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UWB

UWB定义

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UWB(Ultra-Wideband)超宽带是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

 

UWB,一开始是使用脉冲无线电技术,此技术可追溯至19世纪。后来由INTEL等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案,由于两种方案的截然不同,而且各自都有强大的阵营支持,制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案,于是将其交由市场解决。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲,脉冲覆盖的频谱从直流至GHz,不需常规窄带调制所需的RF频率变换,脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的,其功率谱密度相当低,RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号,可采用OOK,对映脉冲键控,脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 (RF) 的常规无线系统,可视为在RF上基带传播方案,在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

  为进一步提高数据速率,UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱,采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱,FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距,金属探测,新一代WLAN和无线通信。为保护GPS,导航和军事通信频段,UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

  UWB无线通信是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式,也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比,UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲,因此这种通信方式占用带宽非常之宽,且由于频谱的功率密度极小,它具有通常扩频通信的特点。

UWB特点

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抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益。因此,与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比,在同等码速条件下,UWB具有更强的抗干扰性。传输速率高。UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s,有望高于蓝牙100倍,也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.11b。
  带宽极宽。UWB使用的带宽在1GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天,开辟了一种新的时域无线电资源。
  消耗电能小。通常情况下,无线通信系统在通信时需要连续发射载波,因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波,只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按0和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能小。
  保密性好。UWB保密性表现在两方面。一方面是采用跳时扩频,接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据;另一方面是系统的发射功率谱密度极低,用传统的接收机无法接收。

  发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面就广。

 

 

UWB应用

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UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一,但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势, 同时受发射功率的限制, 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域,如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外,通过降低数据率提高应用范围,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点;UWB 也适用于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民用领域。总的说来,UWB的用途很多,主要分为军用和民用两个方面。

 

  在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体;在民用方面,自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来, UWB的民用主要包括以下3 个方面:地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ;汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ;家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements system) 。下面对两个重要应用展开论述。

 

  UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位,例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量,再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析,得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号,其峰值功率为4W,工作频带范围为1. 3~1. 7 GHz ,相对带宽为27 % ,符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线,其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部,由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用,系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域,其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务,其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议,还可以用作紧急援助事件的通信。

 

  UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里,家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVDDVR数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里,正是"旧时王榭堂前燕,飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是:将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起,你可以在任何地方使用它们。举例来说,你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看,可以自由地同Internet交互信息,你可以遥控你的PC,让它控制你的信息家电,让它们有条不紊地工作,你也可以通过Internet联机,用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来,这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看,UWB技术无疑是一个很好的选择。


 

UWB的发展前景

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如前所述,UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下,已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比,UWB 具有巨大的数据传输速率优势,最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比, UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率,越来越多的研究者投入到UWB 领域,有的单纯开发UWB技术,有的开发UWB应有,有的兼而有之。相信UWB技术, 不仅为低端用户所喜爱,且在一些高端技术领域,在军事需求和商业市场的推动下,UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出,2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套,当年的收益将达到13. 9 亿美元。

 

  同先进国家相比较,我国在无线通信领域仍处于待开发状态,通过UWB技术的研究,可以充分发挥后发优势,研究将会更有方向性和针对性,因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平,促进我国在UWB技术方面的全面发展,同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品,建立新的经济增长点,具有重大意义。

 

UWB与其它短距离无线技术的比较

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从UWB的技术参数来看,UWB的传输距离只有10M左右,因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比,从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。

   (1)IEEE802.11a与UWB

   IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一,物理层速率在54Mbps,传输层速率在25Mbps,它的通信距离可能达到100M,而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内),IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大,UWB可以达到上千兆,是IEEE802.11a的几十倍;超过这个距离范围(即大于10M),由于UWB发射功率受限,UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看,UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看,10M以内,802.11a无法与UWB相比;但是在10M以外,UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比,802.11a的功耗相当大。

   (2)蓝牙(Bluetooth)与UWB

   蓝牙技术是爱立信IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定,如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm~10m。它采用2.4GHZ ISM频段和调频、跳频技术,速率为1Mbps。从技术参数上来看,UWB的优越性是比较明显的,有效距离差不多,功耗也差不多,但UWB的速度却快得多,是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看,蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟,但是随着UWB的发展,这种优势就不会再是优势,因此有人在UWB刚出现时,把UWB看成是蓝芽的杀手,不是没有道理的。

   (3)HomeRF与UWB

   HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术,借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议;而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ,这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口,每秒跳频50 次,即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ,有效范围约50m,其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比,各有优势:HomeRF的传输距离远,但速率太低;UWB传输距离只有HomeRF的五分之一,但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。

   总而言之,这些流行的短距离无线通信标准各有千秋,这些技术之间存在着相互竞争, 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法,就好像飞机又快又稳,也没有取代自行车一样,各有各的应用领域。

 

UWB与WLAN系统间兼容性分析

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1.1系统共存模型

    UWB系统信号频域范围极宽,它与WLAN系统(IEEE802.11a)在5.15~5.825GHz频段上是共享的。本文研究UWB系统与WLAN系统间共存正是基于这样的系统模型:以WLAN系统设备为中心,在以rmin为半径的范围内,不存在UWB系统设备,在以Rr为半径的范围以外,接收机接收到的WLAN信号可以忽略。rmin是UWB通信设备到WLAN接收机的最小距离;Rr是无UWB信号干扰下WLAN接收机最大的接收范围。

 

1.2仿真数学模型

    本文的仿真基于文献[4]中的数学模型。

    WLAN接收机接收到的UWB系统设备总的干扰功率可表示为:

    (1)

    其中

    (2)

    kagg为集合因子,综合了环境的影响;PUWB为一个UWB系统用户的发射功率;P为UWB用户的单位密度;λ为中心频率对应的波长;I(rmin,do)是一个传播衰减因素,它由二射线模型得出,决定于rmin、dmin两个参数,rmin是UWB通信设备到WLAN接收机的最小距离;dmin表示拐点。

    1.2.1无UWB信号的WLAN系统的信噪比数学模型

    在没有UWB信号干扰的情况下,WLAN系统的信噪比表示为:

    (3)

    其中,PT是在接入点得到的发射功率。

    1.2.2存在UWB信号干扰的信噪比数学模型

    UWB技术采用短脉冲信号来传送信息,通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz,而其设备的发射功率却很小。因此,对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声。接收机接收到的总噪声,它由以下几部分组成:

    N=No+NF+LIMP(4)

    No是热噪声;NL是接收机噪声;LIMP是接收机数字在处理过程中引入的噪声。

    在UWB-WLAN共存的模型中,WLAN系统接收到的信号信噪比用dBm来表示为:

    (5)

    PT是在接入点得到的发射功率;CONST是路径损耗,它是距离的函数。

    图2形象地表示了WLAN系统接收端信号的信噪比SNRmin

    图2  WLAN系统接收端信号的信噪比SNRmin

   

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