無線通信—UWB

UWB(Ultra-Wide Bandwidth，超寬帶)技術是近年來在國際上新興的一種無線通信技術。一般的通信系統通過發送射頻載波進行信號調制，而UWB通信系統則不同，它沒有采用載波，而是利用持續時間非常短(納秒級)的窄脈沖形式傳輸數據，而且數據傳輸速度可以達到幾百Mbps以上。



2002年2月，UWB技術首次獲得了美國聯邦通信委員會(FCC)的批準用于民用通信，這一舉措有力地促進了UWB的發展。UWB技術在軍事、工業、醫療等領域巨大的應用潛力，使得國際上對于UWB技術及其標準的制訂也越來越重視。



1 UWB技術概括



FCC規定UWB工作頻譜位于3．1～10．6GHz，因此UWB產品要受到其他工作在這個頻段上的設備的干擾，為了降低干擾程度，只好對UWB設備的發射功率進行限制。每一種無線通信技術系統空間容量是每個運營商都關心的問題，所謂空間容量就是單位面積信號覆蓋區域內系統的吞吐量。相比于藍牙技術系統30kbps／m2的空間容量，UWB的空間容量可達IMbps／m2，其優勢是顯而易見的。



UWB技術中最重要和先進的部分是信號的編碼與調制。與其他通信系統一樣，UWB也可以實現對信號的編碼。UWB通常采用的編碼技術是直接序列編碼和跳時編碼。UWB采用的調制方式比較多，有脈沖幅值調制(PAM)、相位調制(BPSK、QPSK等)、通斷鍵控(OOK)、脈沖位置調制(PPM)和正交脈沖調制等，這樣調制技術的選擇余地大。



UWB中還采用了多帶調制技術，多帶調制技術具有很多優點。首先，它可以有效地使用FCC所規定的3．I～10．6GHz整個頻譜；再就是可以獨立對待單個子頻帶，這樣就增加了UWB系統的靈活性。在UWB設備和其他設備共存時，多帶調制技術可以有效地降低UWB設備對其他窄帶設備的干擾。



2 UWB主流技術



UWB技術主要有MB-OFDM和DS-UWB兩種技術標準。在UWB標準化的工作上，就存在這兩大陣營：即多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)和直序列碼分多址(DS-UEB)，這兩大陣營的代表廠商前者有德州儀器、英特爾、三星電子等，后者是美國XtremeSpectrum和飛思卡爾等為主的DS-UWB聯盟。對于用哪種標準目前還沒有確定，下面就這兩種技術進行介紹。



1．MB-OFDM



MB-OEDM是德州儀器、英特爾、三星電子和飛利浦等公司所支持的技術。MB-OFDM是基于多載波的UWB方案，采用OFDM技術傳輸子帶信息。MB-OFDM把頻段分成多個528MHz的子頻帶(第一代是只有3個子頻帶)，每個子頻帶采用TFI-OFDM(時頻-正交頻分復用)復用方式，每個子頻帶上都可以進行數據傳輸。傳統意義上的UWB系統使用的是持續時間不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個子頻帶來實現帶寬的動態分配，從而增加了符號的時間。符號時間長的好處是使得抗符號間干擾能力較強，但是抗符號間干擾性能的提高是通過提高發射機設備的復雜性作為代價的，而且同時還要考慮子信道間干擾的影響。相對而前，MB-OFDM在性能方面具有優勢，其初期數據傳輸速率就高達480Mbps，而且OFDM技術對微弱信號具有很強的能量捕獲能力，因而相對其他技術來講，MB-OFDM的通信距離較長。在表8-2列出了MB-OFDM的主要技術參數。


MB-OFDM技術具有以下的主要特點：



·多頻帶調制方式，易于實現、功耗很低，頻帶的利用率高；



·具有很強的抗多徑和抗干擾的能力；



·更易于對符號間干擾進行抑制；



·TFI-OFDM系統完全避開在U-NII頻段進行數據傳輸，同時信道和子載波分配靈活， 可以與世界各地不同地方的頻譜規則保持一致，有助于在全球范圍內建立相關標準；



·TFI-OFDM系統只需一條發送鏈路和一條接收鏈路，可以方便地進行升級。



2．DS-UWB



DS-UWB最早是由已被美國摩托羅拉公司收購的XtremeSpectrum公司所提出，它是基于脈沖的UWB方案，發射信號占用整個1．7GHz的頻段。為了避免來自U-NIl的干擾，DS-UWB技術把頻譜分為兩個頻段，U-NII頻段的兩側各有一個子頻帶，低頻帶占用3．2～5．1 5GHz的帶寬，高頻段占用5．825～10．6GHz的帶寬。根據所占用的頻段，DS-UWB技術有低頻段、高頻段及雙頻段方式3種操作方式。低頻段方式就是在低頻段上進行數據傳輸，其傳輸速率為28．5～400Mbps；高頻段方式就在高頻帶上進行數據傳輸，其傳輸速率為57～800Mbps；而雙頻段方式則占用高頻段和低頻段，最高的數據傳輸速率可達到1．2Gbps。



DS-UWB在每個超過1GHz的頻帶內用極短時間脈沖傳輸數據，采用24個碼片的DS-SS(直接序列擴頻)實現編碼增益，采用RS碼和卷積碼糾錯方式。DS-UWB技術比較成熟，已開發出第二代芯片。DS-UWB的相關技術指標見表8-2。





DS-UWB技術的主要特點如下。



·是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個傳輸任務可共享整個頻帶的頻率，頻率利用率高；



·對現有的、許可頻帶內的用戶造成的干擾少，能有效抵抗多徑衰落；



·能夠進行高精度定位和跟蹤；



·易于實現低功耗、低速數據流的無線傳輸，也可實現高速率、高QoS的多媒體業務等。



3 UWB的發展趨勢



在UWB標準之爭中，MB-OFDM和DS-UWB各有其技術優勢，由于支持這兩種技術的兩大陣營各不相讓，難以達成一致。雖然UWB標準制訂的延緩會使超寬頻進入市場，但是在學術界、產業界特別是FCC的大力支持下，已有多項UWB方面的專利和多種UWB產品問世，例如，美國風險企 Artimi在2005年發布了具備UWB通信功能的LSI“RTMI-100”，其最大傳輸速度為800Mbps。同時，UWB技術也有許多新的、挑戰性的問題值得去研究，比如UWB設備與傳統窄帶業務之間的兼容性及如何共存問題，隨著國際上對UWB技術的關注和重視，很多知名高科技公司及科研機構和大學都在開展UWB無線通信技術的研究和開發。有理由相信，隨著各國科研人員的進一步努力及合作，UWB技術將會更加完善、更加有效地服務人們生活的各個方面，并在無線通信領域產生巨大的影響。