UWB的特点及在短距离无线通信中的应用前景

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:UWB是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术,本文介绍UWB的主要特点及相关应用,详细比较了UWB通信与IEEE802.11、Bluetooth和HomeRF等现有短距离无线通信的异同,并对UWB在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。 关键词:UWB IEEE802.11 Bluetooth HomeRF 超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术起源于20世纪50年代末,此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展,人们对高速无线通信提出了更高的要求,超宛带技术又被重新提出,并倍受关注。UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的通信方式使用连续的载波不同,UWB采用极短的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,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,对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声,因此从理论上讲,UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以,UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式,它有望在无线通信领域得到广泛的应用。目前,Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在进行UWB无线设备的开发和推广。 1 UWB的主要特点及其应用 鉴于UWB信号是持续时间非常短的脉冲串,占用带宽大,因此它有一些十分独特的优点和用途。在通信领域,UWB可以提供高速率的无线通信。在雷达方面,UWB雷达具有高分辨力(ns级)。当前的隐身技术采用的是隐射涂料和隐身特殊结构,但都只能在一个不大的频带内有效,在超宽频带内,目标就会原形毕露。UWB雷达还具有很强的穿透能力,UWB信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质,因此军事上UWB雷达可用来探测地雷,民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。在定位方面,UWB可以提供很高的定位精度。UWB使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体,定位误差只有一两厘米。也就是说,同一个UWB设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。 UWB无线通信除了带宽大,通信速率高之外,还有更多的优点。首先,UWB通信的保密性强。UWB系统的发射功率谱密度非常低,有用信息完全淹没在噪声中,被截获概率很小,被检测的概率也很低,这一点在军事通信上有很大的应用前景。其次,UWB通信采用调时序列,能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化,而UWB系统每次的脉冲发射时间很短,在反射波到达之前,直射波的发射和接收已经完成。因此,UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是,UWB通信又被称为是无载波的基带通信,UWB通信系统几乎是全数字通信系统,所需要的射频和微波器件很少,这样可以减小系统的复杂性,降低成本。可以说,低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。 当然,UWB通信也存在不足,主要问题是UWB系统占用的带宽很大,UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统,因此UWB系统的频率许可问题一直在争论之中;另外,还有学者认为,尽管UWB系统发射的平均功率很低,但是由于它的脉冲持续时间很短,它的瞬时功率峰值可能会很大,这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用,2002年2月美国通信协会(FCC)批准了UWB用于短距离无线通信的申请。 UWB的用途有很少,主要分为军事和民用两个方面。在军事上UWB可以用于低截获率(LPI/D)的内部无线通信系统、LPI/D地波通信、LPI/D高度计、战场手持和网络LPI/D电台、UWB雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地址目标等等。在民用方面,UWB可用于20Mbps以上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位、无线标签和工业射频监控等。 2 UWB通信与其它短距离无线通信的比较 UWB技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同,它将会为无线局域网(LAN)和个人局域网(PAN)的接入带来低功耗、高带宽并且相对简单的解决方案。超宽带技术解决了困扰传统无线电技术多年的诸如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等重大难题,但是UWB通信不会很快取代现有的其它无线通信技术。 虽然UWB通信中所须的频带宽度相当大,从500MHz直至几GHz。如英特尔的样机使用的就是从2GHz频带至6GHz频带之间的4GHz带宽。但实际上并不存在如此之宽的空闲频带,无论采取什么办法,UWB通信使用的频带与现有无线通信使用的频带必定会发生重叠,为了避免UWB通信对其它系统的干扰,UWB用户人事科有必须申请频率许可。2002年2月FCC准许UWB技术进入民用领域的条件就是:“在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(换算成功率则为1mW/MHz)的条件下,可将3.1GHz~10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测蹑和无线数据通信"。发射功率的大小决定了传输距离,按照FCC的规定,UWB通信在近期内将只可能用于极短距离的无线通信,这就意味着在一定时期内UWB将会与现有短距离无线技术共同生存,共同发展。 (1)UWB与IEEE802.11a IEEE802.11a是IEEE最初制定的一个无线局域网标准之一,它主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入,工作在5GHzU-NII频带,物理层速率54Mbps,传输层速率25Mbps。采用正交频分复用(OFDM)扩频技术;可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口,以及TDD/TDMA的空中接口,支持语音、数据、图像业务。IEEE802.11a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。根据英特尔照FCC的规定而进行的演示结果显示,对于10m以内的距离,UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能,但是在20m处反倒是IEEE802.11a/b的无线局域网网设备更好一些。因此在目前UWB发射功率受限的情况下,UWB只能用于10m以内的高速数据通信,而10m到100m的无线局域网通信,还需要由802.11来完成,当然与UWB相比,802.11的功耗大,传输速率低。 (2)UWB与Bluetooth 自从2002年2月14日,FCC顶住多方面的压力批准UWB用于无线通信以来,就不断有人将UWB评论为蓝牙(Bluetooth)的杀手,因为从性能价格比上看,Bluetooth是现有无线通信方式中最接近UWB的,但是UWB真的会取代Bluetooth吗?从目前的情况看,答案是否定的。首先从应用领域来看,Bluetooth工作在无须申请的2.4GHz ISM频段上,主要用来连接打印机、笔记本电脑等办公设备。它的通信速率通常在1Mbps以下,通信距离可以达到10m以上。而UWB的通信速率在几百Mbps,通信距离仅有几米,因此二者的应用领域不尽相同。其次,从技术上看,经过多年的发展,Bluetooth已经具有较完善的通信协议。Bluetooth的核心协议包括物理层协议和链路接入协议,链路管理协议及服务发展协议等等,而UWB的工业实用协议还在制定中,估计要等到2004年才可能初步确定。还有,Bluetooth是一种短距离无线连接技术标准的代称,蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准,从这方面讲,UWB可以看作是采用一种特殊无线电波来高速传送数据的通信方式,严格地讲,它不能构成一个完整的通信协议或标准。考虑到UWB高速、低功耗的特点,也许在下一代Bluetooth标准中,UWB可能被用做物理层的通信方式。最后,从市场角度分析,蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用,而UWB的研究还处在起步阶段。基于以上原因,在未来的几年内,UWB和Bluetooth更有可能既是竞争对手,又是合作朋友。 (3)UWB与HomeRF 家庭射频(HomeRF)标准是由HomeRF工作组开发的,旨在家庭范围内,使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合,使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF采用了扩频技术,工作在2.4GHz频带,能同步支持4条高质量语音信道,但是HomeRF的传输速率只有1M~2Mbps。由于HomeRF技术没有完全公开,目前只有几十家小企业支持,在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺,因此它的应用前景还不是十分明朗。同IEEE802.11一样,HomeRF的通信距离比UWB远,而传输速率比UWB低,在UWB发射功率受限的前提下,二者应该是各有千秋。 结合上述讨论,可以用表1对四种短距离无线通信做个简单的比较。 表1 4种短距离无线通信比较   IEEE802.11a Bluetooth HomeRF UWB 传输速率 54Mbps 小于1Mbps 1-2Mbps 可高达500Mbps 通信距离 10m-100m 10m 50m 小于10m 发射功率 1瓦以上 1毫瓦-100毫瓦 1瓦以上 1毫瓦以下 空间容量 80Kbps/m 30Kbps/m2 50Kbps/m2 1000Kbps/m2 应用范围 无线局域网 计算机等家庭和办公室设备互连 家庭语音和数据流 近距离多媒体 终端类型 笔记本,台式电脑,掌上电脑和因特网网关 笔记本,移动电话,掌上电脑,移动设备 笔记本,无绳电话,无线音响,移动设备 无线电视,DVD高速因特网 网关 主要支持公司 Cisco,Lucent,3Com Ericsson,Nokia Motorola Apple,Dell Compaq Intel,Motorola,Sony,Sharp 3 家庭无线通信是UWB的发展方向之一 虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用,但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法,如果要提高通信速率,必须要提高数字信号处理器的处理速度,这势必要增加系统的成本和功耗,高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而,家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先,为了满足无线数字视频的要求,家庭无线互连产品需要更高的通信速率,以无线高清晰数字电视(WHDTV)为例,如果采用MPFG2HD数据格式,则视频数据流的速率高达25Mbps;其次,要想家庭无线通信产品走向千家万户,系统成本必须很低,市场调查表明,如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出30%,将很难被众多的消费者所接受;还有,家庭无线通信产品中用到嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电,因此它们的功耗必须很低。也就是说,家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点,按照传统的无线电设计方案,无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。 IEEE802.11a是现有无线通信标准中,唯一能在通信速率上满足无线视频数据流实时传送要求的。它的最高速率是54Mbps,有效速率是25Mbps,考虑到MAC接入协议,实现传送数据流的速率还要更低一些。然而,IEEE802.11a是按照与Ethernet接入相类似的分组方式设计的,因此它不太适合用于实时传输视频数据流。还有,IEEE802.11a的功耗大概在1.5W到2W之间,因此综不能用于电池供电的小型设备。更重要的是,一个IEEE802.11a网络接入卡(NIC)售价大概是150~200美元,这样的价格很难被家庭消费者所接受。因此IEEE802.11a更适合于用在对价格和功耗要求不是很高的公用无线局域网里,况且当时IEEE专家设计IEEE802.11a时也根本没有考虑过将它用在家庭无线通信网上。 目前,现有技术中被认为最有可能进入家庭无线通信互连的是Bluetooth,因为在价格和功耗上它很有竞争力,然而,Bluetooth的传输速率不到1Mbps,极限速率也只有10Mbps。按照这样的速率计算,如果用Bluetooth来传送一部两小时的电影可能需要10个小时,这显然不能被用户所接受。20多年前,FCC提出Bluetooth标准时,仅仅是希望将它用在无线耳机上,经过20多年的努力,Bluetooth已经发展成为最主要的低速率的点到点无线通信技术。利用Bluetooth,可以很好地实现笔记本电脑、PDA、移动电话等设备之间的低速率数据通信,但是FCC从来没有考虑过将Bluetooth发展成为高速率数据通信或者是无线网络互连技术,从这一点来讲Bluetooth也很难进入家庭无线网。 HomeRF是专门为家庭无线互连提出的,它可以很好的实现计算机、打印机、MP3以及其它家用电器之间语音和数据的通信和互连,但是,HomeRF的有效传输速率只有2Mbps,工作在10Mbps以上将严重影响它的性能,这就决定了它不可能进入无线HDTV,视频游戏等宽带家庭无线通信领域。更重要的是HomeRF的技术还不成熟,HomeRF标准缺少Intel等大公司的支持,它的推广和应用前景并不被业界看好。 与传统的无线电设计方法不同,UWB是高速、低成本和低功耗的无线通信方式,因此它可以满足家庭无线电消费市场的需求。尽管UWB的通信距离很短,使得它不能像其它一些无线通信方式那样一点接入宽带网络,从而使整个家庭构成一个总线型的网络,但是UWB本身的带宽很宽,在接入上一级网络的同时,UWB还可以作为下一级网络的网关,从而使得整个家庭组成一个星型网络。从网络的拓扑结构来说,星型网络可能更有效,更可靠。 随着消费电子的高速发展,数字电视、音频和视频接收机、DVD、卡拉OK、MP3播放器和数码相机等娱乐设备必将进入千家万户。可以想象,在不久的将来,采用UWB技术,无须架设电缆,仅仅需要小小的网关和收发器,就可以组建一个真正的无线家庭剧院。根据市场调查,整个美国的家庭无线网络市场在2004年将达到35亿美元,2006年将达到49亿美元,而中国和亚洲的市场潜力更大。市场分析表明,除了无线局域网和蓝牙等产品已经占领和即将占邻的部分市场外,还有很大一部分的家庭无线通信市场尚未开发,这意味着UWB将会在家庭无线通信领域大有作为。目前,众多的OEM生产商正盼着UWB通信标准和相关产品早日成熟并投入实用。
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