超宽带无线通信技术

1超宽带无线通信技术摘要：超宽带技术是一种可提升频率利用率的无线通信技术，该技术使用脉冲信号替代传统的调制信号，可极大的扩展无线通信信号带宽,实现了短距离的高速数据传输，满足了人们对无线通信技术的新需求。本文对超宽带无线通信技术的概念及特点进行了阐述，简单介绍了超宽带几种调制技术并对其应用前景进行了一定的分析。关键词：超宽带无线通信技术UWB特点调制技术应用UWB发展AbstractUltra-widebandtechnologyisawirelesscommunicationtechnologythatcanimprovethefrequencyutilizationefficiency.Thistechniqueusesthepulsesignalinsteadofconventionalmodulationsignal,itcangreatlyexpandwirelesscommunicationsignalbandwidth,toachievehigh-speeddatatransmissionovershortdistances,andformeetingthepeopleofthenewdemandforwirelesscommunicationstechnology.Inthispaper,theconceptandcharacteristicsofultra-widebandwirelesscommunicationtechnologiesaredescribed,andabriefintroductionofseveralultra-widebandmodulationtechniques,intheend,someanalysisofitsprospects.Keywords:UltraWideBandFeatureModulationApplicationDevelopmentofUWB2一、超宽带无线通信技术简介超宽带无线通信（UltraWideBand，UWB），顾名思义，就是指利用超宽带信号所进行的无线通信技术。超宽带(如右图所示)，最早由美国国防部（DARPA）于1989年首次提出，并规定若一个信号在20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或者其分数带宽高于25﹪，则这个信号就是超宽带信号。按照2002年美国联邦通信委员会（FCC）向民用领域开放UWB时定义，超宽带技术指的是信号相对带宽不小于0.2或者绝对带宽不小于500MHz，并使用指定的3.1GHz-10.6GHz频段的通信方式。二、超宽带无线通信的特点超宽带无线通信（UWB）是能够为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB具有以下特点：1、通信距离短通信距离的长短很大程度上决定着信号的强度，传播的距离越大，高频信号的强度也就衰减得越快。因此，超宽频带的系统更适用于短距离的通信上。研究显示，当收发机之间的距离大于12m时，超宽带无线通信（UWB）的信道容量就会低于传统的窄带系统。这就导致UWB通信距离短的特点。2、分辨率高、定位精度高、抗多径衰落特性好随着社会生活的发展，大量的建筑和材料被人们应用到通信环境中，这些应用在一定程度上增大了无线通信的环境复杂度，无线通信信号很容易受多种建筑或材料的影响出现多径效应，使得无线信号的传输特性变差。但是相较于传统的窄带信号而言，超宽带无线通信技术所使用的信号工作频率更高，信号占空比更大，这种高分辨率的信号可以将多径效应对分辨率造成的影响控制在纳秒量级，提升信号的抗多径衰落特性。实验数据表明，传统窄带信号多径衰落为10dB到30dB的无线环境中，超宽带信号的多径衰落不超过5dB。3、系统容量大，传输速率高超宽带无线信号的工作频带在千兆赫兹附近，传输速率可达100Mb/s到500Mb/s，大幅度优于传统的无线通信速率。若配合使用AdHoc技术进行组网，超宽带无线通信系统的系统容量还能够得到进一步的提升。4、平均发射功率低超宽带无线通信系统使用微弱的脉冲信号承载信息，系统的发射功率控制可以被控制在1mW内，且该技术下的发射信号功率谱密度低于-41.3dBm/MHz。相较于传统无线通信技术而言，该无线信号可被看作是一个宽带白噪声。这一特性不仅有益于提升频谱利用率，3还能够有效提升无线信号的保密性。5、实现简单，携带便捷超宽带无线通信信号通过基带即可实现无线传输，这一特性就使得基于该技术的无线通信系统不必使用射频调制与解调设备对信号进行处理，因而其物理实现相对简单，设备的功耗可以得到很好的控制，且便捷性高，应用非常灵活。为凸显其特点，表1给出了目前几种主要的无线通信技术的主要性能指标参数。三、超宽带无线通信的实现方式1、超宽带信号的种类UWB信号主要有两种形式：基带窄脉冲形式和窄脉冲调制载波形式：（1）基带窄脉冲形式：利用宽度在纳秒、亚纳秒级占空比极低的基带窄脉冲序列为载体进行通信。通常通过脉冲位置调制（PPM）、二相调制（BPM）和开关键控（OOK）等调制方式携带信息，窄脉冲根据通信系统性能的需要采用多种不同的波形。其分析理论和技术与传统窄带传输分析方法不同。（2）窄脉冲调制载波形式：将窄脉冲信号搬移到合适的频段进行传输，可以更加灵活有效地利用频谱资源，其信号处理方法与一般通信系统采用的方法类似。早期的超宽带通信采用基带窄脉冲的信号形式，具有系统简单、成本低、功耗小等优点。由于基带窄脉冲含有较丰富的低端频率分量，在FCC的规定下，频谱利用效率不高。另外，基带窄脉冲的信号形式，在实现高速（100Mbps以上）超宽带通信时，对硬件处理速度要求较高。因此在高速应用情况下，目前主要考虑采用调制载波的超宽带传输方式。2、几种常见的超宽带调制技术及比较（1）TH-PAM通过这种方式，发送的数据采用PAM调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。)(kjC为第K个用户PN码的第j个码元，其取值范围为{0，hN-1}，伪码周期为pN。则第K个用户的信号波形为：)()()(]/[)(ckjfjkNsjkTcjTtwdtS,其中jd是信息序列，fT是脉冲重复周期，[]表示取整符号，上标k为用户索引，cT表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据4符号周期sT=sNfT。由上式可知，一个数据符号在持续时间上发射sN个脉冲，当sN=1时，则一个符号只发射一个脉冲。（2）TH-PPM跳时脉冲位置调制TH-PPM的信号波形为：)()()(]/[)(kNsjckjfjkdTcjTtwtS，TH-PPM仍然是sN个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。（3）DS-UWB这种方式下，发送的数据经伪随机序列扩频后再用BPSK调制，其信号波形为：)()()(]/[)(ckjjkNsjkjTtwcdtS，这种情况下码片持续时间cT等于帧持续时间fT。在超宽带多用户通信系统中，最常见的TH-PPM多址技术和DS—CDMA多址技术等，都是建立在扩频码和随机信道的统计特性基础上进行用户分离，把多址干扰看成了一种加性高斯噪声。在采用多用户检测的最佳接收机中，需要知道所有用户的信道状态信息，这给接收机的设计带来了很大的难度。同时，多用户检测器的复杂度也十分可观，采用最小均方误差（MMSE）检测需要矩阵求逆运算，采用最大似然（ML）检测也要指数级的运算量。多址系统中采用的确知用户分离技术已在窄带系统中提出过。最近，此技术已被扩展应用到超宽带系统中。但该算法有两个限制条件：一是假设多用户间保持准同步；二是多径信道的延迟扩展必须限定在指定的范围内.3、UWB硬件系统同传统结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，图1给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中，信息可被不同技术调制，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过相关接受后处理，在经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接受机来说，实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，成本低，而且UWB接收机可全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。5四、超宽带无线通信的应用由于UWB通信利用了一个相当宽的带宽，就好像使用了整个频谱，并且它能够与其他的应用共存，因此UWB可以应用在很多领域，如个域网、智能交通系统、无线传感网、射频标识、成像应用。1、UWB在个域网中的应用UWB可以在限定的范围内（比如4m）以很高的数据速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）传输信息，这比蓝牙好很多。蓝牙的数据速率是1Mbit/s，功率是1mW。UWB能够提供快速的无线外设访问来传输照片、文件、视频。因此UWB特别适合于个域网。通过UWB，可以在家里和办公室里方便地以无线的方式将视频摄像机中的内容下载到PC中进行编辑，然后送到TV中浏览，轻松地以无线的方式实现个人数字助理（PDA）、手机与PC数据同步、装载游戏和音频/视频文件到PDA、音频文件在MP3播放器与多媒体PC之间传送等。2、UWB在智能交通信息中的应用利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时，该雷达会提醒司机。在停车的时候，这种基于UWB的雷达是司机强有力的助手。利用UWB可还以建立智能交通管理系统，这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。例如，实现不停车的自动收费、汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取、站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等。3、传感器联网利用UWB低成本、低功耗的特点，可以将UWB用于无线传感网。在大多数的应用中，传感器被用在特定的局域场所。传感器通过无线的方式而不是有线的方式传输数据将特别方便。作为无线传感网的通信技术，它必须是低成本的；同时它应该是低功耗的，以免频繁地更换电池。UWB是无线传感网通信技术的最合适候选者。4、成像应用由于UWB具有好的穿透墙、楼层的能力，UWB可以应用于成像系统。利用UWB技术，可以制造穿墙雷达、穿地雷达。穿墙雷达可以用在战场上和警察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人；地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜寻幸存者。基于UWB的成像系统也可以用于避免使用X射线的医学系统。由于UWB有着很多优点，它还可以用于智能标识、有线网络的无线延伸以及在军事方面用来实现超保密的通信系统。五、超宽带无线通信技术的未来发展前景随着超宽带无线通信技术的进步，很多超宽带方面的技术和产品相继问世，其市场价值和潜在的发展前景已经被业界所充分认识，探索更多的超宽带技术和应用领域应经成为各国无线通信新技术发展的主攻方向。传统的无线通信技术是建立在正弦载波的基础上的，但是由于传输方式之间存在差异，超宽带无线通信在传统的通信方式上的发展受到限制，怎样实现电路、电磁场理论与超宽带脉冲特点相互融合，探索出适合超宽带系统的无线通信传输理论和系统，是未来超宽带无线通信技术努力发展的方向。6在现代科技推动和世界各国科研人员的共同努力下，超宽带无线通信技术理论和应用将会逐渐成熟和完善，给人们生活带来较大便利的应用也会更多，更有效地发挥其强大的功能，服务和改善人们的生活。参考文献：[1]孟琰，史健芳.超宽带无线通信技术发展浅析[J].科学之友，，2012.6[2]周光义.超宽带无线通信技术的应用[J].通信规划与设计，2013.12[3]刘爱莲,杨秋萍.调制载波的超宽带技术及其实现方式[J].昆明冶金高等专科学校学报,2005.5