超宽带技术及其应用
2019-11-03 09:04:11
供稿：网友
肖征荣 王东
当设计未来的短距离无线通信系统时，需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。这要求新的无线通信系统是现在和未来无线通信系统的综合，包括局域网、无线局域网（ＷＬＡＮ）、无线个人局域网（ＷＰＡＮ）、无线个域网（ＷＢＡＮ）、Ａｄ Ｈｏｃ和家用局域网，可以连接计算机和各种娱乐设备等。这就需要新的无线技术，使用户能够管理各种信息，完全接入到各种数据。
对各种不同的通信链路比如人—人、人—机、机—人、机—机等，短距离无线技术将起关键的作用。多数人与人之间的信息交换是语音的，而在家庭和办公室中，日益增加的是对数据传输的需求，如位置应用和视频。将来，人们都会希望得到高数据速率，可以与周围的智能网同时作用。在此需求背景下，基于超宽带无线电技术（ＵＷＢ－ＲＴ）的无线设备的商业化，受到广泛关注。
ＵＷＢ－ＲＴ的优点
与其它无线通信技术相比，ＵＷＢ－ＲＴ具有许多优点（表１）。ＵＷＢ－ＲＴ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－ＲＴ通过改变脉冲的幅度间距或者持续时间来传递信息。
１．频谱利用率高
ＵＷＢ－ＲＴ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，有利于与其它系统共存，从而提高频谱利用率。
２．系统结构简单
ＵＷＢ－ＲＴ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，系统结构比较简单。ＵＷＢ－ＲＴ信号的处理也比较简单，只需要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。
３．成本低
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，因此其成本低。
４．系统安全性能好
由于ＵＷＢ－ＲＴ信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到１ ＧＨｚ以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中，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，因此增强了系统的安全性。
５．抗多径衰落能力强
ＵＷＢ－ＲＴ信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落的能力。
６．系统容量大
ＵＷＢ－ＲＴ信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于ＵＷＢ－ＲＴ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，所以系统容量比其它的无线技术都高。
７．其 他
由于ＵＷＢ－ＲＴ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内的通信。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ＵＷＢ－ＲＴ的手机其待机时间可达６个月；而且其低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。
ＵＷＢ－ＲＴ的应用
随着ＵＷＢ－ＲＴ商业化的开始，这项技术为同时支持高速应用和部署低速智能设备的短距离无线通信系统提供了可能性。ＦＣＣ定义的ＵＷＢ－ＲＴ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超过１００ Ｍｂｉｔｓ。ＵＷＢ－ＲＴ在信息速率和覆盖范围之间可以做一个折衷。
许多应用场景都适合使用ＵＷＢ－ＲＴ，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）等。其中，前三种情况中假定ＵＷＢ－ＲＴ设备网络是部署于居民区或者办公区，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；第五种则考虑到了工商业环境。
１． ＨＤＲ－ＷＰＡＮ
ＨＤＲ－ＷＰＡＮ的定义为：每个房间的活动设备为５～１０个，覆盖范围１～１０ ｍ，数据速率为１００～５００ Ｍｂｉｔｓ，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． ＷＥＩＬ
可以将ＨＤＲ的概念扩展到更高的数据速率，如１或２．５ Ｇｂｉｔｓ。ＷＥＩＬ应该满足以下需求：ＰＣ厂商需要以太网线的替代品；消费者要求在ＰＣ和ＬＣＤ屏之间高质量的无线视频传输能力，可以传无线数字视频。
３． ＩＷＡＮ
ＩＷＡＮ位于室内或者办公室等设备密度高的地方，覆盖范围为３０ ｍ。对设备的要求是：低成本，低功率消耗（如１～１０ ｍｗ）可以帮助用户组建家庭办公室的智能分布网。设备须具备定位准确、能进行跟踪、对环境敏感等功能，而这在当前的窄带短距离的网络中不太容易实现。在这种情况下，无线最后一英里或者到外部的可用连接可以用来发送报警、控制信号，或者远程检查家庭周围传感器的状态。
４． ＯＰＰＮ
ＵＷＢ－ＲＴ设备部署在室外，主要适用于ＰＤＡ上行和信息交换、新闻文本、图片和视频的下载。采用标准的种类将决定ＯＰＰＮ结构是使用集中式还是分布式的，这是一个需要进一步研究的课题。
欧洲即将采用的ＵＷＢ－ＲＴ标准将严格限制支持室外的ＵＷＢ－ＲＴ设备的部署。然而，这种情况可能会改变，因为ＵＷＢ－ＲＴ管制的使用也将不断进步，如同过去其它无线业务所经历的一样。
５． ＳＰＩＮ
ＳＰＩＮ系统设备密度高，每层几百个，主要位于工厂或者仓库，发送带有定位信息的低速数据包。ＳＰＩＮ设备使用范围较大，为主从拓扑结构时，单独设备和主站之间的距离可达１００ ｍ。在工业应用中，ＳＰＩＮ需要高级链路可靠性和自适应的系统特征，以对动态改变的接口和传播环境作出反应。
另外值得注意的是，ＵＷＢ－ＲＴ将起到一个重要的作用：根据用户需求提供有效的业务。目前的一个远景目标是，能在不同场景下实现各种网络的无缝共存和互操作。因此，设计有效的连接、自动漫游机制和数据链路的自适应是将来一个重要的研究课题。
管制和标准化
考虑到ＵＷＢ－ＲＴ系统的新特点，要与现有的业务兼容并保证不同厂商设备之间的互操作性，还有大量的工作要做。
在欧洲，欧洲电信标准化组织（ＥＴＳＩ）在两年前就开始行动了，它为部署非专用 ＵＷＢ设备建立了一个立法框架，由ＥＭＣ和无线频谱技术委员会（ＴＣ－ＥＲＭＣ）的ＴＧ３１组与欧洲邮电管理局（ＣＥＰＴ）ＳＥ２１负责。ＥＴＳＩ正考虑这项技术的最佳选择和与其它业务的频率共享。
在亚洲，近年来关注ＵＷＢ－ＲＴ并有所行动的主要是日本和新加坡。２００２年９月，日本信息通信技术分会向总务省（ＭＰＨＰＴ）提交了ＵＷＢ－ＲＴ的草案，为ＵＷＢ－ＲＴ的标准化做准备。此外，日本的通信研究实验室（ＣＲＬ）正与主要的工业伙伴共同研究，开发基于ＵＷＢ－ＲＴ的商用系统。２００３年初，新加坡的信息发展署（ＩＤＡ）建立了一个ＵＷＢ－ＲＴ试验区，可以对ＵＷＢ进行试验，给ＵＷＢ－ＲＴ开发者提供了一个进行实地试验的机会。
ＵＷＢ－ＲＴ提供了良好的前景，具有很大的潜力，同时也向管制提出了一个挑战。ＦＣＣ许可的ＵＷＢ－ＲＴ信号源仅能发射很小的功率，通信距离较短，而且使用的是已经分配给其它业务的频段。然而，很少有人关注ＵＷＢ－ＲＴ信号源可能带来的干扰问题，更多人认为应该关注ＵＷＢ－ＲＴ设备是否应该大量增加，并试图让其变得无所不在。在一个很小的范围内，几百个ＵＷＢ－ＲＴ发射机同时工作可能会对周围的其它业务如导航、救援、移动或者固定无线接入业务产生有害的干扰。到目前为止，ＵＷＢ－ＲＴ组织花费了很大精力来解决上述问题，提出和设计了可以避免产生这些干扰的系统。
ＦＣＣ和ＥＴＳＩ ＥＲＭ ＴＧ３１ａ都制定了严格的规则，以保证新的ＵＷＢ－ＲＴ产品是安全的，并不断对其进行改善。在欧洲，一些运营商和组织正在努力保护所有可能受影响的业务，另外多数业务提供者都在积极参与ＣＥＰＴ ＳＥ２４组的技术开发活动。这些运营商和组织有：固定无线接入（ＦＷＡ）运营商（其受影响的频段为３．５，３．６～４．２，４．４～５．０ ＧＨｚ），蜂窝网运营商（９１５，１ ８００～２ １００ ＭＨｚ）和空间科学组织（４０６～４０６．１，１ ４００～１ ４２７，１ ５４４～１ ５４５， ５ ２５０～５ ４６０ ＭＨｚ）等。
广泛支持ＰＨＹ和ＭＡＣ层工业标准，也是ＵＷＢ－ＲＴ成功部署的一个前提。在结合数据通信和定位能力的短距离无线通信系统中，尽管标准在多大程度上依赖于应用还有争论，将来的ＵＷＢ－ＲＴ将选择一个唯一的ＰＨＹ／ＭＡＣ标准和联网功能。
在ＩＥＥＥ内部，任务组３ａ（ＴＧ ３ａ）集中在定义可选的ＰＨＹ（Ａｌｔ－ＰＨＹ）基于ＵＷＢ－ＲＴ的８０２．１５．３。这个新定义的Ａｌｔ－ＰＨＹ将对多媒体分布域的消费者需求作出响应，与已经设计好的ＭＡＣ（８０２．１５．３ａ）提供标准特点和新技术的结合，预计会在２００５年得到批准。在新定义的ＰＨＹ层之上采用预先定义的ＭＡＣ层，将是ＵＷＢ－ＲＴ商业应用开发的第一阶段。尽管这种方法会降低整个系统的效率和ＱｏＳ级别，但这是一种可行的折衷方案，有助于加速ＵＷＢ－ＲＴ的商业部署。
与标准化努力同时进行的是无线标准品牌形象的建立。２００２年９月，柯达、惠普和Ｘｔｒｅｍｅｓｐｅｃｔｒｕｍ等公司发起并成立了便携式设备与视听设备之间高速无线多媒体通信的ＷｉＭｅｄｉａ联盟，以促进数码相机、ＭＰ３播放机、摄像机等设备之间的无线图像、视频传输，并推进ＩＥＥＥ ８０２．１５．３的标准化工作。此外，一个新成立的工作组，ＩＥＥＥ ８０２．１５．３ａ，正在分析制定一个基于ＵＷＢ－ＲＴ的低速、低功率和低成本的ＷＰＡＮ技术标准。
结 语
对于短距离高速ＷＰＡＮ，ＵＷＢ－ＲＴ有希望成为一项可行和有竞争力的无线技术，因为ＵＷＢ－ＲＴ有能力支持以用户为中心的个人无线通信世界。ＵＷＢ－ＲＴ的新特点，可能成为短距离无线设备和应用的基础，在未来的泛网中，对用户而言，从一个网络过渡到另一个网络将是透明的。尽管存在技术、经济和管制方面的诸多挑战，各种研究和开发仍在努力与全球管制框架相结合，这将进一步增加ＵＷＢ－ＲＴ成为新的智能短距离联网应用和业务首选技术的机会。
摘自 世界电信
