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UWB無(wú)線個(gè)人通信技術(shù)的概念

瀏覽:8225  來(lái)源:通信人在線  日期:2020-09-08

 

多年來(lái),超寬帶UWBUltra-Wide Bandwidth)短距離無(wú)線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視,它是一種全新的、與傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)有著極大差異的通信新技術(shù),它解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題,開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有千兆赫茲容量的新無(wú)線信道。它還具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲與檢測(cè)的概率低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)適用于高速、近距離的無(wú)線個(gè)人通信,尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入和軍事通信應(yīng)用中。超寬帶技術(shù)優(yōu)越的特性,越來(lái)越受到人們的普遍重視和研究。

一、超寬帶UWB的概念

超寬帶是一種技術(shù)的設(shè)備,所謂超寬帶技術(shù)(UWTUltra Wideband Technology),即用于短距離無(wú)線電通信的技術(shù),其中涉及在極大頻率范圍內(nèi)分布的射頻能量的有用生成和發(fā)射,此頻率范圍可能與分配給無(wú)線電通信業(yè)務(wù)的若干頻帶相重疊。UWB是一種無(wú)載波通信技術(shù),利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。

1989年美國(guó)國(guó)防部首次使用了“超寬帶”(UWB)這一術(shù)語(yǔ),其概念是指產(chǎn)生、傳輸、接收一段持續(xù)時(shí)間非常短(納秒或納秒級(jí)以下)的爆發(fā)式射頻能量脈沖。通過(guò)傅里葉變換理論知道,這樣的時(shí)域脈沖在頻域中有很寬的帶寬。

二、超寬帶UWB的歷史

超寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),大約出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,那時(shí)的名稱有脈沖無(wú)線電(Impulse Radio, IR)、基帶(Baseband)傳輸、無(wú)載波(Carrier Free)技術(shù)等。當(dāng)時(shí)研究主要是受時(shí)域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)行為。在20世紀(jì)70年代獲得了重要的發(fā)展,其中多數(shù)集中在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中。美國(guó)國(guó)防部在1989年首先使用了“超寬帶”(UWB)這一術(shù)語(yǔ)。

UWB技術(shù)一直是美國(guó)軍方使用的作戰(zhàn)技術(shù)之一,直到2002422,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC批準(zhǔn)了民用的超寬帶無(wú)線技術(shù),并且給出了超寬帶信號(hào)的定義。定義相對(duì)帶寬大于20%~25%,或絕對(duì)帶寬大于500MHz的信號(hào)為超寬帶。根據(jù)UWB系統(tǒng)的具體應(yīng)用,分為成像系統(tǒng)、車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)、通信與測(cè)量系統(tǒng)三大類(lèi)。

后來(lái),新技術(shù)和系統(tǒng)方案不斷涌現(xiàn),出現(xiàn)了基于載波的多帶脈沖無(wú)線電超寬帶(IR-UWB)系統(tǒng)、基于直擴(kuò)碼分多址(DS-CDMA)的UWB系統(tǒng)、基于多帶正交頻分復(fù)用(OFDM)的UWB系統(tǒng)等。

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三、超寬帶UWB的技術(shù)

如果用fHfL表示能量功率譜密度的上、下限頻率(FCC規(guī)定為功率譜密度衰減為-l0dB的輻射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高低端頻點(diǎn))。絕對(duì)帶寬指fH ~ fL,也稱能量帶寬;相對(duì)帶寬,也稱分?jǐn)?shù)帶寬(Fractional Bandwidth),定義為

fH - fL/fH + fL/ 2

其中(fH + fL/ 2為中心頻率。

按照FCC Part15的規(guī)定,在無(wú)需授權(quán)機(jī)制下,從3.1GHz~l0.6GHz之間7. 5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。

UWB與其他技術(shù)(如GPRS、移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)、WLAN等)的產(chǎn)品存在同頻和鄰頻干擾問(wèn)題,如圖1所示。為避免對(duì)現(xiàn)存通信系統(tǒng)潛在的可能干擾,FCC對(duì)其輻射功率作出了嚴(yán)格的限制,將其等效各向同性輻射功率(EIRP)限制在-41.3dBm/MHz以下,相當(dāng)于帶寬為1MHz的輻射體在3m距離處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)不得超過(guò)500μV/m,功率譜密度小于75 NW/MHz。圖2所示的是FCC制定的UWB設(shè)備室內(nèi)和室外輻射功率的限制指標(biāo),圖中包含了對(duì)帶外輻射的限制。

1鄰頻干擾                                                    2FCC制定的UWB設(shè)備的輻射掩蔽

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四、UWB技術(shù)與傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的區(qū)別

超寬帶和其它的“窄帶”或者是“寬帶”重要有兩方面的區(qū)別:

1、超寬帶的帶寬: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1.5GHz,或信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%為超寬帶;信號(hào)帶寬與中心頻率之比在1%~25%之間為寬帶,小于1%為窄帶,可見(jiàn)UWB的帶寬明顯大于目前所有通信技術(shù)的帶寬。

2、超寬帶的無(wú)載波傳輸方式:傳統(tǒng)的“窄帶”和“寬帶”都是采用無(wú)線電頻率(RF)載波來(lái)傳送信號(hào),載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化,從而利用載波的狀態(tài)變化來(lái)傳輸信息。相反的,超寬帶以基帶傳輸。實(shí)現(xiàn)方式是發(fā)送脈沖無(wú)線電(IR)信號(hào)傳送聲音和圖像數(shù)據(jù),每秒可發(fā)送多至10億個(gè)代表01的脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)的時(shí)域極窄(0.11.5納秒),頻域極寬(數(shù)Hz到數(shù)GHz,可超過(guò)10GHz),其中的低頻部分可以實(shí)現(xiàn)穿墻通信。UWB脈沖信號(hào)的發(fā)射功率都十分低,僅僅相當(dāng)于一些背景噪音,不會(huì)對(duì)其他窄帶信號(hào)產(chǎn)生任何干擾。由于UWB系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低,因而被截獲概率很小,被檢測(cè)概率也很低,與窄帶系統(tǒng)相比,有較好的電磁兼容和頻譜利用率。

3、超寬帶的耗能:傳統(tǒng)的無(wú)線通信在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)出載波,要消耗不少電能。而UWB是發(fā)出脈沖電波----直接按照01發(fā)送出去。由于只在需要時(shí)發(fā)送脈沖電波,因而大大減少了耗電量(僅為傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的1/100)。

4、超寬帶的無(wú)載波技術(shù):UWB不使用載波,而是使用短的能量脈沖序列,并通過(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。這兩種技術(shù)是目前TG3aIEEE 802.15.3a Task GroupIEEE 802.15.3a任務(wù)組)所討論的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)提議的基礎(chǔ)。UWB使用的電波帶寬為數(shù)GHz,與帶寬20MHz左右的無(wú)線LAN相比,UWB利用的帶寬高出數(shù)百倍。與普通二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)信號(hào)波形相比,UWB方式占用帶寬非常寬,且由于頻譜的功率密度極小,它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。不要說(shuō)BPSK等信號(hào),即使與通常的擴(kuò)頻信號(hào)(2.4GHz頻段無(wú)線LAN的幾十MHz帶寬)相比,也是超寬帶寬(數(shù)GHz帶寬)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號(hào)(2.4GHz無(wú)線LAN低于10mW/MHz)UWB信號(hào)也低得多(低于10nW/MHz)。在與其它系統(tǒng)共存時(shí),不僅難產(chǎn)生干擾,而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。而且由于脈沖的時(shí)間寬度極小,能把多路徑分得更小,能實(shí)現(xiàn)RAKE接收(匯集接收許多方向的電波)。通信速度為數(shù)百M~1Gbit/秒,與高速有線LAN旗鼓相當(dāng)。

五、超寬帶UWB技術(shù)的特點(diǎn)

UWB是一種“特立獨(dú)行”的無(wú)線通信技術(shù),它將會(huì)為無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)的接口卡和接入技術(shù)帶來(lái)低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信技術(shù)。

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