无线通信之超宽带 超宽带概念及优点介绍
一、超宽带是什么
超宽带技术(UWB，Ultra Wide Band)是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。超宽带(UWB)在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。
二、UWB的优点
与其他无线通信技术相比,UWB具有许多优点。表1将UWB技术与其他无线局域网技术进行了比较。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,它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1GHz以上,它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1mW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。
三、UWB-RT的应用
随着UWB-RT商业化的开始用,这项技术为支持高速应用和低速智能设备的短距离无线通信系统的部署提供了可能性。FCC定义的UWB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大于100Mb/s。UWB在信息速率和覆盖范围之间可以做一个折衷。
大量的应用场景适合使用UWB,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)。
前三种情况假定UWB设备网络部署在居民区或者办公区,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,而第五种考虑工业和商业环境。
1、高速无线个人网(HDR-WPAN)
HDR-WPAN定义为：每个房间的活动设备为5～10,在1～10m范围内,数据速率为100～500Mb/s,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、无线以太网接口链路(WEIL)
可以将HDR的概念扩展到更高的数据速率,如1Gb/s,2.5Gb/s。WEIL应该满足以下需求：从PC厂商方面,需要以太网线的替代品;从消费者角度看,在PC和LCD屏之间要求高质量的无线视频传输能力,可以传无线数字视频。
3、智能天线区域网(IWAN)
IWAN的特征是：在室内或者办公室等有高密度设备的地方,覆盖范围为30m。设备的要求是：低成本,低功率消耗,如1～10mw,给用户提供家庭/办公室的智能分布网。设备的功能有：准确定位,跟踪,支持环境敏感的设备,在当前的窄带短距离网络中不太容易实现。这种情况,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、室外点对点网络(OPPN)
UWB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。采用何种标准将决定OPPN结构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标准将严格限制支持室外的UWB设备的部署。然而,这种情况可能会改变,因为UWB管制的使用也将不断进步,如同过去其他无线业务所经历的一样。
5、传感器,定位和识别网(SPIN)
SPIN系统的特征是：设备密度高,每层几百个,主要在工厂或者仓库,发送带有定位信息的低速数据包。SPIN设备使用范围较大,如果为主从拓扑,在单独设备和主站之间可达100m。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。
UWB将起到的一个重要作用是：根据用户需求提供有效的业务。场景机制的划分和各种网络的发展,包括上面分析的各种情况,是远远不能满足用户的期望的。一个宏伟的目标是,在不同场景下,实现各种网络的无缝共存和互操作性。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。
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