超宽带技术在未来无线通信中的应用

超宽带(UWB)技术为拥挤的无线电频谱带来了新的应用理念，其创新的使用模式和用有线链接无法实现的产品特性正在吸引着全球的目光。这种短距离的传输技术具有耗电量低、安全性高、高速传输、不易产生干扰、低成本的芯片结构等优点，更重要的是他可以帮助家庭和办公室中的各种信息设备摆脱有线的束缚而实现互联互通。目前，许多国家正在致力于超宽带技术的研究开发，尽管还没有成熟产品进入市场消费阶段，但将推动超宽带与大部分消费电子、移动设备和个人电脑的连接嵌入。UWB技术在1994年以前主要限于军方使用，限制了UWB的软件和硬件开发。由于UMB使用许多专用频段，美国联邦通信委员会(FCC)直到2001年才正式开放UWB技术的广泛研究，此后全球对UWB的研究进入高速探讨阶段。   

1 UWB频谱效率  

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500 MHz的设备才能算超宽带。相对带宽定义为2(fH-fL)／(fH+fL)，其中fH，fL分别为-10 dB时的上界频率和下界频率。在物理层，UWB通信扩展少量的等效全向辐射功率(EIRP)，根据FCC的定义，低于0.56 mW，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3.01～10.6 GHz，为75 nW／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是新一代的无线电通信技术，其中心频率达到500 MHz。按照FCC的规定3.1～10.6 GHz之间的7.5 GHz的带宽频率都将作为通信设备所使用的频率范围。UWB之所以拥有如此大的带宽，是因为UWB是与手机和无线LAN等现有无线通信完全不同的调制方式。现有的无线通信使用不同的载波频率把信号调制到不同的频带上，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，他使用“脉冲”信号进行信息传输。所谓脉冲信号，就是指产生和消失时间极其短暂的瞬间信号，其产生和消失时间仅为数百微秒至数纳秒以下。如果将这种脉冲按传统的傅里叶分析，则可以将其分解成多种频率的正弦波(每一种正弦波的能量不同)。如果减小脉冲的宽度，那么频带宽度将增加。在使用脉冲传送信号时，脉冲宽度越小，单位时间内传送的信号就越多。反过来说，带宽越宽就能够传送更多的脉冲。不仅速度可以提高，而且还能有效地降低耗电量。由于加电时间极其短暂，因此平均耗电量很低。  

脉冲频率是一个能够确定中心频率带传输能量的重要参数，同时脉冲的波形也可以确定在一段频率范围内需要多少能量。在传统的无线电技术结构中，数据能够通过若干次脉冲而被调制，其中包括振幅、相位等。单脉冲架构也采用了相关较为简单的无线电构思方案，为了更好地管理一个频宽，在此基础上还稍增加了一些灵活性。为了更加随意地控制这段频宽，单脉冲技术还加入了如下功能：能够随时针对不同地区的需要进行自动调整，具备动态检测干扰信号的技术，能够终止使用产生冲突的频率，能够在指定区域下共享频宽，自动为无需高带宽的设备使用窄带频宽。  

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。他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。  

2 UWB的优点  

与其他无线通信技术相比，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，他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1 GHz以上，他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1 mW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。  

UWB旨在面向距离在30英尺左右的高速无线网络连接，在与家庭娱乐设备相连接时可取代USB电缆。IEEE(电器和电子工程师协会)已经成立了被称为IEEE802.15.3a技术标准的工作组，但在采用MBOA的技术还是由摩托罗拉和其他厂商支持的“直接序列”的技术问题上处于僵持局面。为了完成两种超级无线宽带技术规范，并将他们提供给诸如英特尔、德州仪器、惠普、索尼，以及Staccato和Alereon等专业的UWB厂商等成员企业，MBOA已经建立了“特殊利益集团”，从2005年中期开始生产相应批量的芯片。为了确保整个系统的顺利进行，以便使其技术与其他软件层的兼容性更好，这一特殊利益集团除了完成和推广OFDM规格之外还将与其他标准机构进行合作。支持“直接序列”UWB的Freescale公司对MBOA标准的前景提出了质疑。“直接序列”技术旨在超短距离通讯，Freescale公司第一代芯片能够以10 m以上的距离提供1 Gb／s的数据传输速率。