數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)

引言

UWB（Ultra-WideBandwidth，超寬帶）脈沖無線電技術(shù)是近年來在國際上新興的一種無線通信技術(shù)。一般的通信系統(tǒng)通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，而UWB通信系統(tǒng)則不同，它不采用載波，而是利用納秒級(jí)的窄脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)。美國市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)ABI在其最近的一個(gè)報(bào)告中指出，未來幾年，超寬帶無線技術(shù)可能在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大其市場(chǎng)份額，特別是家庭和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的無線視頻、音頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

超寬帶技術(shù)

UWB技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代時(shí)域電磁學(xué)的研究中，用于通過沖激響應(yīng)完整地描述某一類微波網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)特性。1972年，一種高靈敏的短脈沖接收設(shè)備研制成功，進(jìn)一步加速了UWB技術(shù)的研究進(jìn)展。直到1989年，超寬帶（UWB）這一術(shù)語才為美國國防部（DARPA）啟用。在此之前，這項(xiàng)技術(shù)常被稱為基帶無載波（basebandcarrier-free）調(diào)制或沖激（impulse）無線電技術(shù)。2002年2月14日，這項(xiàng)無線技術(shù)首次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的批準(zhǔn)用于民用通信，這一舉措有力的推動(dòng)了UWB的發(fā)展。

超寬帶（UWB）的定義

超寬帶的定義隨著超寬帶的發(fā)展幾經(jīng)變化。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）頒布了最新的UWB頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個(gè)信號(hào)在-10dB處的絕對(duì)帶寬大于0.5GHz或部分帶寬（fractionalbandwidth）大于20%，并且滿足FCC功率譜密度限制要求的信號(hào)，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)。這是目前學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均較為認(rèn)可的定義。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權(quán)的頻段3.1～10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。部分帶寬定義為：

其中fH和fL分別為發(fā)射天線輸出-10dB輻射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上下頻點(diǎn)。

從載波方面看，傳統(tǒng)的通信技術(shù)是把信號(hào)從基帶調(diào)制到載波上，而UWB技術(shù)是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，從而具有吉赫茲量級(jí)的帶寬。由計(jì)算信道容量的Shannon公式（見下式）可知，信道的容量隨帶寬線性增加，隨信噪比的降低呈對(duì)數(shù)減小。這種關(guān)系說明，無線通信系統(tǒng)的容量可隨所占帶寬的增加、信噪比的降低而增加。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它開發(fā)了一個(gè)具有吉赫茲容量和最高空間容量的新無線信道。Shannon信道容量公式：

其中：

C=最大通道容量

B=通道的帶寬

S=信號(hào)功率

N=噪聲功率

超寬帶UWB的特點(diǎn)

保密性好。UWB利用發(fā)送脈沖信號(hào)傳送數(shù)據(jù)。每秒可發(fā)送10億個(gè)代表0和1的脈沖信號(hào)，這些信號(hào)被分布在一個(gè)很寬的頻譜范圍內(nèi)，非常難被偵測(cè)到。在大多數(shù)情況下，UWB信號(hào)的功率譜密度低于自然的電子噪聲，有用的信息完全掩藏在噪聲中，所以從電子噪聲中將脈沖信號(hào)檢測(cè)出來是一件非常困難的事。

耗電量低。通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時(shí)要連續(xù)發(fā)射載波，因此要消耗電能。而UWB不使用載波，它的載體是占空比極低的窄脈沖，因此耗電量上以往系統(tǒng)的1%～10%。

傳輸速率高、輻射低。UWB是當(dāng)今個(gè)人無線網(wǎng)領(lǐng)域最高速的接入方法，特別適合短距離（20m）通信技術(shù)。DS-UWB成品目前已經(jīng)達(dá)到110Mbit/s的傳送能力，并將在2006年有望達(dá)到1.6Gbit/s。UWB輻射極低，只有-41dBm/MHz。

抗干擾性能強(qiáng)。UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，在發(fā)射時(shí)脈沖信號(hào)將分布到寬闊的頻帶中，輸出功率極低。

UWB無線通信技術(shù)能夠在同一條光纜上快速、高容量的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號(hào)，可將網(wǎng)絡(luò)和電視等電器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)電器的“掌控”。

低成本。UWB技術(shù)無需進(jìn)行射頻調(diào)治和解調(diào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，復(fù)雜性低，由此設(shè)備的成本低。

與其他短距離無線通信技術(shù)的比較

UWB與IEEE802.11a

IEEE802.11a是美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）為了改進(jìn)其最初推出的無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11而推出的無線局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11a工作在5GHz頻帶，物理層速率可達(dá)54Mbit/s，傳輸層可達(dá)25Mbit/s。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時(shí)的通信距離可以達(dá)到100m，而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信，這對(duì)UWB來說是個(gè)劣勢(shì)。但與UWB相比，IEEE802.11a芯片價(jià)格昂貴、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接很不經(jīng)濟(jì)。

UWB與HomeRF

HomeRF是由HomeRF工作組開發(fā)的，是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，在PC機(jī)和用戶電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為無線技術(shù)方案，它代替了需要鋪設(shè)昂貴傳輸線的有線家庭網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，如筆記本電腦和Internet應(yīng)用設(shè)備提供了漫游功能。HomeRF工作頻段是2.4GHz，支持?jǐn)?shù)據(jù)和音頻。與UWB相比，HomeRF傳輸距離遠(yuǎn)，但速率太低。

UWB與藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的短距離無線通信技術(shù)。藍(lán)牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與7個(gè)其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接。藍(lán)牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術(shù)，能夠抗信號(hào)衰落；工作于2.4GHz的ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，以省去申請(qǐng)專用許可證的麻煩；采用FM調(diào)制方式，使設(shè)備變得更為簡單可靠；Bluetooth的每一個(gè)話音通道支持64kbit/s的同步話音，異步通道支持的最大速率為721kbit/s。Bluetooth的通信速率通常在1Mbit/s以下，通信距離可以達(dá)到10m以上。而UWB的通信速率在幾百兆比特每秒，通信距離僅有幾米，因此二者的應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同?？傊@些短距離無線通信技術(shù)各有其應(yīng)用領(lǐng)域，表1比較了UWB與其他短距離無線通信技術(shù)的區(qū)別。

表1UWB與幾種短距離無線通信技術(shù)的比較

2003年，在IEEE802.15.3a工作組征集提案時(shí)，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、直接序列碼分多址（DS-CDMA）3種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復(fù)用方案融合，從而形成了多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩大方案。UWB無線通信市場(chǎng)巨大，各大公司競相爭逐，主要存在兩大對(duì)立陣營：以美國TI、Intel等公司為首的MBOA（MB-OFDM聯(lián)盟）；以美國XtremeSpectrum、Freescale等為主的DS-CDMA聯(lián)盟。超寬帶無線技術(shù)是采用DS-CDMA技術(shù)還是MB-OFDM技術(shù)體制，是當(dāng)前UWB技術(shù)領(lǐng)域爭論的最為激烈的話題。下面將分別對(duì)這兩種體制介紹和比較。

MBOFDM技術(shù)

MB-OFDM的核心是把頻段分成多個(gè)528MHz的子頻帶，每個(gè)子頻帶采用TFI-OFDM（時(shí)-頻交織正交頻率復(fù)用）方式，數(shù)據(jù)在每個(gè)子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)使用的是周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個(gè)子帶來實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，增加了符號(hào)的時(shí)間。長符號(hào)時(shí)間的好處是抗ISI（符號(hào)間干擾）能力較強(qiáng)。但是這種性能的提高是以收發(fā)設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的，而且還要考慮子信道間干擾（ICI）的影響。MB-OFDM將在性能方面具有優(yōu)勢(shì)（初期速度高達(dá)480Mbit/s），而且由于OFDM技術(shù)使微弱信號(hào)具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會(huì)較遠(yuǎn)。表2列出了MB-OFDM的主要技術(shù)參數(shù)。

表2MB-OFDM主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)MB-OFDM

頻帶數(shù)量10（第一代為3）

頻帶帶寬每個(gè)子頻帶528MHz

頻率范圍1組：3.168～4.752GHz

2組：4.752～6.336GHz

3組：6.336～7.920GHz

4組：7.920～9.504GHz

5組：9.504～10.560GHz

調(diào)制方式TFI-OFDM，QPSK

糾錯(cuò)編碼卷積碼

復(fù)用方式TFI

鏈路余量5.3dB/10m，110Mbit/s

10.0dB/4m，200Mbit/s

11.5dB/2m，480Mbit/s

DSCDMA技術(shù)

DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出。DS-CDMA采用低頻段（3.1～5.15GHz），高頻段（5.825～10.6GHz）和雙頻帶（3.1～5.15GHz和5.825～10.60Hz）3種操作方式。低頻段方式提供28.5～400Mbit/s的傳輸速率，高頻段方式提供57～800Mbit/s的傳輸速率。DS-CDMA在每個(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個(gè)碼片的DS-SS（直接序列擴(kuò)頻）實(shí)現(xiàn)編碼增益，糾錯(cuò)方式采用R-S碼和卷積碼。與MB-OFDM相比有較好的頻率利用率。表3列出了DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)。

表3DS-CDMA的主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)DS-CDMA

頻帶數(shù)量2

頻帶帶寬1.268～2.736GHz

頻率范圍3.2～5.15GHz

5.825～10.6GHz

調(diào)制方式BPSK，QPSK，DS-SS

糾錯(cuò)編碼RS碼，卷積碼

復(fù)用方式CDMA

鏈路余量6.7dB/10m，110Mbit

11.9dB/4m，200Mbit

1.7dB/2m，480Mbit