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超宽带无线技术及其发展新方向
2006年8月16日 10:55  来源:数字通信世界  
  本文主要介绍了超宽带技术的基本特点,以及超宽带技术的应用场景并分析了超宽带技术的管制和标准化现状,超宽带技术存在的挑战,最后介绍了超宽带技术的发展动态。

  一、引言

  当设计未来的短距离无线通信系统时,我们要考虑通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人,任何时间,任何地点”的连接性。这要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合,包括WANs,LANs,WPANs以及Ad Hoc和家用局域网,可以连接各种不同的设备,包括计算机和各种娱乐设备。要实现这个目标,就需要新的无线技术。

  UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的,早期主要用于雷达技术领域;1972年UWB脉冲检测器申请了美国专利;1978年出现了最初的UWB通信系统;1984年UWB系统成功地进行了10公里的试验;1990年美国国防部高级计划局(DARPA)开始对UWB技术进行验证。2002年2月,FCC批准了UWB技术用于民用。

  UWB技术发展慢的原因主要有:在1994年以前主要限于军方使用,限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件;由于UWB使用许多专用频段,FCC对UWB技术的批准进展缓慢;UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐;而且,由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术,包括PAN,WLAN(802.11a,802.11b,802.11g)和无线WAN(如GPRS,1XRTT),因此,许多公司会抵制该技术的商用。

  二、UWB频谱效率

  在短距离通信中,UWB-RT为现在的频谱管理和无线系统工程中的多数问题提供了答案。在UWB-RT中,新的方法是共享现有的频谱,而不是寻求新的频段。这个观点得到US管制局的批准。欧洲和亚洲也开始了这方面的工作,尤其是日本和新加坡。UWB-RT将对多媒体家用网络和娱乐市场产生很大的冲击力,它允许实施智能网络和设备,可以实现以用户为中心的无线通信世界。

  FCC的最初报告和工业界对UWB设备的定义是:一种发射信号的相对带宽大于0.2,或者传输时带宽至少为500MHz的设备。相对带宽定义为2(fH-fL)/(fH+fL),其中fH和fL分别为-10dB时的上界频率和下界频率。在物理层,UWB通信扩展少量的EIRP,根据FCC的定义,低于0.56mW与其中心频率相比,穿过很宽的频带。这可以从其功率谱密度中计算出,在3.01~10.6GHz,为75nW/MHz。UWB的这个定义不仅有高的时间分辨率,也有比窄带系统低的衰落边际。

  UWB设备可以分为很多类,如图像系统,车载雷达系统,通信,测量系统等。它们都需要很高的频谱效率,通过采用适当的技术标准,UWB可以使用现有的无线设备使用的频谱,而不会引起干扰,从而可以更好地利用频谱。在WBAN/WPAN网络的节点之间,应用Ad Hoc 的概念,如使用多跳路由,UWB设备可以降低发射功率和覆盖范围,这使得在同样的区域内,可以有大量的设备运行,极大地增加了频谱利用率和容量。由于一个系统的最大传输范围与速率成反比,要在任何时候,任何地点进行覆盖,成本会随着数据速率增加。因此,短距离无线系统覆盖的区域很小,基于UWB-RT的技术,将会是未来高空间容量网络的一个选择。

  三、UWB的优点

  与其他无线通信技术相比,UWB具有许多优点。表1将UWB技术与其他无线局域网技术进行了比较。UWB技术的特点有:传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。UWB通过改变脉冲的幅度、间距或者持续时间来传递信息。与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比,UWB不需要产生正弦载波信号,可以直接发射冲激脉冲序列,因而具有很宽的频谱和很低的平均功率,有利于与其他系统共存,提高频谱利用率。

  UWB不需要正弦波调制和上、下变频,也不需要本地振荡器、功放和混频器等,因此体积小,系统的结构比较简单。UWB信号的处理也比较简单,只需使用很少的射频或微波器件,射频设计简单,系统的频率自适应能力强。可以将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上,再加上时间基和控制器,就可以构成一部UWB通信设备。因此,它的成本可以大大降低。

  由于UWB信号采用了跳时扩频,其射频带宽可以达到1GHz以上,它的发射功率谱密度很低,信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中,用传统的接收机无法接收和识别,必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此增加了系统的安全性。

  UWB信号的衰落比较低,有很强的抗多径衰落的能力。UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量,由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低,系统有很高的增益和很强的多径分辨力,所以系统容量比其他的无线技术都高。

  由于UWB信号的扩频处理增益比较大,即使采用低增益的全向天线,也可使用小于1mW的发射功率实现几公里的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间,非常适合移动通信设备的应用。有研究表明,使用超宽带的手机待机时间可以达6个月,而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。

  四、UWB-RT的应用

  随着UWB-RT商业化的开始用,这项技术为支持高速应用和低速智能设备的短距离无线通信系统的部署提供了可能性。FCC定义的UWB天线系统,使用简单的调制和编码机制,在短距离内可达到的信息速率大于100Mb/s。UWB在信息速率和覆盖范围之间可以做一个折衷。

  大量的应用场景适合使用UWB,主要包括:高速无线个人网(HDR-WPAN);无线以太网接口链路(WEIL);智能天线区域网(IWAN);室外点对点网络(OPPN);传感器,定位和识别网络(SPIN)。

  前三种情况假定UWB设备网络部署在居民区或者办公区,主要传送用于娱乐的无线视频/音频和控制信号。第四种情况提供室外点对点连接,而第五种考虑工业和商业环境。

  1. 高速无线个人网(HDR-WPAN)

  HDR-WPAN定义为:每个房间的活动设备为5~10,在1~10m范围内,数据速率为100~500Mb/s,主要基于点对点拓扑。使用现有的有线或者无线标准,通过中继与外部相连。

  2.无线以太网接口链路(WEIL)

  可以将HDR的概念扩展到更高的数据速率,如1Gb/s,2.5Gb/s。WEIL应该满足以下需求:从PC厂商方面,需要以太网线的替代品;从消费者角度看,在PC和LCD屏之间要求高质量的无线视频传输能力,可以传无线数字视频。

  3.智能天线区域网(IWAN)

  IWAN的特征是:在室内或者办公室等有高密度设备的地方,覆盖范围为30m。设备的要求是:低成本,低功率消耗,如1~10mw,给用户提供家庭/办公室的智能分布网。设备的功能有:准确定位,跟踪,支持环境敏感的设备,在当前的窄带短距离网络中不太容易实现。这种情况,无线最后一英里或者到外部的可用连接可以用来发送报警、控制信号,或者远程检查家庭周围传感器的状态。

  4.室外点对点网络(OPPN)

  UWB设备部署在室外,主要适用于PDA上行和信息交换,新闻文本,图片和视频的下载。采用何种标准将决定OPPN结构使用集中式还是分布式的,这是一个需要进一步研究的课题。

  欧洲即将采用的UWB标准将严格限制支持室外的UWB设备的部署。然而,这种情况可能会改变,因为UWB管制的使用也将不断进步,如同过去其他无线业务所经历的一样。

  5.传感器,定位和识别网(SPIN)

  SPIN系统的特征是:设备密度高,每层几百个,主要在工厂或者仓库,发送带有定位信息的低速数据包。SPIN设备使用范围较大,如果为主从拓扑,在单独设备和主站之间可达100m。在工业应用中,SPIN需要高级链路可靠性和自适应的系统特征,以对动态改变的接口和传播环境作出反应。UWB将起到的一个重要作用是:根据用户需求提供有效的业务。场景机制的划分和各种网络的发展,包括上面分析的各种情况,是远远不能满足用户的期望的。一个宏伟的目标是,在不同场景下,实现各种网络的无缝共存和互操作性。因此,设计有效的连接,自动漫游机制和数据链路的自适应,是将来一个重要的研究课题。

  五、技术挑战

  基于窄带载波调制的短距离无线系统,不能提供高速数据速率来传输视频或者准确的移动终端位置信息,不能支持位置敏感的应用。今天的市场很需要有这种能力的系统。这也是UWB的一个研究目标。可以网络总的数据速率和其他相关参数来标识UWB设备的系统性能和频谱效率。在UWB设备之间的相互干扰和可达到的QoS级方面,仍然有很多未解决的问题。考虑位置敏感的应用,有必要决定一个给定的应用所需的准确性,这个质量级在可变信道和网络负载条件下能否维持。

  在调制和编码技术领域也存在挑战。最初,UWB-RT用于军事通信,获得高容量不是一个主要目标。然而,在商用系统中,有很大的用户容量是很重要的。编码和调制是能够改善系统多用户容量的最有效方法之一,应该设计自适应的调制方法和信道编码机制。尽管在UWB中,平均EIRP是很低的,短时间内的峰值功率可能很大,因此,要求能够优化传输技术(如自适应功率控制)。为适应不同的信号传播环境,各种高级技术,如UWB-MIMO,能够提供所需的高可靠性和自适应能力。与窄带系统不同,UWB系统受到更少的信号衰落,因为很窄的脉冲在不同路径上传播,引起大量独立衰落的信号成分,可以加以区分,由于高时间分辨率,导致很大的多径分集。UWB-MIMO系统也可抗时域ISI和ICI,因为接收信号有很好的自相关和互相关特性,能简单适应脉冲重复频率到主要的信道时延扩展。

  此外,尽管UWB系统有内在的强健性抵抗多径,但也不是完全不受影响。极端信号传播情况会引起室内环境中大量的多径,导致传播时延持续10毫秒至几百毫秒。这引起的ISI限制了系统的最大数据速率,除非有一种有效的方法可以用来减轻这些影响。在快速脉冲调制技术(如PPM),实现有效均衡的成本很高,这个问题在使用低脉冲重复频率系统中较轻。系统复杂性是另外一个挑战,UWB需要多个并行检测器或者高阶调制。

  另外一个挑战来自于物理层UWB设备的天线设计和实施。一般来说,便携式通信设备要求很小和不易受损的天线,可以集成到设备中,能够在不同的环境下有效工作。有效天线的设计和实施,是UWB系统设计中的一个巨大挑战。

  另外一个问题是,来自于其他无线信号对UWB接收机的带内干扰的影响。近处干扰问题引起了学术界的极大兴趣,UWB设备发射功率谱密度很小,UWB接收机中容易受到噪声影响和干扰。当一个区域有大量集中的UWB设备同时工作时,也有相同的问题,还有多径传播的不利影响和设备间干扰现象,以及要考虑在接收机和网络层如何发起和维持同步。

  最后,除了非线性模电设计技术外,还需进一步研发在UWB系统使用新的,先进的半导体技术,如MEMS,SOI等。这些技术可以提供有效的方案解决速度和同步时延,功率消耗等问题,它们的成功研发对UWB-RT的未来开发和应用是至关重要的。

  六、UWB研究现状

  现在有许多公司在进行UWB技术的研究开发工作。美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组,它采用双相调制技术和IEEE 802.15.3 MAC协议,传输速率达到100Mb/s。

  Intel在2000年成立了UWB研究实验室,其实验室产品在2~3年内能达到100Mb/s的数据速率。Intel认为UWB在短距离内可以达到400~500Mb/s,因此Intel称UWB为无线USB。Time Domain公司利用UWB PPM技术,开发了两代PulsON芯片,第三代PulsON商用产品也即将问世。

  2003年1月,Philips和GA签订了一个备忘录,利用Philips在BiCOMS的优势和GA的UWB技术联合开发速率达480Mb/s的UWB芯片组,并支持IEEE 802.15.3a标准。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了传输速率达400Mb/s的UWB芯片组。

  新加坡的Cellonics公司开发了基于非线性动态理论的新技术,它只需要使用一个电感器和一个二极管就可以实现数字调制解调器,不需要混频器、振荡器和锁相环。该技术可以改善UWB接收器设计中的相关接收,而且简单、成本低,功耗也低。

  美国Discrete Time公司开发了多频段UWB技术,它采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲。与单频段UWB相比,多频段UWB系统的每频段内可以用较低的速率发送信息,这降低了UWB的成本,具有较好的自适应性,可以与802.11a共存。

  Intel、Cisco、Sony等公司都准备进入UWB无线数据通信市场,无线家用网络将会是UWB的主流市场。对短距离高速WPAN,UWB-RT有希望成为一项可行和有竞争力的无线技术,有能力支持以用户为中心的个人无线通信世界。UWB-RT的新特点,可能成为短距离无线设备和应用的基础,在未来的泛网中,对用户而言,从一个网络过渡到另一个网络是透明的。尽管在技术,经济和管制方面的挑战,各种研究和开发的努力与全球管制框架结合,会进一步增加UWB-RT成为新的智能短距离联网应用和业务的首选技术的机会。
 
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