超宽带无线通信技术

zjol

张陆勇 周正

　　近来，人们可能会注意到，在通信领域出现了一个新的技术词汇——超宽带无线通信，实际上，超宽带无线电的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫、马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB（UltraWide Band）无线电，又称冲激无线电（Impulse Radio）技术，出现于1960年代，但其应用一直仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面。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，从而引起了世界各国的广泛关注，自1998年起，FCC对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC仍开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。

　　UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。一般认为-10dB相对带宽超过25％，或-10dB绝对带宽超过1.5GHz就称为超宽带，后来FCC又将此带宽值修改为500MHz。由计算信道容量的Shannon公式可知，在信道容量一定的情况下，带宽与信噪比可以互补。UWB的带宽非常宽，目前FCC开放的频段是3.1-10.6 GHz，故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于FCC规定的电磁兼容背景噪声电平（-41.3dBm—FCC Part15），所以短距离UWB无线通信系统与其他窄带无线通信系统可以共存。UWB的传输速率可达几十Mbps～几Gbps；其收发信机结构简单，成本低于全数字化；并且其固有的抗多径衰落功能很强。UWB发射脉冲持续时间远小于脉冲重复周期，平均发射功率很低，使UWB技术在实现超宽带信号时域波形高传输数据率的同时也有着低功耗的显著优点。超宽带技术在实现同样传输速率时，功率消耗仅有传统技术的1/10-1/100。另外，由于功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等非常突出的优点，能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。由于UWB信号定位精度高且具有很强的穿透能力，可探测地雷等地下物体、墙壁后方空间的物体，所以在透视成像雷达、人体医学成像、穿地探测雷达等方面也得到了越来越多的应用。

　　此外，UWB无线通信技术的另一优势是其单位区域内通信容量可超过每平方米1000Kbps，而IEEE802.11b仅为每平方米1Kbps，蓝牙技术为每平方米30Kbps，IEEE802.11a也只为每平方米83Kbps。UWB被称做是短距离无线通信技术的一张王牌，其应用十分广泛，该技术有望很快实用化，并在短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关领域得到普及。伴随着UWB对民用无线通信领域的开放，美国等发达国家的半导体厂商和设备制造商都在加紧研究开发实用系统。英特尔、TI、摩托罗拉和SONY等一些大企业将在近期进入超宽带技术无线数据通信市场。此外，美国的Time Domain、Multispectral Solutions以及美国XtremeSpectrum等企业也在进行UWB无线设备的开发和生产。

　　由于UWB信号是一种非正弦的窄脉冲，其所占的频带非常宽。所以传统的基于正弦电磁波，正弦信号谐振以及付氏变换的频域分析等电路设计理论已经不能适应超宽带无线系统的需求。自从19世纪初建立付氏变换的理论以及后来无线电技术的发明以后，近一个多世纪当中，无线通信传输理论基本上都是建立在正弦波的基础上的。正弦电磁波，波长和频率的概念在人们的头脑中是根深蒂固的。然而，如同匀速圆周运动仅是经典力学与天文学中的理想情况一样，在电磁场与电路理论等领域中，除了基于正弦函数的特例以外，还在更加广阔的空间。如非正弦电磁波在雷达中的成功应用、分形天线、Walsh函数、小波变换，UWB无线通信等都对传统的电磁场与电路理论提出了新的挑战。人们已经开始探索新的理论来解决所面临的新问题，如时域瞬态电磁学、超宽带电磁学、计算电磁学、序率理论等。但是，仅就超宽带无线通信系统而言，信号是纳秒至微微秒级的窄脉冲，其所涉及的频带从几KHz到几十GHz；对于该系统中的任一元件来说，如果要同时应用原有传统的电磁场理论，分布参数和集中参数电路理论或传输线理论来加以讨论求解，显然是不现实的。就是目前人们所采用的时域有限差分FDTD方法也是非常繁琐耗时的。而且，上述一些理论方法也只是针对某一种特定情况或特定的技术问题，大多还是以正弦波为基础的概念，尚未对UWB射频电路设计的许多实际应用问题给出更有效的手段。因此，人们迫切需求一种新的适应UWB应用的射频电路设计理论。

　　目前，国际上关于UWB在短距离无线通信领域的研究与开发已经进入制定标准的阶段，IEEE802.15.3a工作组已收到多项提案。UWB目前采用的主要调制方式有：脉冲幅度调制PAM；通断键控调制OOK；跳时脉位调制TH-PPM；跳时/直扩二进制移频键控调制TH/DS-BPSK。就上述四种调制方式而言，综合考虑可*性、有效性及多址性能等因素，目前广泛关注的后两种调制方式TH-PPM和TH-DS-BPSK。二乾的区别是在采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH-DS-BPSK的性能要优于TH-PPM。而对TH/DS-BPSK而言，在速率高时，应优先选择DS-BPSK方式，在速率低时，由于TH-BPSK受远近效应的影响要小，此时应选择TH-BPSK方式，在采用MMSE检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK的性能还是要优于TH-PPM系统，以往有关研究部门开展UWB的研究主要是集中在雷达技术的应用背景方面，基保对UWB天线、UWB雷达信号的检测以及高功率窄脉冲的产生等也得出了许多有益的研究成果；但是在我国电磁兼容的环境下，该项技术如何共存应用乃至频谱规则都是亟待解决的课题。在2002年召开的国际电联ITU-R第一研究组的全体会议上，确立了关于“使用超宽带的无线电设备与无线电通信业务之间兼容性”的新课题。该课题主要研究使用超宽带的无线电设备对现有电磁环境和无线电通信业务的影响，以及为了不对现有无线业务造成不可接受的干扰，对使用超宽带的无线电设备有何要求以及相应的计算方法等。近期我国国家无线电监测中心也与北京邮电大学等合作设立相应的研究课题，对制定我国相应的技术标准以及电磁兼容等方面的问题具有重要意义。目前，我国人口众多，商业经济活动非常密集，在频谱资源十分珍贵的情况下，短距离宽带无线通信的地位日趋重要，其各种应用将拥有巨大的市场；我国863计划也对此项技术给予关注，在个人通信领域设立了“超宽带无线传输技术的研究与开发”的子课题。

　　最近，值得注意的是有关超宽带无线通信标准化的新动向。一个称为多频带OFDM联盟（MBOA）的组织正式成立，该联盟的主要成员有美国英特尔、三菱电机、松下电器产业、荷兰飞利普电子、韩国SAMSUNG电子、美国Staccato Communications、美国德州仪器、美国Time Domain以及以色列的Wisair等企业，MBOA的主要宗旨是摒弃冲激无线电的超宽带方案，回过去来又力推其多频带的OFDM方案，即将FCC开放的从3.1-10.6GHz的7.5GHz的频段划分成十几个500-600MHz左右的子频带，然后在每个子频带上采用OFDM技术实现宽带无线通信。这样若同时利用多个子频带时就可以实现速率达到100-500MHz以上的超宽带无线通信。据分析，这里面显然有着技术方面以外的原因。因为，冲激无线电方案的倡导者量度些早期投身超宽带无线通信研究与开发的中小企业，主要以美国MSSI、XtremeSpectrum等企业为代表，他们拥有大量冲激无线电方案的发明专利；而后来居上的大企业显然不愿意受到这些专利的制约。因此，在制定超宽带无线通信标准的过程中，这两种方案竞争得非常激烈。表现在2003年7月21-25日在美国旧金山市召开的IEEE802.15.3a会议上，会上最初共有6个提案，到会议第三天（即23日）只剩下了由美国德州仪器和英特尔等企业为首的多频带OFDM联盟，和以美国XtremeSpectrum(XSI)为主的XSI联盟所提出的两个方案。第4天（即24日），在两联盟代表们进行小组公开讨论后进行了投票，结果多频带OFDM联盟获得88票，而XSI联盟得到67票。在随后举行的批准投票中，多频带OFDM联盟必须得到75%的赞成票才能成为最终统一标准方案。但最后的结果是95票赞成，63票反对。赞成票仅为全部投票数的约60％，没有达到75％，没能实现超宽带标准的统一。职能留待2003年9月14日至19日在新加坡召开的下一次会议上加以解决，不过要达成统一的超宽带标准也并不容易，大家将拭目以待。


摘自　中国无线通信