无线通信—UWB

UWB(Ultra-Wide Bandwidth，超宽带)技术是近年来在国际上新兴的一种无线通信技术。一般的通信系统通过发送射频载波进行信号调制，而UWB通信系统则不同，它没有采用载波，而是利用持续时间非常短(纳秒级)的窄脉冲形式传输数据，而且数据传输速度可以达到几百Mbps以上。



2002年2月，UWB技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC)的批准用于民用通信，这一举措有力地促进了UWB的发展。UWB技术在军事、工业、医疗等领域巨大的应用潜力，使得国际上对于UWB技术及其标准的制订也越来越重视。



1 UWB技术概括



FCC规定UWB工作频谱位于3．1～10．6GHz，因此UWB产品要受到其他工作在这个频段上的设备的干扰，为了降低干扰程度，只好对UWB设备的发射功率进行限制。每一种无线通信技术系统空间容量是每个运营商都关心的问题，所谓空间容量就是单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量。相比于蓝牙技术系统30kbps／m2的空间容量，UWB的空间容量可达IMbps／m2，其优势是显而易见的。



UWB技术中最重要和先进的部分是信号的编码与调制。与其他通信系统一样，UWB也可以实现对信号的编码。UWB通常采用的编码技术是直接序列编码和跳时编码。UWB采用的调制方式比较多，有脉冲幅值调制(PAM)、相位调制(BPSK、QPSK等)、通断键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和正交脉冲调制等，这样调制技术的选择余地大。



UWB中还采用了多带调制技术，多带调制技术具有很多优点。首先，它可以有效地使用FCC所规定的3．I～10．6GHz整个频谱；再就是可以独立对待单个子频带，这样就增加了UWB系统的灵活性。在UWB设备和其他设备共存时，多带调制技术可以有效地降低UWB设备对其他窄带设备的干扰。



2 UWB主流技术



UWB技术主要有MB-OFDM和DS-UWB两种技术标准。在UWB标准化的工作上，就存在这两大阵营：即多频带正交频分复用(MB-OFDM)和直序列码分多址(DS-UEB)，这两大阵营的代表厂商前者有德州仪器、英特尔、三星电子等，后者是美国XtremeSpectrum和飞思卡尔等为主的DS-UWB联盟。对于用哪种标准目前还没有确定，下面就这两种技术进行介绍。



1．MB-OFDM



MB-OEDM是德州仪器、英特尔、三星电子和飞利浦等公司所支持的技术。MB-OFDM是基于多载波的UWB方案，采用OFDM技术传输子带信息。MB-OFDM把频段分成多个528MHz的子频带(第一代是只有3个子频带)，每个子频带采用TFI-OFDM(时频-正交频分复用)复用方式，每个子频带上都可以进行数据传输。传统意义上的UWB系统使用的是持续时间不足1ns的脉冲，而MB-OFDM通过多个子频带来实现带宽的动态分配，从而增加了符号的时间。符号时间长的好处是使得抗符号间干扰能力较强，但是抗符号间干扰性能的提高是通过提高发射机设备的复杂性作为代价的，而且同时还要考虑子信道间干扰的影响。相对而前，MB-OFDM在性能方面具有优势，其初期数据传输速率就高达480Mbps，而且OFDM技术对微弱信号具有很强的能量捕获能力，因而相对其他技术来讲，MB-OFDM的通信距离较长。在表8-2列出了MB-OFDM的主要技术参数。


MB-OFDM技术具有以下的主要特点：



·多频带调制方式，易于实现、功耗很低，频带的利用率高；



·具有很强的抗多径和抗干扰的能力；



·更易于对符号间干扰进行抑制；



·TFI-OFDM系统完全避开在U-NII频段进行数据传输，同时信道和子载波分配灵活， 可以与世界各地不同地方的频谱规则保持一致，有助于在全球范围内建立相关标准；



·TFI-OFDM系统只需一条发送链路和一条接收链路，可以方便地进行升级。



2．DS-UWB



DS-UWB最早是由已被美国摩托罗拉公司收购的XtremeSpectrum公司所提出，它是基于脉冲的UWB方案，发射信号占用整个1．7GHz的频段。为了避免来自U-NIl的干扰，DS-UWB技术把频谱分为两个频段，U-NII频段的两侧各有一个子频带，低频带占用3．2～5．1 5GHz的带宽，高频段占用5．825～10．6GHz的带宽。根据所占用的频段，DS-UWB技术有低频段、高频段及双频段方式3种操作方式。低频段方式就是在低频段上进行数据传输，其传输速率为28．5～400Mbps；高频段方式就在高频带上进行数据传输，其传输速率为57～800Mbps；而双频段方式则占用高频段和低频段，最高的数据传输速率可达到1．2Gbps。



DS-UWB在每个超过1GHz的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用24个码片的DS-SS(直接序列扩频)实现编码增益，采用RS码和卷积码纠错方式。DS-UWB技术比较成熟，已开发出第二代芯片。DS-UWB的相关技术指标见表8-2。





DS-UWB技术的主要特点如下。



·是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，频率利用率高；



·对现有的、许可频带内的用户造成的干扰少，能有效抵抗多径衰落；



·能够进行高精度定位和跟踪；



·易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，也可实现高速率、高QoS的多媒体业务等。



3 UWB的发展趋势



在UWB标准之争中，MB-OFDM和DS-UWB各有其技术优势，由于支持这两种技术的两大阵营各不相让，难以达成一致。虽然UWB标准制订的延缓会使超宽频进入市场，但是在学术界、产业界特别是FCC的大力支持下，已有多项UWB方面的专利和多种UWB产品问世，例如，美国风险企 Artimi在2005年发布了具备UWB通信功能的LSI“RTMI-100”，其最大传输速度为800Mbps。同时，UWB技术也有许多新的、挑战性的问题值得去研究，比如UWB设备与传统窄带业务之间的兼容性及如何共存问题，随着国际上对UWB技术的关注和重视，很多知名高科技公司及科研机构和大学都在开展UWB无线通信技术的研究和开发。有理由相信，随着各国科研人员的进一步努力及合作，UWB技术将会更加完善、更加有效地服务人们生活的各个方面，并在无线通信领域产生巨大的影响。