1、引言
未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)是廣域網(wǎng)(WAN)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)、移動(dòng)自組織網(wǎng)(Ad hoc)和家庭網(wǎng)等的有機(jī)結(jié)合。其中短距離無(wú)線通信的地位日益重要,它正如一種數(shù)字化的神經(jīng)末梢,將各種終端設(shè)備連接在一起,和骨干網(wǎng)絡(luò)共同形成一個(gè)無(wú)縫的連接。在現(xiàn)有的幾種短距離寬帶無(wú)線接入技術(shù)中,一種與其他無(wú)線技術(shù)共享頻帶的超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)無(wú)線通信技術(shù)帶來(lái)了全新的通信方式和頻譜管理模式,成為目前最受關(guān)注的短距離高速度無(wú)線通信技術(shù)。
UWB是指系統(tǒng)帶寬(10dB帶寬)與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或者系統(tǒng)帶寬大于500 MHz的通信系統(tǒng)。這種新穎的無(wú)線技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)有著本質(zhì)的不同。它不是去尋找可能存在的新頻譜資源,而是利用頻譜重疊技術(shù)去充分分享目前正在使用的頻譜資源。
UWB技術(shù)在雷達(dá)和軍事中的應(yīng)用研究已有數(shù)十年的歷史,但在商業(yè)通信中的應(yīng)用研究則剛剛開始。2002年2月14日,F(xiàn)CC批準(zhǔn)了把3.1~10.6GHz之間的頻帶免授權(quán)分配給民用UWB使用的法規(guī),從而拉開了企業(yè)界和研發(fā)機(jī)構(gòu)競(jìng)相研發(fā)UWB的序幕。
UWB技術(shù)傳輸速率高,功耗低,且信號(hào)具有較強(qiáng)的穿透性,但傳輸距離較近,在進(jìn)行高速無(wú)線通信(速率在100Mbit/s以上)時(shí),一般有效距離在10m左右。正是憑借短距離范圍內(nèi)的高傳輸速率這一巨大優(yōu)勢(shì),UWB在進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)其應(yīng)用就被定位在了無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)。
2、UWB技術(shù)特點(diǎn)
2.1 系統(tǒng)容量大,傳輸速率高
由香農(nóng)公式C=Blb(1+S/N),帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來(lái)的效應(yīng),這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。借助于極寬的工作頻段,UWB具有極高的數(shù)據(jù)傳輸能力,若以每平方米比特率(bit/s/m?)度量,IEEE 802.11a為83kbit/s/m?,IEEE 802.11b為1k bit/s/m?,藍(lán)牙為30kbit/s/m?,而UWB可達(dá)1 Mbit/s/m?。
2.2 成本小,功耗低
UWB不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻,也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等,因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,成本可以大大降低。另外,UWB發(fā)射功率嚴(yán)格小于0.56mW,功耗只有50~70μW,這相當(dāng)于蜂窩手機(jī)的千分之一,不會(huì)影響人體的健康,并且可以大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。
2.3 多徑分辨能力強(qiáng),抗多徑衰落
UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,不同路徑的分辨率可降到納秒量級(jí),因此對(duì)信道多徑衰落不敏感,特別適合使用在室內(nèi)等多徑密集的場(chǎng)合。UWB非常窄的波形使得它有可能從信道的多個(gè)反射中被獨(dú)立地分辨出來(lái),從而使得多徑衰落大大減小。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)常規(guī)無(wú)線信號(hào)多徑衰落深達(dá)10~30dB的多徑環(huán)境,對(duì)UWB信號(hào)的衰落不超過(guò)5dB,具有優(yōu)良的抗多徑衰落性能。
2.4 干擾小,保密性好
UWB抗多徑衰落固有的魯棒性,使得它的發(fā)射功率可以很低。根據(jù)FCC的規(guī)定,在UWB帶寬內(nèi),UWB信號(hào)的發(fā)射功率要小于0.56mW,也就是說(shuō)功率密度小于75nW/MHz(-41.3dBm/MHz)。這樣,一方面UWB功率低,不會(huì)干擾其他通信系統(tǒng);另一方面,它的信號(hào)頻譜如同噪聲,具有很好的隱蔽性,不容易被截獲,保密性好。
2.5 抗干擾能力強(qiáng)
UWB擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB的占空比一般為0.01~0.001,具有比其他擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō),UWB抗干擾處理增益在50dB以上。
3、超寬帶技術(shù)在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用
盡管UWB在WPAN中的應(yīng)用還處于起步階段,但全球各大通信和電器生產(chǎn)廠商已經(jīng)開始推出各自的基于UWB的WPAN設(shè)備來(lái)?yè)屨歼@一前景無(wú)限廣闊的市場(chǎng)。目前的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
3.1 構(gòu)建家庭無(wú)線個(gè)域網(wǎng)
在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中,各種數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要,在小范圍內(nèi)組成自組織(Ad hoc)式的網(wǎng)絡(luò),相互傳送多媒體數(shù)據(jù),并可以通過(guò)寬帶網(wǎng)關(guān),接入因特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設(shè)備是指需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設(shè)備,比如數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、MP3播放器、DVD播放器、數(shù)字電視、臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機(jī)、各種智能家電、機(jī)頂盒等。UWB技術(shù)與現(xiàn)有的其他無(wú)線通信技術(shù)相比,數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。在目前的無(wú)線通信技術(shù)中,只有UWB技術(shù)可以滿足構(gòu)建無(wú)線多媒體家域網(wǎng)的要求。
3.2 建立高速無(wú)線辦公信息網(wǎng)
現(xiàn)階段,計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間,計(jì)算機(jī)和液晶顯示屏、打印機(jī)、掃描儀等外設(shè)之間主要通過(guò)通用以太電纜或串行總線接口技術(shù)進(jìn)行有線連接。隨著消費(fèi)者對(duì)設(shè)備移動(dòng)性能要求的逐步提高,用無(wú)線連接取代有線連接、建立信息化辦公領(lǐng)域的WPAN的要求越來(lái)越迫切;谒{(lán)牙技術(shù)的WPAN能在一定程度上解決計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的無(wú)線互連問(wèn)題,但由于其在傳輸速率和設(shè)備兼容性等方面的局限,無(wú)法得到更為廣泛的應(yīng)用;赨WB的高速WPAN使得這一問(wèn)題迎刃而解。在1~10m的距離之內(nèi),UWB的速率可高達(dá)每秒幾百兆乃至幾吉比特,完全可以滿足構(gòu)建高速無(wú)線辦公信息網(wǎng)的要求。
當(dāng)然以上的舉例還不夠完全,UWB還在醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域有著諸多的應(yīng)用。它的最終目標(biāo)是與其他異類網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫共存、協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地(everybody and everything at any place and any time)的通信。
4、展望
超寬帶技術(shù)已給無(wú)線通信領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的創(chuàng)新局面,但它的技術(shù)應(yīng)用仍具有很大的潛力;诔瑢拵Ъ夹g(shù)的無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)在多媒體設(shè)備互連、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面極大地提高了系統(tǒng)性能,這意味著UWB WPAN未來(lái)將會(huì)在無(wú)線通信領(lǐng)域大有作為。在無(wú)線局域網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的輔助和WPAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不斷完善下,UWB WPAN必將真正實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)設(shè)備間的通信交互和多媒體信息數(shù)據(jù)交換。
作者:高暉 孫即濤 來(lái)源:泰爾網(wǎng)