超宽带通信中的天线技术

　　1、无线传感器网络

　　无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是一种由大量低复杂度的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，每个网络节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，完成数据采集、数据收发、数据转发三项基本功能。根据OSI的标准网络体系结构，传感器网络的协议栈如图1所示[1]。

图1 传感器网络协议栈

　协议栈中的物理层和数据链路层中的MAC层构成了传感器网络的硬件结构。物理层包括编码调制技术、通信速率、通信功耗和通信频段等问题，MAC层主要解决多节点通信冲突时信道资源的分配问题；二者目前均有多种技术可供选择。传感器网络节点自身的特点使其在实际应用中存在着能量供给时间限制与通信作用距离限制。为拓展网络覆盖区域，传感器网络采用多跳路由的传输机制。由于通信距离的延长一般伴随着能耗的增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。

　　低功耗、低成本、低复杂度和短距离是物理层标准的主要选择指标，近年来，IEEE802.15正考虑将超宽带通信技术作为无线传感器网络的物理层标准。IEEE802.15系列标准由IEEE协会的无线个人区域网络（WirelessPersonal Area Network，WPAN）工作组主导制定。该系统标准主要应用于小范围的无线网络。

　　2、超宽带无线技术（UltraWideBand，UWB）

　　超宽带无线技术是一种短距离、使用1GHz以上带宽且信号功率谱密度低的最先进的无线通信技术。该技术最初由美国国防部1989年提出，2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了UWB设备的初步规范。目前UWB技术在短距离无线通信中逐渐得到越来越多的应用。

　超宽带定义的范畴包括任何使用超宽频谱的系统。任何无线电系统，只要它满足下面的条件之一就称为超宽带系统：

　（1）、（2）两式中，fH和fL分别是传输带宽的高端频率和低端频率。

　超宽带无线通信具有以下特点：

　（1）高传输速率。因为系统的频带很宽，根据香农信道公式，在低信噪比的情况下，系统也可以在短距离上实现几百兆比特每秒至1Gbit/s的传输速率。

　（2）高定位精度。因为采用持续时间极短的窄脉冲，时间、空间分辨能力都很强，所以UWB信号的多径分辨率极高。超宽带无线电通信可以将定位与通信合一，与GPS提供绝对地理位置不同，基带窄脉冲形式的信号可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。

　（3）共享频谱。因为信号被扩展到很宽的频谱上，所以系统发射的功率谱密度非常低，对于其他系统来说类似于背景噪音，因此可以与其他窄带信号共享频谱。

　（4）穿透力强。因为基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以可顺利地穿过土地、混凝土、水体等介质进行探测。

　　3、超宽带应用于无线网络的标准化进程

　　在标准制定上，IEEE802.15.3标准组是采用UWB做为无线通信物理层标准的主要推动者。联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）推出超宽带后，IEEE 802.15.3标准组织于2003年和2004年先后成立了802.15.3a和802.15.4a两个任务组。前者用于拟定高速率通信标准，后者致力于拟定低速率通信标准。

　　IEEE802.15.3a任务组集中了UWB论坛和Wi-Media联盟两大阵营所各自倡导的标准：DS-UWB和MB-OFDM。主导DS-UWB的是Freescale，主导MB-OFDM的是Intel、Kodak、Microsoft、HP和TI等。DS-UWB提案采用扩频技术，使用3.1～4.9GHz的低波段和6.2～9.7GHz的高波段，其中低波段的通信速率为28Mbit/s～1Gbit/s，高波段的通信速率为2Gbit/s。MB-OFDM提案采用OFDM技术，将UWB的频谱划分为14个波段，每个528MHz带宽，它支持53～480Mbit/s的通信速率。为赢得未来的市场，UWB论坛和WiMedia联盟致力于在全世界推广各自所支持的技术标准。由于经过多次投票表决，无法统一标准。在2006年1月份召开的IEEE802会议上，802.15.3a经过投票，解散了任务组，这使得UWB在IEEE的标准化进程被终止；也使得目前存在着两种不同的标准在全球市场进行竞争。802.15.4a任务组的工作则比较顺利，一种基于扩频的低速率UWB方案正在被草拟入标准之中，经过2006年一年的准备，正式标准预计将于2007年发布。低速率UWB方案的任务要求包括10cm范围内的定位精度，30m的通信距离和不低于1Mbit/s的传输速率。致力于推进IEEE802.15.4a低速率个人局域网技术标准的组织是ZigBee联盟。

　　4、基于超宽带的无线传感器网络主要研究问题

　目前超宽带技术在无线传感器网络方面的研究主要集中在空间物理层接口设计、网络节点定位设计和解决信道资源分配问题的MAC层算法设计等方面。