超宽带无线通信及其两大标准

韩国舞族

　主要先容了超宽带（UWB）无线通信技术的基本概念、技术演化、主要特点和其他短距离无线通信技术性能的比较。本文也分析比较了UWB的两大技术标准（DS-CDMA和MB-OFDM），并对其当前的应用和未来的发展做了相关的论述。

关键词　超宽带　MBOA　MB-OFDM　DS-CDMA

1、引言

　　UWB（Ultra-Wide Bandwidth，超宽带）脉冲无线电技术是近年来在国际上新兴的一种无线通信技术。一般的通信系统通过发送射频载波进行信号调制，而UWB通信系统则不同，它不采用载波，而是利用纳秒级的窄脉冲形式传输数据。

　　美国市场研究机构ABI在其最近的一个报告中指出，未来几年，超宽带无线技术可能在多个应用领域扩大其市场份额，特别是家庭和消费网络设备中的无线视频、音频和数据应用。

2、超宽带技术

　　UWB技术最早出现在20世纪60年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激响应完整地描述某一类微波网络的瞬时特性。1972年，一种高灵敏的短脉冲接收设备研制成功，进一步加速了UWB技术的研究进展。直到1989年，超宽带（UWB）这一术语才为美国国防部（DARPA）启用。在此之前，这项技术常被称为基带无载波（baseband carrier-free）调制或冲激（impulse）无线电技术。2002年2月14日，这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会（FCC）的批准用于民用通信，这一举措有力的推动了UWB的发展。

　　2.1　超宽带（UWB）的定义

　　超宽带的定义随着超宽带的发展几经变化。2002年美国联邦通信委员会（FCC）颁布了最新的UWB频谱规划，并规定只要一个信号在-10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或部分带宽（fractional bandwidth）大于20%，并且满足FCC功率谱密度限制要求的信号，则这个信号就是超宽带信号。这是目前学术界和企业界均较为认可的定义。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段3.1～10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。部分带宽定义为：

　　

　　其中fH和fL分别为发射天线输出-10dB辐射点所对应的上下频点。

　　从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而UWB技术是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有吉赫兹量级的带宽。由计算信道容量的Shannon公式（见下式）可知，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、信噪比的降低而增加。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，它开发了一个具有吉赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。

　　Shannon信道容量公式：

　　  
　　其中：

　　C=最大通道容量

　　B=通道的带宽

　　S=信号功率

　　N=噪声功率

　　2.2　超宽带（UWB）的特点

　　（1）保密性好。UWB利用发送脉冲信号传送数据。每秒可发送10亿个代表0和1的脉冲信号，这些信号被分布在一个很宽的频谱范围内，非常难被侦测到。在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，有用的信息完全掩藏在噪声中，所以从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。

　　（2）耗电量低。通常情况下，无线通信系统在通信时要连续发射载波，因此要消耗电能。而UWB不使用载波，它的载体是占空比极低的窄脉冲，因此耗电量上以往系统的1%～10%。

　　（3）传输速率高、辐射低。UWB是当今个人无线网领域最高速的接入方法，特别适合短距离（20m）通信技术。DS-UWB成品目前已经达到110Mbit/s的传送能力，并将在2006年有望达到1.6Gbit/s。UWB辐射极低，只有-41dBm/MHz。

　　（4）抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号，在发射时脉冲信号将分布到宽阔的频带中，输出功率极低。

　　（5）UWB无线通信技术能够在同一条光缆上快速、高容量的视频、音频和数据信号，可将网络和电视等电器结合在一起，实现电器的“掌控”。

　　（6）低成本。UWB技术无需进行射频调治和解调，系统设计简单，复杂性低，由此设备的成本低。

　　2.3　与其他短距离无线通信技术的比较

　　2.3.1　UWB与IEEE 802.11a

　　IEEE 802.11a是美国电气和电子工程师学会（IEEE）为了改进其最初推出的无线标准IEEE 802.11而推出的无线局域网络协议标准。IEEE 802.11a工作在5GHz频带，物理层速率可达54Mbit/s，传输层可达25Mbit/s。IEEE 802.11a用作无线局域网时的通信距离可以达到100m，而UWB只能在10m以内的范围通信，这对UWB来说是个劣势。但与UWB相比，IEEE 802.11a芯片价格昂贵、点对点连接很不经济。

　　2.3.2　UWB与HomeRF

　　HomeRF是由HomeRF工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在PC机和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。作为无线技术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔记本电脑和Internet应用设备提供了漫游功能。HomeRF工作频段是2.4GHz，支撑数据和音频。与UWB相比，HomeRF传输距离远，但速率太低。

　　2.3.3　UWB与蓝牙技术

　　蓝牙（Bluetooth）技术是一种支撑点对点或点对多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；工作于2.4GHz的ISM（即工业、科学、医学）频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；Bluetooth的每一个话音通道支撑64kbit/s的同步话音，异步通道支撑的最大速率为721kbit/s。

　　Bluetooth的通信速率通常在1Mbit/s以下，通信距离可以达到10m以上。而UWB的通信速率在几百兆比特每秒，通信距离仅有几米，因此二者的应用领域不尽相同。

　　总之，这些短距离无线通信技术各有其应用领域，表1比较了UWB与其他短距离无线通信技术的区别。

表1　UWB与几种短距离无线通信技术的比较

                   UWB               IEEE 802.11a         HomeRF             Bluetooth               
频率范围   3.1～10.6GHz    5GHz                      2.4GHz               2.4～2.4835GHz
传输速率   1Gbit/s              54Mbit/s                1～10Mbit/s        1Mbit/s               
通信距离    ＜10m              10～100m               50m                   10m                  
发射功率    ＜1mW            ＞1W                       ＞1W                 1～100mW         
应用范围  近距离多媒体       无线局域网                家庭语音和数据流  家庭和办公室互连  

3、UWB的两大技术标准

　　2003年，在IEEE 802.15.3a工作组征集提案时，Intel、TI和XtremeSpectrum分别提出了多频带（Multiband）、正交频分复用（OFDM）、直接序列码分多址（DS-CDMA）3种方案，后来多频带方案与正交频分复用方案融合，从而形成了多频带OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA两大方案。

　　UWB无线通信市场巨大，各大企业竞相争逐，主要存在两大对立阵营：以美国TI、Intel等企业为首的MBOA（MB-OFDM联盟）；以美国XtremeSpectrum、Freescale等为主的DS-CDMA联盟。

　　超宽带无线技术是采用DS-CDMA技术还是MB-OFDM技术体制，是当前UWB技术领域争论的最为激烈的话题。下面将分别对这两种体制先容和比较。

　　3.1　MB-OFDM技术

　　MB-OFDM的核心是把频段分成多个528MHz的子频带，每个子频带采用TFI-OFDM（时-频交织正交频率复用）方式，数据在每个子带上传输。传统意义上的UWB系统使用的是周期不足1ns的脉冲，而MB-OFDM通过多个子带来实现带宽的动态分配，增加了符号的时间。长符号时间的好处是抗ISI（符号间干扰）能力较强。但是这种性能的提高是以收发设备的复杂性为代价的，而且还要考虑子信道间干扰（ICI）的影响。MB-OFDM将在性能方面具有优势（初期速度高达480Mbit/s），而且由于OFDM技术使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通讯距离也会较远。表2列出了MB-OFDM的主要技术参数。

表2　MB-OFDM主要技术参数

技术参数 MB-OFDM                     
频带数量 10（第一代为3）            
频带带宽 每个子频带528MHz         
频率范围 1组：3.168～4.752GHz
              2组：4.752～6.336GHz
              3组：6.336～7.920GHz
              4组：7.920～9.504GHz
                5组：9.504～10.560GHz
调制方式 TFI-OFDM，QPSK         
纠错编码 卷积码                           
复用方式 TFI                                
链路余量 5.3dB/10m，110Mbit/s
             10.0dB/4m，200Mbit/s
             11.5dB/2m，480Mbit/s

　　3.2　DS-CDMA技术

　　DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum企业提出。DS-CDMA采用低频段（3.1～5.15GHz），高频段（5.825～10.6GHz）和双频带（3.1～5.15GHz和5.825～10.60Hz）3种操作方式。低频段方式提供28.5～400Mbit/s的传输速率，高频段方式提供57～800Mbit/s的传输速率。

　　DS-CDMA在每个超过1GHz的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用24个码片的DS-SS（直接序列扩频）实现编码增益，纠错方式采用R-S码和卷积码。与MB-OFDM相比有较好的频率利用率。表3列出了DS-CDMA的主要技术参数。

表3　DS-CDMA的主要技术参数

技术参数 DS-CDMA                  
频带数量 2                                
频带带宽 1.268～2.736GHz      
频率范围 3.2～5.15GHz            
              5.825～10.6GHz        
调制方式 BPSK，QPSK，DS-SS   
纠错编码 RS码，卷积码               
复用方式 CDMA                          
链路余量 6.7dB/10m，110Mbit   
             11.9dB/4m，200Mbit
             1.7dB/2m，480Mbit

4、UWB通信标准的现状

　　MB-OFDM和DS-CDMA都有各自的优缺点。DS-CDMA技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，对现有的、许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低、上市的时间较短，易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，可实现更高速的无线数据传输，应用于媒体流及大量的数据传输；MB-OFDM技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带，灵活配置，速率的扩展性好。

　　从2003年7月至今，国际电信联盟（ITU）相继为UWB标准问题召开过数次会议，但是都没有获得75%以上的赞成票，因此，UWB标准一直悬而未决。从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的。从产品上来讲，DS-CDMA在开始的时候走在了前面。它的样品在2004年初的时候已经展出，但之后的进展比较缓慢。而MBOA正迎头赶上，它设计的芯片显示它能以最高达480Mbit/s的速度发送数据。相比较于DS-CDMA目前芯片在成本、体积和功耗上占有较大的优势。