超宽带无线通信技术和应用领域

超宽带无线通信技术和应用领域

摘要：首先简要介绍了超宽带（UWB）的系统框架，而后介绍了其主要技术特征和标准化情况，最后对UWB技术的应用前景进行了展望。

关键字：超宽带、MB-OFDM、DS-CDMA、IEEE802.15.3a、无线USB、蓝牙

一、概述

　　超宽带UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，起源于上世纪60年代，过去仅应用在军事雷达和定位设备中。随着无线通信技术的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出。UWB利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一。所以UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式。

　　UWB系统的完整架构如图 1所示。最下层为物理层和MAC层，在其上为汇聚层，汇聚层的上面就是应用层的无线USB、无线1394和其他的应用环境。而本文下面提到的MB-OFDM和DS-CDMA均属于物理层和MAC层的技术方案。
 

 

图 1 UWB系统架构

二、UWB的两大技术标准

　　2003年，在IEEE802.15.3a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）和直接序列码分多址（DS-CDMA）三种方案，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。下面分别对这两种方案进行介绍。

1．MB-OFDM和DS-CDMA方案技术特征

　　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，而且由于OFDM技术能使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通信距离也会较远。

　　DS-CDMA最早是由XtremeSpectrum公司提出的。它采用低频段（3.1~5.15GHz）、高频段（5.825~10.6GHz）和双频带（3.1~5.15GHz和5.825~10.6GHz）三种操作方式。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。

　　表 1给出了MB-OFDM和DS-CDMA两种方案的主要技术参数。
 

表 1 MB-OFDM和DS-CDMA两种方案的主要技术参数

 

2．UWB标准化现状

　　从以上两种技术方案提出之日起，IEEE802.15.3a工作组中就一直不能达成一致。从技术上来讲，MB-OFDM和DS-CDMA是无法彼此妥协的，DS-UWB曾提出一个通用信令模式，希望与MB-OFDM兼容，但被MB-OFDM拒绝。经过三年没有结果的争辩竞争，IEEE802.15.3a工作组宣布放弃对UWB标准的制定，工作组随即解散。

　　IEEE802.15.3a工作组解散后，MB-OFDM的支持者WiMedia论坛转而取道ECMA/ISO想要激活标准。2005年12月，WiMedia与ECMA International (国际欧洲计算机制造商协会)合作制定并通过了建立ECMA 368/369。ECMA 368/369基于MB-OFDM技术，支持的速率高达480Mbps以上。ECMA已向ISO提交此标准，据称该标准有望于今年第四季度成为ISO标准。

三、UWB技术的应用前景

　　随着IEEE802.15.3a工作组的解散，双方将继续在技术上竞争，也许市场将决定哪种技术最终获胜。图 2给出了UWB的应用领域，可见UWB的应用遍及个人电脑，消费电子产品以及移动通信领域。
 

 

图 2 UWB应用领域

（1）PC及外围设备

　　UWB技术可以为PC用户提供取代线缆的无线USB，从而为PC和打印机、扫描仪、键盘、显示器等外围设备提供无线的连接。

（2）移动电子类设备和通信设备

　　一旦PC采用UWB作为短距离线缆的替代方案，数码相机、数码摄像机以及移动消费电子类产品将随之改变。UWB技术不仅可将所有的影像捕捉设备与个人电脑互联，而且可以将其直接连接到显示设备、打印机和P2P设备；而UWB技术也使得移动电话变成个人服务器，可以直接与个人电脑、打印机、大屏幕显示器、扬声器和汽车电器互联。

（3）家庭消费电子类产品

　　UWB技术将会消除家庭娱乐设备之间的电缆，并且将提供个人电脑，家庭娱乐设备以及消费电子设备之间的无线互联。

　　在UWB相关应用方面，MB-OFDM已被USB-IF采纳为无线USB的技术；同时，今年3月份，Bluetooth SIG（Bluetooth Special Interest Group，蓝牙特别兴趣小组）宣布将结合MB-OFDM技术和现有蓝牙技术，从而实现新的高速传输应用。相比之下，DS-CDMA的发展就略逊一筹，为了抢占庞大的USB市场，今年1月份，UWB Forum成立了Cable-Free USB Initiative，开发其自有的无线USB规范。

　　在尚未明朗的无线1394领域，就两大联盟的参与者来看，UWB Forum中有SONY的参与，而SONY在家电等相关产品中有相当程度的影响力，所以在无线1394的发展上，UWB Forum的实力仍不可小视。

四、总结

　　2006年1月IEEE宣布解散802.15 TG3a工作小组，UWB未来的发展就交由市场来决定，WiMedia-MBOA和UWB Forum两大阵营的竞争更加白热化。从两大联盟的参与者和目前相关应用采纳程度来看，WiMedia-MBOA已获得USB IF和Bluetooth SIG的接纳，未来在PC相关应用发展上有较大优势；而UWB Forum则有移动设备相关制造商Freescale、Motorola以及家电制造商SONY的支持，未来在通信和消费电子类产品的应用应该可占有一席之地。