數(shù)據(jù)通信標準簡介

引言

UWB（Ultra-WideBandwidth，超寬帶）脈沖無線電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(tǒng)通過發(fā)送射頻載波進行信號調制，而UWB通信系統(tǒng)則不同，它不采用載波，而是利用納秒級的窄脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)。美國市場研究機構ABI在其最近的一個報告中指出，未來幾年，超寬帶無線技術可能在多個應用領域擴大其市場份額，特別是家庭和消費網(wǎng)絡設備中的無線視頻、音頻和數(shù)據(jù)應用。

超寬帶技術

UWB技術最早出現(xiàn)在20世紀60年代時域電磁學的研究中，用于通過沖激響應完整地描述某一類微波網(wǎng)絡的瞬時特性。1972年，一種高靈敏的短脈沖接收設備研制成功，進一步加速了UWB技術的研究進展。直到1989年，超寬帶（UWB）這一術語才為美國國防部（DARPA）啟用。在此之前，這項技術常被稱為基帶無載波（basebandcarrier-free）調制或沖激（impulse）無線電技術。2002年2月14日，這項無線技術首次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的批準用于民用通信，這一舉措有力的推動了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（FCC）頒布了最新的UWB頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個信號在-10dB處的絕對帶寬大于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，則這個信號就是超寬帶信號。這是目前學術界和企業(yè)界均較為認可的定義。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權的頻段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輻射點所對應的上下頻點。

從載波方面看，傳統(tǒng)的通信技術是把信號從基帶調制到載波上，而UWB技術是通過對具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖進行直接調制，從而具有吉赫茲量級的帶寬。由計算信道容量的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數(shù)減小。這種關系說明，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。超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它開發(fā)了一個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=信號功率

N=噪聲功率

超寬帶UWB的特點

保密性好。UWB利用發(fā)送脈沖信號傳送數(shù)據(jù)。每秒可發(fā)送10億個代表0和1的脈沖信號，這些信號被分布在一個很寬的頻譜范圍內，非常難被偵測到。在大多數(shù)情況下，UWB信號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檢測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是當今個人無線網(wǎng)領域最高速的接入方法，特別適合短距離（20m）通信技術。DS-UWB成品目前已經(jīng)達到110Mbit/s的傳送能力，并將在2006年有望達到1.6Gbit/s。UWB輻射極低，只有-41dBm/MHz。

抗干擾性能強。UWB采用跳時擴頻信號，在發(fā)射時脈沖信號將分布到寬闊的頻帶中，輸出功率極低。

UWB無線通信技術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，可將網(wǎng)絡和電視等電器結合在一起，實現(xiàn)電器的“掌控”。

低成本。UWB技術無需進行射頻調治和解調，系統(tǒng)設計簡單，復雜性低，由此設備的成本低。

與其他短距離無線通信技術的比較

UWB與IEEE802.11a

IEEE802.11a是美國電氣和電子工程師學會（IEEE）為了改進其最初推出的無線標準IEEE802.11而推出的無線局域網(wǎng)絡協(xié)議標準。IEEE802.11a工作在5GHz頻帶，物理層速率可達54Mbit/s，傳輸層可達25Mbit/s。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時的通信距離可以達到100m，而UWB只能在10m以內的范圍通信，這對UWB來說是個劣勢。但與UWB相比，IEEE802.11a芯片價格昂貴、點對點連接很不經(jīng)濟。

UWB與HomeRF

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

UWB與藍牙技術

藍牙（Bluetooth）技術是一種支持點對點或點對多點的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務的短距離無線通信技術。藍牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個藍牙設備可同時與7個其他的藍牙設備相連接。藍牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術，能夠抗信號衰落；工作于2.4GHz的ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調制方式，使設備變得更為簡單可靠；Bluetooth的每一個話音通道支持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，因此二者的應用領域不盡相同?？傊?，這些短距離無線通信技術各有其應用領域，表1比較了UWB與其他短距離無線通信技術的區(qū)別。

表1UWB與幾種短距離無線通信技術的比較

2003年，在IEEE802.15.3a工作組征集提案時，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復用（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無線通信市場巨大，各大公司競相爭逐，主要存在兩大對立陣營：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。超寬帶無線技術是采用DS-CDMA技術還是MB-OFDM技術體制，是當前UWB技術領域爭論的最為激烈的話題。下面將分別對這兩種體制介紹和比較。

MBOFDM技術

MB-OFDM的核心是把頻段分成多個528MHz的子頻帶，每個子頻帶采用TFI-OFDM（時-頻交織正交頻率復用）方式，數(shù)據(jù)在每個子帶上傳輸。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通過多個子帶來實現(xiàn)帶寬的動態(tài)分配，增加了符號的時間。長符號時間的好處是抗ISI（符號間干擾）能力較強。但是這種性能的提高是以收發(fā)設備的復雜性為代價的，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（初期速度高達480Mbit/s），而且由于OFDM技術使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會較遠。表2列出了MB-OFDM的主要技術參數(shù)。

表2MB-OFDM主要技術參數(shù)

技術參數(shù)MB-OFDM

頻帶數(shù)量10（第一代為3）

頻帶帶寬每個子頻帶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

調制方式TFI-OFDM，QPSK

糾錯編碼卷積碼

復用方式TFI

鏈路余量5.3dB/10m，110Mbit/s

10.0dB/4m，200Mbit/s

11.5dB/2m，480Mbit/s

DSCDMA技術

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在每個超過1GHz的頻帶內用極短時間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個碼片的DS-SS（直接序列擴頻）實現(xiàn)編碼增益，糾錯方式采用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的主要技術參數(shù)。

表3DS-CDMA的主要技術參數(shù)

技術參數(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

調制方式BPSK，QPSK，DS-SS

糾錯編碼RS碼，卷積碼

復用方式CDMA

鏈路余量6.7dB/10m，110Mbit

11.9dB/4m，200Mbit

1.7dB/2m，480Mbit