超寬帶技術及其應用
2019-11-03 09:04:11
供稿：網友
肖征榮 王東
當設計未來的短距離無線通信系統時，需要考慮通信的普遍特性和Ｂ３Ｇ中提到的“任何人，任何時間，任何地點”的連接性。這要求新的無線通信系統是現在和未來無線通信系統的綜合，包括局域網、無線局域網（ＷＬＡＮ）、無線個人局域網（ＷＰＡＮ）、無線個域網（ＷＢＡＮ）、Ａｄ Ｈｏｃ和家用局域網，可以連接計算機和各種娛樂設備等。這就需要新的無線技術，使用戶能夠管理各種信息，完全接入到各種數據。
對各種不同的通信鏈路比如人—人、人—機、機—人、機—機等，短距離無線技術將起關鍵的作用。多數人與人之間的信息交換是語音的，而在家庭和辦公室中，日益增加的是對數據傳輸的需求，如位置應用和視頻。將來，人們都會希望得到高數據速率，可以與周圍的智能網同時作用。在此需求背景下，基于超寬帶無線電技術（ＵＷＢ－ＲＴ）的無線設備的商業化，受到廣泛關注。
ＵＷＢ－ＲＴ的優點
與其它無線通信技術相比，ＵＷＢ－ＲＴ具有許多優點（表１）。ＵＷＢ－ＲＴ的特點有：傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低。ＵＷＢ－ＲＴ通過改變脈沖的幅度間距或者持續時間來傳遞信息。
１．頻譜利用率高
?。眨祝拢遥圆恍枰a生正弦載波信號，可以直接發射沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其它系統共存，從而提高頻譜利用率。
２．系統結構簡單
ＵＷＢ－ＲＴ不需要正弦波調制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統結構比較簡單。ＵＷＢ－ＲＴ信號的處理也比較簡單，只需要使用很少的射頻或微波器件；射頻設計簡單，系統的頻率自適應能力強。
３．成本低
將脈沖發射機和接收機前端集成到一個芯片上，再加上時間基和控制器，就可以構成一部ＵＷＢ通信設備，因此其成本低。
４．系統安全性能好
由于ＵＷＢ－ＲＴ信號采用了跳時擴頻，其射頻帶寬可以達到１ ＧＨｚ以上，它的發射功率譜密度很低，信號隱蔽在環境噪聲和其它信號之中，用傳統的接收機無法接收和識別，必須采用與發端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，因此增強了系統的安全性。
５．抗多徑衰落能力強
ＵＷＢ－ＲＴ信號的衰落比較低，有很強的抗多徑衰落的能力。
６．系統容量大
?。眨祝拢遥孕盘柕母邘拵砹藰O大的系統容量，由于ＵＷＢ－ＲＴ信號發射的沖激脈沖占空比極低，系統有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統容量比其它的無線技術都高。
７．其 他
由于ＵＷＢ－ＲＴ信號的擴頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于１ ｍＷ的發射功率實現幾公里內的通信。如此低的發射功率延長了系統電源的使用時間，非常適合移動通信設備的應用。有研究表明，使用ＵＷＢ－ＲＴ的手機其待機時間可達６個月；而且其低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對人體的傷害。
ＵＷＢ－ＲＴ的應用
隨著ＵＷＢ－ＲＴ商業化的開始，這項技術為同時支持高速應用和部署低速智能設備的短距離無線通信系統提供了可能性。ＦＣＣ定義的ＵＷＢ－ＲＴ天線系統，使用簡單的調制和編碼機制，在短距離內可達到的信息速率超過１００ Ｍｂｉｔｓ。ＵＷＢ－ＲＴ在信息速率和覆蓋范圍之間可以做一個折衷。
許多應用場景都適合使用ＵＷＢ－ＲＴ，主要包括高速無線個人網（ＨＤＲ－ＷＰＡＮ）、無線以太網接口鏈路（ＷＥＩＬ）、智能天線區域網（ＩＷＡＮ）、室外點對點網絡（ＯＰＰＮ）、傳感器、定位和識別網絡（ＳＰＩＮ）等。其中，前三種情況中假定ＵＷＢ－ＲＴ設備網絡是部署于居民區或者辦公區，主要傳送用于娛樂的無線視頻、音頻和控制信號；第四種情況提供室外點對點連接；第五種則考慮到了工商業環境。
１． ＨＤＲ－ＷＰＡＮ
?。龋模遥祝校粒蔚亩x為：每個房間的活動設備為５～１０個，覆蓋范圍１～１０ ｍ，數據速率為１００～５００ Ｍｂｉｔｓ，主要基于點對點拓撲。使用現有的有線或者無線標準，通過中繼與外部相連。２． ＷＥＩＬ
可以將ＨＤＲ的概念擴展到更高的數據速率，如１或２．５ Ｇｂｉｔｓ。ＷＥＩＬ應該滿足以下需求：ＰＣ廠商需要以太網線的替代品；消費者要求在ＰＣ和ＬＣＤ屏之間高質量的無線視頻傳輸能力，可以傳無線數字視頻。
３． ＩＷＡＮ
?。桑祝粒挝挥谑覂然蛘咿k公室等設備密度高的地方，覆蓋范圍為３０ ｍ。對設備的要求是：低成本，低功率消耗（如１～１０ ｍｗ）可以幫助用戶組建家庭辦公室的智能分布網。設備須具備定位準確、能進行跟蹤、對環境敏感等功能，而這在當前的窄帶短距離的網絡中不太容易實現。在這種情況下，無線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來發送報警、控制信號，或者遠程檢查家庭周圍傳感器的狀態。
４． ＯＰＰＮ
?。眨祝拢遥栽O備部署在室外，主要適用于ＰＤＡ上行和信息交換、新聞文本、圖片和視頻的下載。采用標準的種類將決定ＯＰＰＮ結構是使用集中式還是分布式的，這是一個需要進一步研究的課題。
歐洲即將采用的ＵＷＢ－ＲＴ標準將嚴格限制支持室外的ＵＷＢ－ＲＴ設備的部署。然而，這種情況可能會改變，因為ＵＷＢ－ＲＴ管制的使用也將不斷進步，如同過去其它無線業務所經歷的一樣。
５． ＳＰＩＮ
?。樱校桑蜗到y設備密度高，每層幾百個，主要位于工廠或者倉庫，發送帶有定位信息的低速數據包。ＳＰＩＮ設備使用范圍較大，為主從拓撲結構時，單獨設備和主站之間的距離可達１００ ｍ。在工業應用中，ＳＰＩＮ需要高級鏈路可靠性和自適應的系統特征，以對動態改變的接口和傳播環境作出反應。
另外值得注意的是，ＵＷＢ－ＲＴ將起到一個重要的作用：根據用戶需求提供有效的業務。目前的一個遠景目標是，能在不同場景下實現各種網絡的無縫共存和互操作。因此，設計有效的連接、自動漫游機制和數據鏈路的自適應是將來一個重要的研究課題。
管制和標準化
考慮到ＵＷＢ－ＲＴ系統的新特點，要與現有的業務兼容并保證不同廠商設備之間的互操作性，還有大量的工作要做。
在歐洲，歐洲電信標準化組織（ＥＴＳＩ）在兩年前就開始行動了，它為部署非專用 ＵＷＢ設備建立了一個立法框架，由ＥＭＣ和無線頻譜技術委員會（ＴＣ－ＥＲＭＣ）的ＴＧ３１組與歐洲郵電管理局（ＣＥＰＴ）ＳＥ２１負責。ＥＴＳＩ正考慮這項技術的最佳選擇和與其它業務的頻率共享。
在亞洲，近年來關注ＵＷＢ－ＲＴ并有所行動的主要是日本和新加坡。２００２年９月，日本信息通信技術分會向總務?。ǎ停校龋校裕┨峤涣耍眨祝拢遥缘牟莅?，為ＵＷＢ－ＲＴ的標準化做準備。此外，日本的通信研究實驗室（ＣＲＬ）正與主要的工業伙伴共同研究，開發基于ＵＷＢ－ＲＴ的商用系統。２００３年初，新加坡的信息發展署（ＩＤＡ）建立了一個ＵＷＢ－ＲＴ試驗區，可以對ＵＷＢ進行試驗，給ＵＷＢ－ＲＴ開發者提供了一個進行實地試驗的機會。
?。眨祝拢遥蕴峁┝肆己玫那熬?，具有很大的潛力，同時也向管制提出了一個挑戰。ＦＣＣ許可的ＵＷＢ－ＲＴ信號源僅能發射很小的功率，通信距離較短，而且使用的是已經分配給其它業務的頻段。然而，很少有人關注ＵＷＢ－ＲＴ信號源可能帶來的干擾問題，更多人認為應該關注ＵＷＢ－ＲＴ設備是否應該大量增加，并試圖讓其變得無所不在。在一個很小的范圍內，幾百個ＵＷＢ－ＲＴ發射機同時工作可能會對周圍的其它業務如導航、救援、移動或者固定無線接入業務產生有害的干擾。到目前為止，ＵＷＢ－ＲＴ組織花費了很大精力來解決上述問題，提出和設計了可以避免產生這些干擾的系統。
?。疲茫煤停牛裕樱?ＥＲＭ ＴＧ３１ａ都制定了嚴格的規則，以保證新的ＵＷＢ－ＲＴ產品是安全的，并不斷對其進行改善。在歐洲，一些運營商和組織正在努力保護所有可能受影響的業務，另外多數業務提供者都在積極參與ＣＥＰＴ ＳＥ２４組的技術開發活動。這些運營商和組織有：固定無線接入（ＦＷＡ）運營商（其受影響的頻段為３．５，３．６～４．２，４．４～５．０ ＧＨｚ），蜂窩網運營商（９１５，１ ８００～２ １００ ＭＨｚ）和空間科學組織（４０６～４０６．１，１ ４００～１ ４２７，１ ５４４～１ ５４５， ５ ２５０～５ ４６０ ＭＨｚ）等。
廣泛支持ＰＨＹ和ＭＡＣ層工業標準，也是ＵＷＢ－ＲＴ成功部署的一個前提。在結合數據通信和定位能力的短距離無線通信系統中，盡管標準在多大程度上依賴于應用還有爭論，將來的ＵＷＢ－ＲＴ將選擇一個唯一的ＰＨＹ／ＭＡＣ標準和聯網功能。
在ＩＥＥＥ內部，任務組３ａ（ＴＧ ３ａ）集中在定義可選的ＰＨＹ（Ａｌｔ－ＰＨＹ）基于ＵＷＢ－ＲＴ的８０２．１５．３。這個新定義的Ａｌｔ－ＰＨＹ將對多媒體分布域的消費者需求作出響應，與已經設計好的ＭＡＣ（８０２．１５．３ａ）提供標準特點和新技術的結合，預計會在２００５年得到批準。在新定義的ＰＨＹ層之上采用預先定義的ＭＡＣ層，將是ＵＷＢ－ＲＴ商業應用開發的第一階段。盡管這種方法會降低整個系統的效率和ＱｏＳ級別，但這是一種可行的折衷方案，有助于加速ＵＷＢ－ＲＴ的商業部署。
與標準化努力同時進行的是無線標準品牌形象的建立。２００２年９月，柯達、惠普和Ｘｔｒｅｍｅｓｐｅｃｔｒｕｍ等公司發起并成立了便攜式設備與視聽設備之間高速無線多媒體通信的ＷｉＭｅｄｉａ聯盟，以促進數碼相機、ＭＰ３播放機、攝像機等設備之間的無線圖像、視頻傳輸，并推進ＩＥＥＥ ８０２．１５．３的標準化工作。此外，一個新成立的工作組，ＩＥＥＥ ８０２．１５．３ａ，正在分析制定一個基于ＵＷＢ－ＲＴ的低速、低功率和低成本的ＷＰＡＮ技術標準。
結 語
對于短距離高速ＷＰＡＮ，ＵＷＢ－ＲＴ有希望成為一項可行和有競爭力的無線技術，因為ＵＷＢ－ＲＴ有能力支持以用戶為中心的個人無線通信世界。ＵＷＢ－ＲＴ的新特點，可能成為短距離無線設備和應用的基礎，在未來的泛網中，對用戶而言，從一個網絡過渡到另一個網絡將是透明的。盡管存在技術、經濟和管制方面的諸多挑戰，各種研究和開發仍在努力與全球管制框架相結合，這將進一步增加ＵＷＢ－ＲＴ成為新的智能短距離聯網應用和業務首選技術的機會。
摘自 世界電信
