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超宽带无线技术及其发展新方向
作者: 出处:数字通信世界
阅读提示：本文主要介绍了超宽带技术的基本特点，以及超宽带技术的应用场景并分析了超宽带技术的管制和标准化现状，超宽带技术存在的挑战，最后介绍了超宽带技术的发展动态。
本文主要介绍了超宽带技术的基本特点，以及超宽带技术的应用场景并分析了超宽带技术的管制和标准化现状，超宽带技术存在的挑战，最后介绍了超宽带技术的发展动态。
一、引言
当设计未来的短距离无线通信系统时，我们要考虑通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人，任何时间，任何地点”的连接性。这要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括WANs，LANs，WPANs以及Ad Hoc和家用局域网，可以连接各种不同的设备，包括计算机和各种娱乐设备。要实现这个目标，就需要新的无线技术。
UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域;1972年UWB脉冲检测器申请了美国专利;1978年出现了最初的UWB通信系统;1984年UWB系统成功地进行了10公里的试验;1990年美国国防部高级计划局(DARPA)开始对UWB技术进行验证。2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。
UWB技术发展慢的原因主要有:在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件;由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢;UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐;而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN，WLAN(802.11a，802.11b，802.11g)和无线WAN(如GPRS，1XRTT)，因此，许多公司会抵制该技术的商用。
二、UWB频谱效率
在短距离通信中，UWB-RT为现在的频谱管理和无线系统工程中的多数问题提供了答案。在UWB-RT中，新的方法是共享现有的频谱，而不是寻求新的频段。这个观点得到US管制局的批准。欧洲和亚洲也开始了这方面的工作，尤其是日本和新加坡。UWB-RT将对多媒体家用网络和娱乐市场产生很大的冲击力，它允许实施智能网络和设备，可以实现以用户为中心的无线通信世界。
FCC的最初报告和工业界对UWB设备的定义是:一种发射信号的相对带宽大于0.2，或者传输时带宽至少为500MHz的设备。相对带宽定义为2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分别为-10dB时的上界频率和下界频率。在物理层，UWB通信扩展少量的EIRP，根据FCC的定义，低于0.56mW与其中心频率相比，穿过很宽的频带。这可以从其功率谱密度中计算出，在3.01～10.6GHz，为75nW/MHz。UWB的这个定义不仅有高的时间分辨率，也有比窄带系统低的衰落边际。
UWB设备可以分为很多类，如图像系统，车载雷达系统，通信，测量系统等。它们都需要很高的频谱效率，通过采用适当的技术标准，UWB可以使用现有的无线设备使用的频谱，而不会引起干扰，从而可以更好地利用频谱。在WBAN/WPAN网络的节点之间，应用Ad Hoc 的概念，如使用多跳路由，UWB设备可以降低发射功率和覆盖范围，这使得在同样的区域内，可以有大量的设备运行，极大地增加了频谱利用率和容量。由于一个系统的最大传输范围与速率成反比，要在任何时候，任何地点进行覆盖，成本会随着数据速率增加。因此，短距离无线系统覆盖的区域很小，基于UWB-RT的技术，将会是未来高空间容量网络的一个选择。
三、UWB的优点
与其他无线通信技术相比，UWB具有许多优点。表1将UWB技术与其他无线局域网技术进行了比较。UWB技术的特点有:传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。UWB通过改变脉冲的幅度、间距或者持续时间来传递信息。与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比，UWB不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，提高频谱利用率。
UWB不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积小，系统的结构比较简单。UWB信号的处理也比较简单，只需使用很少的射频或微波器件，射频设计简单，系统的频率自适应能力强。可以将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基和控制器，就可以构成一部UWB通信设备因此，它的成本可以大大降低。
由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。
UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落的能力。UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。
由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mW的发射功率实现几公里的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。
四、UWB-RT的应用
随着UWB-RT商业化的开始用，这项技术为支持高速应用和低速智能设备的短距离无线通信系统的部署提供了可能性。FCC定义的UWB天线系统，使用简单的调制和编码机制，在短距离内可达到的信息速率大于100Mb/s。UWB在信息速率和覆盖范围之间可以做一个折衷。
大量的应用场景适合使用UWB，主要包括:高速无线个人网(HDR-WPAN);无线以太网接口链路(WEIL);智能天线区域网(IWAN);室外点对点网络(OPPN)传感器，定位和识别网络(SPIN)。
前三种情况假定UWB设备网络部署在居民区或者办公区，主要传送用于娱乐的无线视频/音频和控制信号。第四种情况提供室外点对点连接，而第五种考虑工业和商业环境。
1. 高速无线个人网(HDR-WPAN)
HDR-WPAN定义为:每个房间的活动设备为5～10，在1～10m范围内，数据速率为100～500Mb/s，主要基于点对点拓扑。使用现有的有线或者无线标准，通过中继与外部相连。
2.无线以太网接口链路(WEIL)
可以将HDR的概念扩展到更高的数据速率，如1Gb/s，2.5Gb/s。WEIL应该满足以下需求:从PC厂商方面，需要以太网线的替代品;从消费者角度看，在PC和LCD屏之间要求高质量的无线视频传输能力，可以传无线数字视频。