超寬帶無線通信技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域

超寬帶無線通信技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域

摘要：首先簡要介紹了超寬帶（UWB）的系統(tǒng)框架，而后介紹了其主要技術(shù)特征和標(biāo)準(zhǔn)化情況，最后對UWB技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵字：超寬帶、MB-OFDM、DS-CDMA、IEEE802.15.3a、無線USB、藍(lán)牙

一、概述

　　超寬帶UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，起源于上世紀(jì)60年代，過去僅應(yīng)用在軍事雷達(dá)和定位設(shè)備中。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對高速無線通信提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)又被重新提出。UWB利用納秒至皮秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps。在高速通信的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一。所以UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式。

　　UWB系統(tǒng)的完整架構(gòu)如圖 1所示。最下層為物理層和MAC層，在其上為匯聚層，匯聚層的上面就是應(yīng)用層的無線USB、無線1394和其他的應(yīng)用環(huán)境。而本文下面提到的MB-OFDM和DS-CDMA均屬于物理層和MAC層的技術(shù)方案。
?

?

二、UWB的兩大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　2003年，在IEEE802.15.3a工作組征集提案時(shí)，Intel、TI和XtremeSpectrum分別提出了多頻帶（Multiband）、正交頻分復(fù)用（OFDM）和直接序列碼分多址（DS-CDMA）三種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復(fù)用方案融合，從而形成了多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩大方案。下面分別對這兩種方案進(jìn)行介紹。

1．MB-OFDM和DS-CDMA方案技術(shù)特征

　　MB-OFDM的核心是把頻段分成多個(gè)528MHz的子頻帶，每個(gè)子頻帶采用TFI-OFDM（時(shí)-頻交織正交頻率復(fù)用）方式，數(shù)據(jù)在每個(gè)子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)使用的是周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個(gè)子帶來實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，增加了符號的時(shí)間。長符號時(shí)間的好處是抗ISI（符號間干擾）能力較強(qiáng)。但是這種性能的提高是以收發(fā)設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的，而且由于OFDM技術(shù)能使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通信距離也會(huì)較遠(yuǎn)。

　　DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出的。它采用低頻段（3.1~5.15GHz）、高頻段（5.825~10.6GHz）和雙頻帶（3.1~5.15GHz和5.825~10.6GHz）三種操作方式。低頻段方式提供28.5~400Mbit/s的傳輸速率，高頻段方式提供57~800Mbit/s的傳輸速率。DS-CDMA在每個(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用24個(gè)碼片的DS-SS（直接序列擴(kuò)頻）實(shí)現(xiàn)編碼增益，糾錯(cuò)方式采用R-S碼和卷積碼。

　　表 1給出了MB-OFDM和DS-CDMA兩種方案的主要技術(shù)參數(shù)。
?

?

2．UWB標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

　　從以上兩種技術(shù)方案提出之日起，IEEE802.15.3a工作組中就一直不能達(dá)成一致。從技術(shù)上來講，MB-OFDM和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個(gè)通用信令模式，希望與MB-OFDM兼容，但被MB-OFDM拒絕。經(jīng)過三年沒有結(jié)果的爭辯競爭，IEEE802.15.3a工作組宣布放棄對UWB標(biāo)準(zhǔn)的制定，工作組隨即解散。

　　IEEE802.15.3a工作組解散后，MB-OFDM的支持者WiMedia論壇轉(zhuǎn)而取道ECMA/ISO想要激活標(biāo)準(zhǔn)。2005年12月，WiMedia與ECMA International (國際歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì))合作制定并通過了建立ECMA 368/369。ECMA 368/369基于MB-OFDM技術(shù)，支持的速率高達(dá)480Mbps以上。ECMA已向ISO提交此標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)稱該標(biāo)準(zhǔn)有望于今年第四季度成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。

三、UWB技術(shù)的應(yīng)用前景

　　隨著IEEE802.15.3a工作組的解散，雙方將繼續(xù)在技術(shù)上競爭，也許市場將決定哪種技術(shù)最終獲勝。圖 2給出了UWB的應(yīng)用領(lǐng)域，可見UWB的應(yīng)用遍及個(gè)人電腦，消費(fèi)電子產(chǎn)品以及移動(dòng)通信領(lǐng)域。
?

?

（1）PC及外圍設(shè)備

　　UWB技術(shù)可以為PC用戶提供取代線纜的無線USB，從而為PC和打印機(jī)、掃描儀、鍵盤、顯示器等外圍設(shè)備提供無線的連接。

（2）移動(dòng)電子類設(shè)備和通信設(shè)備

　　一旦PC采用UWB作為短距離線纜的替代方案，數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)以及移動(dòng)消費(fèi)電子類產(chǎn)品將隨之改變。UWB技術(shù)不僅可將所有的影像捕捉設(shè)備與個(gè)人電腦互聯(lián)，而且可以將其直接連接到顯示設(shè)備、打印機(jī)和P2P設(shè)備；而UWB技術(shù)也使得移動(dòng)電話變成個(gè)人服務(wù)器，可以直接與個(gè)人電腦、打印機(jī)、大屏幕顯示器、揚(yáng)聲器和汽車電器互聯(lián)。

（3）家庭消費(fèi)電子類產(chǎn)品

　　UWB技術(shù)將會(huì)消除家庭娛樂設(shè)備之間的電纜，并且將提供個(gè)人電腦，家庭娛樂設(shè)備以及消費(fèi)電子設(shè)備之間的無線互聯(lián)。

　　在UWB相關(guān)應(yīng)用方面，MB-OFDM已被USB-IF采納為無線USB的技術(shù)；同時(shí)，今年3月份，Bluetooth SIG（Bluetooth Special Interest Group，藍(lán)牙特別興趣小組）宣布將結(jié)合MB-OFDM技術(shù)和現(xiàn)有藍(lán)牙技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)新的高速傳輸應(yīng)用。相比之下，DS-CDMA的發(fā)展就略遜一籌，為了搶占龐大的USB市場，今年1月份，UWB Forum成立了Cable-Free USB Initiative，開發(fā)其自有的無線USB規(guī)范。

　　在尚未明朗的無線1394領(lǐng)域，就兩大聯(lián)盟的參與者來看，UWB Forum中有SONY的參與，而SONY在家電等相關(guān)產(chǎn)品中有相當(dāng)程度的影響力，所以在無線1394的發(fā)展上，UWB Forum的實(shí)力仍不可小視。

四、總結(jié)

　　2006年1月IEEE宣布解散802.15 TG3a工作小組，UWB未來的發(fā)展就交由市場來決定，WiMedia-MBOA和UWB Forum兩大陣營的競爭更加白熱化。從兩大聯(lián)盟的參與者和目前相關(guān)應(yīng)用采納程度來看，WiMedia-MBOA已獲得USB IF和Bluetooth SIG的接納，未來在PC相關(guān)應(yīng)用發(fā)展上有較大優(yōu)勢；而UWB Forum則有移動(dòng)設(shè)備相關(guān)制造商Freescale、Motorola以及家電制造商SONY的支持，未來在通信和消費(fèi)電子類產(chǎn)品的應(yīng)用應(yīng)該可占有一席之地。