数据通信中的超宽带技术

2019-11-03 09:04:18

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供稿：网友

陈杰　　丁世杰

南京邮电学院通信工程系

　　摘要超宽带是无载波的无线传输技术，采用功率极低的脉冲，脉冲能量分散在一个很宽的频谱范围内。本文概述了该技术的基本原理，介绍该技术在数据通信及互联中的应用，并对基于超宽带的网络协议栈各层的设计问题作了分析。

　　关键词超宽带数据通信传感器网络移动ad hoc网络

1 引言

　　超宽带（UWB）技术起源于上个世纪60年代，直到1989年美国国防部才使用“超宽带”这一术语。这项技术最初用于军事目的，比如透地精密雷达和保密通信，过去几年间开始进入商业应用开发。因其有高数据速率、低功耗、低成本、能有效对抗多径效应、设计简单等优点，受到研究者和从业者的重视。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。

　　对于数据通信来说，超宽带无疑是一个良机。从计算机到外设、外设到外设和数字家庭网络的应用中，超宽带无线技术提供了一个低成本、低功率、高数据速率的解决方案。可执行精确的地理定位是该技术一个很有用的特点。它能够辅助运用在ad hoc网络中，因为知道其他主机的位置有利于移动主机的操作。这项技术有希望填补通用标准（如蓝牙、802.11a/b/g）余留的空白。

2 超宽带技术

　　几乎所有正在使用的通信系统都采用正弦波作为基本波形，信息经过各种调制方式得到映射，其结果是将信号能量集中在一个规定好的频带内。超宽带是无载波的无线传输技术，发射极窄的基带脉冲信号（脉冲持续时间通常是ns级），该信号具有从很低频率到数GHz的很宽的频率范围。信号能量被分散在如此宽的频谱范围内，产生非常低的功率谱密度。2002年2月，美国联邦通信委员会（FCC）批准了UWB运用于商业通信，工作在3.1-10.6GHz的免授权频谱，这一举措有力地推动了UWB的发展。根据FCC的定义，超宽带系统的最小-10dB相对带宽为0.2，或者占有带宽超过500MHz，但是FCC没有规定具体的调制方案。冲激无线电（Impulse Radio，IR）是最有希望的超宽带技术之一。IR信号由极窄的脉冲串组成，这些脉冲在时间上伪随机出现。伪随机性依靠跳时码实现，跳时码的作用是让发射信号随机化，有利于用户分隔和谱成形，以避免窃听。信号的调制方式可以用脉冲幅度调制（PAM）或脉冲位置调制（PPM）。为了确保低成本的超宽带设备，所有脉冲都具有同一波形。

　　直接序列扩频与超宽带有许多相似之处，比如存在伪随机码，用以扩展和分隔多用户的数据。直接序列扩频采用固定频率的载波来调制已扩频信号，即把已扩频信号搬移到最适宜传输的频带。对超宽带来说，没有载波调制。在扩频系统中，载波的占空比一般是百分之百的；超宽带中的占空比只有0.5%，这样低的占空比是实现低功耗的关键所在。总之，超宽带技术带来一个优点，即电路更简单，尤其是在接收端，因为不需要本地生成载波，也不必提供多级混合电路、成形滤波等。但是，使用载波扩频所带来的优点胜过超宽带技术。超宽带本身是一类基带信号（虽然其频谱范围达到数GHz）。在这种情况下，频谱的近直流和中远部分的传播特性具有不同的特点，使得这项技术局限于短距离通信。对于长距离通信而言，特别是中继，扩频技术更合适一些。

3 使用超宽带实现互联

　　超宽带技术可以在仓库、工厂、医院、商场等高度多径的环境中使用，而且能以低成本、低功耗的方式提供很准确的地理定位业务，这足以证明其市场前景。该技术同样适宜于分布式传感器网络（Distributed Sensor Networks）。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，其应用包括用于商业、工业、军事的反馈控制系统和环境监视。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动之外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，采取有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。

　　在数据通信方面，超宽带技术可以用于实现ad hoc网络。该网络是多跳无线网络，不依赖固定基础设施，能够快速配置和自组织地工作。其中每一台主机既作为终端，也作为一个路由器。移动ad hoc网络（MANET）是无线主机具有可移动性的ad hoc网络。在MANET中，主机的移动性对网络的拓扑和性能都有深远影响。图2说明了OSI协议栈的各层是如何操作的，以保证成功完成一次通信会话。基于超宽带的传感器网络和MANET各层的相关设计问题将在下一节介绍。

4 协议栈各层的设计

　　构建传感器网络需要考虑几个问题。传感器通常依靠电池工作，要求低成本、低功率、低拦截率（LPI）、低检测率（LPD），具有进行地理定位的能力。基于超宽带的物理层满足上述所有要求。物理层负责用于数据传输的介质规范（物理的、电气的、机械的），规定了工作频率范围、工作温度范围、调制方案、信道化方案、信道交换时间、定时、同步、符号编码、来自其它系统的干扰、载波侦听、符号的发射/接收操作及其功率要求等。为了确保网络的平滑性能，该层与介质访问控制（MAC）子层密切地相互作用。无线介质容易产生差错，也容易受到邻近其它无线和射频系统干扰，因此无线系统（如MANET）的物理层有其特别的考虑。在设计无线物理层时，多径需要多加考虑。由于射频传播环境随着时间动态变化，中断可能频繁发生。正在移动的网络设备由于切换和建立新路由，将加剧这个问题。

　　数据链路层包括逻辑链路控制（LLC）子层和MAC子层。MAC子层负责信道访问，而LLC子层负责链路维护、数据单元成帧、同步、流量控制以及差错检测和恢复。MAC子层试图获得访问共享的信道，以避免其发送帧与其它节点（共享介质）MAC子层的发送帧之间的冲突和失真发生。传感器网络和MANET中的MAC子层应该是可功率监控、自组织的，支持移动性和切换。

　　这些网络的网络层应当执行使得功率和节点跳数最小的路由。在有些情况下，flooding/gossiping可以增加分组到达目的地的机会。数据集成/融合可用于网络层中以数据为中心（data-centric）的路由。该层还需要考虑用于快速变化网络拓扑的路由维护和升级。

　　传输层负责网络中端到端数据的完整性，执行复用、分段、连接、差错检测和恢复、流量控制和加速数据传输等操作。在MANET环境中，节点的移动性必然导致分组的无序传递，这样一来，期待的确认将经历相当大的延迟。就功率要求而言，重传的代价是非常昂贵的。MANET和传感器网络的传输协议需要关注反馈机制的进展，使得传输层能够识别网络的动态，调节其重传定时器和窗口大小，同时随着网络中信息的增多而执行拥塞控制。

　　应用层需要支持传感器网络和MANET中基于定位的业务、网络管理、任务分配、查询和数据公布。

5 结束语

　　便携、高速率数据通信的需求增长使得人们更加关注无线技术，超宽带潜在成为具有竞争力的高速率短距离无线技术。然而，广泛采用超宽带实现无线数据通信仍然面临着诸多挑战：技术本身不成熟；缺乏可靠的信道模型；标准化进程尚处于早期阶段等；缺乏低成本的片上系统（SoC）实现。近来，IEEE 802.15.3a标准的提交者把超宽带作为一个可行的高速率WPAN（无线个域网）物理层选择方案。

----《中国数据通信》