射功率1瓦以上毫瓦q-100毫瓦1瓦以上1毫瓦以下短距离网络中是无法实现的。空间容量80 Kbps/m230Kbps/m2kBps/m21000Kbps/m2应用范围无线局域网计算机等家庭和办公室设备互补家庭语音和数据流近距离多媒体43室外对等网笔记本台式电脑,笔记本移动电话,笔记本,无绳电话,无线电视,DVD终端类型掌上电脑和因特网掌上电脑移动设备无线音响,移动设备高速因特网网关这种网络主要是用在室外满足掌上电脑(PDA)的数表1UWB与其它短距离无线通信比较据交换、数字报亭的报刊文摘表1给出了产UWB与其他短距离无线通信的的快速下载、音像制品的租售等,这是UWB应用的个简单的比较。从表中可见除了在通信距离上一个非常巨大的潜在市场。UWB比其他三种短距离无线通信方式受限外,在传输速率、发射功率、空间容量、应用范围方面UWB都44传感、定位、识别占有较大优势。这些应用的主要特点是高密度(例如每层楼上有4UWB的应用前景几百个智能传感器)。主要用在对工厂、仓库、超市中贵重物品的位置信息低速传输[]UwB的独特的技术优势,使其应用领域非常广尽管无线市场对UWB翘首以盼,但UWB的标泛,如成像系统(如地面穿透雷达、医疗成像系统、实准迟中国煤化工e,目前正E的(下转第26页)CNMHG第3期刘耀宇等:一种基于IP的网络新技术 Flash-OFDM望使运营商把升级至3G基站的成本节省90%。了这一点,正在积极寻找合作伙伴,并已经与西门子签订了合作协议,共同研发产品。如果 Flash-OFDM4结论和展望能够像当年的CDMA那样寻找到一个可以大规模应用的市场,那么这项技术将独立地发展下去,否则最3G是以话音为主的蜂窝网,它虽然比2G2.5G终只能与其它技术融合,成为下一代移动通信技术的等的传输速率快很多,但仍无法满足未来多媒体通信部分。的要求,并且其投人成本高。现在 Flarion提出的Flash-OFDM无线技术的主要优势是可以把大量数据参考文献塞入比较小的带宽里面解决3G的不足。和现有的1 M.Scott Corson, Rajiv Laroia,, Alan O'Neill, Vincent Park,以OFDM为基础的系统(例如DSL)不同and George Tsirsis, A New Paradigm for IP-Based CellularFlash-OFDM不仅仅是一种物理层的解决方案,它更Networks, IEEE Computer Society November/December3,N6)p.20-29是一种采用了OFDM独特的物理特性的系统级技2 Flarion Technologies, Inc. FLASH-OFDM Technology术,使得在蜂窝网络中能增强更高层的性能优势,获September2,2004,http://www.flarion.com/viewpoint得非常有效的数据包传送,以及很低的信号延迟。它3 Kevin Brown, Corey Soliman, What is4G? a description of以P透明方式使网络无缝延展到广阔的移动环境leading technologies with an overview of Flash OFDM中,能够解决3G出现的问题、面对现在移动通信April29,2004,http://www.personal.psu展要求的挑战,因此这种技术在未来将是非常有前途edu/users/k/r/krb187/4G. htm的。Fah-OFDM的缺点就在于缺乏产业链条的支4张磊,因特网移动宽带接入解决方案,技术前沿,200412撑,这会使其陷入孤军奋战的境地。 Flarion也意识到5李8020标准步履维艰hmn另辟径,技术前沿,20054+“+““-““““中+(上接第22页)个工作组在制定UWB标准时,受出,UWB要进入市场,还有待标准的完成、进一步的WiMedia联盟(包括 Alereon、微软、英特尔、惠普、诺技术研究、相应芯片的研制以及资金的投入。基亚、索尼等厂商)支持的技术标准与受UWB论坛(论坛包括 Freescale、摩托罗拉等厂商)支持的技术标参考文献准间的相互对立,这可能导致建立 UWB IEEE标准1张土兵超宽带无线技术的应用前景及其挑战[J的努力停止,并使用户在二种互不兼容的技术中艰难南通大学学报(自然科学版),2005年3月第4卷第1期的选择相应的芯片2庞海生朱诗兵超宽带及其关键技术[J]电信技术2005年第4期3谈敏超,田振丽,傅海阳超宽带一下一代的无线技术[J5结束语信息安全与通信保密,200544多种协议角逐短距离无线技术市场[ Eb/Ol].htTp/ww将UWB技术转为民用还是一项新技术,随着该zdnet. com. cn/techupdate/implement/wireless/wireless/story/技术日益完善,它在无线通信方面的独特优势,将促0380007259239360246,00htm进该技术的商业化进程。加上 Blue Tooth和 HomeRF5UWB标准工作陷人僵局 Wintel技术获市场青瞩的淡出市场,UWB在近距多媒体设备和个人网络领域,特别是信息家电方面将有很大的市场潜力。需指112l/1794/2005518-20014lhml中国煤化工CNMHG