UWB超寬帶傳輸技術(shù)及其應(yīng)用簡(jiǎn)析
UWB(Ultra WideBand)是一種短距離的無線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內(nèi),使用1 GHz以上帶寬,通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波,而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù),因此,其所占的頻譜范圍很寬,適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。FCC規(guī)定,UWB的工作頻段范圍從3.1 GHz到10.6 GHz,最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個(gè)是傳輸帶寬,另一個(gè)是采用不采用載波方式。從傳輸帶寬看,按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的定義:信號(hào)帶寬大于1.5G或者信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號(hào),每秒可以發(fā)送數(shù)10億個(gè)脈沖。然而,這些脈沖的頻域非常寬,可覆蓋數(shù)Hz~數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小,頻率范圍很廣,所以,UWB相對(duì)于傳統(tǒng)的無線電波而言,相當(dāng)于噪聲,對(duì)傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點(diǎn)顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足
1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)
(1)傳輸速率高理論上,一個(gè)寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬,因此,UWB即使把發(fā)送信號(hào)功率譜密度控制得很低,仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit/s-500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面,UWB脈沖寬度一般為納秒級(jí)。如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位,那么,理論上UWB可達(dá)1 Gbit/s的速率,這樣在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。
(2)發(fā)射功率低,功耗小因?yàn)椴皇褂幂d波,UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時(shí)提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中,UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw(這也是FCC為了避免對(duì)其它設(shè)備造成干擾而對(duì)UWB做出的技術(shù)指標(biāo)要求)。雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右,但隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步,這項(xiàng)指標(biāo)隨之會(huì)降下來。
(3)UWB通信的保密性強(qiáng) UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低,有用信息完全淹沒在噪聲中,被截獲概率很小,被檢測(cè)的概率也很低,這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。
(4)UWB通信采用調(diào)時(shí)序列,能夠抗多徑衰落 多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化,而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短,在反射波到達(dá)之前,直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此,UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動(dòng)環(huán)境下使用。
更重要的是,UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信,UWB通信系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化,所需要的射頻和微波器件很少,這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低成本?梢哉f,低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式[4]。
2.不足之處
當(dāng)然,UWB通信也存在不足,主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高,UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng),因此,UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭(zhēng)論之中;另外,還有學(xué)者認(rèn)為,盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低,但是,由于其脈沖持續(xù)時(shí)間很短,瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)很大,這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此,學(xué)術(shù)界的種種爭(zhēng)論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國(guó)通信協(xié)會(huì)(FCC)批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請(qǐng)。
與其他技術(shù)的比較
從UWB的技術(shù)參數(shù)來看,UWB的傳輸距離只有10M左右,因此我們只拿常見的短距離無線技術(shù)與UWB作一對(duì)比,從中更能顯示出UWB的杰出的優(yōu)點(diǎn)。常見的短距離無線技術(shù)由IEEE802.11a、藍(lán)牙、HomeRF。
(1)IEEE802.11a與UWB
IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一,物理層速率在54Mbps,傳輸層速率在25Mbps,它的通信距離可能達(dá)到100M,而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內(nèi)),IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大,UWB可以達(dá)到上千兆,是IEEE802.11a的幾十倍;超過這個(gè)距離范圍(即大于10M),由于UWB發(fā)射功率受限,UWB就性能就差很多(目前從演示的產(chǎn)品來看,UWB的有效距離已擴(kuò)展到20M左右)。因此從總體來看,10M以內(nèi),802.11a無法與UWB相比;但是在10M以外,UWB無法與802.11a相比。另外與UWB相比,802.11a的功耗相當(dāng)大。
(2)藍(lán)牙(Bluetooth)與UWB
藍(lán)牙技術(shù)是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨后成立的藍(lán)牙技術(shù)特殊興趣組織(SIG)來負(fù)責(zé)該技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)協(xié)議的制定,如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍(lán)牙的傳輸距離為10cm~10m。它采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù),速率為1Mbps。從技術(shù)參數(shù)上來看,UWB的優(yōu)越性是比較明顯的,有效距離差不多,功耗也差不多,但UWB的速度卻快得多,是藍(lán)牙速度的幾百倍。從目前的情況來看,藍(lán)牙唯一比UWB優(yōu)越的地方就是藍(lán)牙的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但是隨著UWB的發(fā)展,這種優(yōu)勢(shì)就不會(huì)再是優(yōu)勢(shì),因此有人在UWB剛出現(xiàn)時(shí),把UWB看成是藍(lán)芽的殺手,不是沒有道理的。
(3)HomeRF與UWB
HomeRF 是專門針對(duì)家庭住宅環(huán)境而開發(fā)出來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),借用了802. 11 規(guī)范中支持TCP/ IP傳輸?shù)膮f(xié)議;而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF 定義的工作頻段為2. 4GHz ,這是不需許可證的公用無線頻段。HomeRF 使用了跳頻空中接口,每秒跳頻50 次,即每秒鐘信道改換50 次。收發(fā)信機(jī)最大功率為100mW ,有效范圍約50m,其速率為 1Mbps至2Mbps。寫UWB相比,各有優(yōu)勢(shì):HomeRF的傳輸距離遠(yuǎn),但速率太低;UWB傳輸距離只有HomeRF的五分之一,但速度卻是HomeRF的幾百倍甚至上千倍。
總而言之,這些流行的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)各有千秋,這些技術(shù)之間存在著相互競(jìng)爭(zhēng),但在某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它們又相互補(bǔ)充。單純地說“或取代某種技術(shù)”這是一種不負(fù)責(zé)任的說法,就好像飛機(jī)又快又穩(wěn),也沒有取代自行車一樣,各有各的應(yīng)用領(lǐng)域。
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