网络关联技术:短距离无线传输新宠——UWB

2/18/2005来源:网络经济人气:10389

    今年年初,美国有线新闻网(CNN)公布了2004年最有影响的十大热门技术,超宽带无线技术(UWB)荣登榜首。UWB究竟是何方神圣?

  其实,人们对短距离无线传输的需求有增无减,而目前的技术还不能满足这种需求。未来的短距离无线技术需要考虑通信的普遍特性和 "任何人、任何时间、任何地点"的连接性。这要求新的无线通信系统是现在和未来无线系统的综合,包括局域网、无线局域网(wlan)、无线个人局域网(WPAN)、无线个域网(WBAN)、自组织网络(Ad Hoc)和家用局域网,可以连接计算机和各种娱乐设备等,使用户能够管理各种信息,完全接入到各种数据。对各种不同的通信链路比如人-人、人-机、机-人、机-机等,短距离无线技术将起关键的作用。在此需求背景下,基于超宽带的无线技术(UWB)开始商业化,并受到广泛关注。

  UWB本来是为军事目的而开发的,而巨大的商机使FCC批准其开始民用化,并将3.1GHz~10.6GHz作为UWB频带。UWB被批准民用后,众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上,在产品研发上展开竞争。

  与其他无线通信技术相比,UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等特点。UWB与WiMAX、Wi-Fi一样,都是用于传输无线信号的技术。不过与Wi-Fi解决无线局域网的接入问题和WiMAX解决无线城域网的问题不同,UWB是一种极具竞争力的短距无线传输技术,能以极高速率传送数据,最适合需要高品质服务的高速无线多媒体应用。


  在被军方"禁锢"几十年后,UWB走出了"深闺",立即受到热烈欢迎。经过多年的发展,终于在2004年走上"标准化"之路,距离实际应用越来越近。


  超宽带无线传输技术(Ultra-Wideband Radio Technology, 简称UWB-RT或UWB)被美国有线新闻网(CNN)评选为2004年最有影响的十大热门技术之首,这让很多人颇感意外。他们甚至还是第一次听到超宽带(UWB)无线技术这一说法,大部分人还不大了解什么是超宽带?这是什么"秘密武器",突然冒出来就占据十大热门技术之首?


什么是超宽带?


  目前人们普遍认同美国联邦通信委员会(FCC)关于超宽带设备带宽的规定:-10dB的相对带宽大于0.2或占用带宽大于500MHz。因此对于中心频率高于2.5GHz的超宽带设备和信号,其最小-10dB占用带宽必须大于500MHz,而中心频率低于2.5GHz的超宽带设备和信号,其最小-10dB相对带宽至少为0.2。


  超宽带无线技术从信号形式来看,大体可分为两大类:一类是基带窄脉冲形式,窄脉冲序列携带信息,直接通过天线传输,不需要对正弦载波进行调制,采用时域信号处理方式,这种传输方式在中低速应用时具有系统实现简单、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间分辨率高、具穿透性、不易被截获/检测、隐秘安全等优点,是超宽带技术早期发展首先采用的方式,在很多领域具有广泛的应用前景。


  另一类是带通载波调制方式,可以采用不同的无线传输技术,如OFDM、DS-CDMA等,有利于实现高数据速率低功率传输,适用于短距离室内高速率传输的应用,是目前高速多媒体智能家庭/办公室网络应用中的优选技术。


超宽带无线技术优势何在?


  ● 频带宽,可实现极高速传输和极大的系统空间容量


  超宽带系统的工作频带极宽,一般从几百MHz到几个GHz,将来还要向更高带宽发展。信息论告诉我们,通信系统的容量或最大可靠传输速率与所占用的带宽成正比。频带极宽,意味著在一定信/扰比要求下,可实现极高速率的可靠传输;或者在一定传输速率下,可以在很低的信/扰比或信号功率谱密度下实现可靠传输。目前研制的实验超宽带短距系统传输速率已经达到1Gbps以上,其空间通信容量(即每平方米面积可达到的通信容量)是无线局域网、蓝牙等系统的10~1000倍以上。


  ● 功率低,功耗小


  由于UWB可工作在极低的信/扰比门限,因此平均发射功率很低,如工作范围在10米以内,所需功率仅需几十到几百微瓦,其功率谱密度极低,甚至低于环境噪声以下。这样的信号极难被非授权方所截获或检测,具有极强的隐秘安全性。同时,这样的信号也不会对其他系统产生不良的干扰,可以与之共享频带,实现共存,使稀缺的频谱资源得到最大限度的利用,这是超宽带技术受到重视的一个很重要的原因。


  功率低又意味著低功耗,特别有利于用电池供电的手持式通信设备,使其不充电工作时间大大增加,甚至可达一年至几年。低功率的另一个重要好处是大大降低了对人体的有害辐射,成为真正的"绿色"手持设备。


  ● 脉冲宽度极短,定位精度极高,抗多径能力和多径分辨力强


  超宽带脉冲系统一般工作在亚纳秒级(<1ns),具有厘米级的距离分辨率,特别有利于雷达、定位和有定位功能的综合移动通信业务。


  宽度极短的脉冲信息又具有天然的抗多经分辨力,抗多径能力强,从而在各种无线环境中具有优越的传输性能。


  ● 具有穿透性


  超宽带脉冲信号含有丰富的低频分量,因而具有很强的穿透地表面、?壁和其他物体的能力,可应用于需要穿透物体进行成像、检测、监视、测量和通信的场景。


  ● 实现结构简单、成本低


  超宽带系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的,射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单,容易实现全数字化的结构,因而可以大大降低成本。


  ● 结构通用


  超宽带通信、雷达、成像和定位系统可采用通用的硬件结构和工作频段,通过软件改变其功能,便于用软件无线电技术实现,具有很大的灵活性和经济性。


超宽带无线技术主要用在哪儿?


  2002年4月,FCC公布了超宽带设备在三类民用领域应用的初步规范,规定了工作频段、功率限制、开放范围和使用对象。限定的三类民用超宽带设备为:成像系统,包括透地探测雷达(GPRS)、墙内、穿墙和医用成像以及监视设备;车辆雷达系统;通信和测量系统。这些设备的功率和频谱都受到严格的限制,只能作用于短距离、小范围。但FCC指出,今后经过更充分的测试和研究,有可能有条件地逐步放宽对超宽带设备应用的限制。相信更多新的超宽带应用领域将会出现,造福于社会进步和人类的幸福生活。


超宽带技术在下列应用领域已显现出或估计会有很大的发展潜力:


  ● 短距离(10米以内)高速无线多媒体智能家域网/个域网。在家庭和办公室中,各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要,利用超宽带无线技术,在小范围内动态(即需即用)地组成分布式自组织(Ad Hoc)网络,协同工作,相互连接,传送高速多媒体数据,并可通过宽带网关,接入高速互联网或其他宽带网络。这一领域将融合计算机、通信和消费娱乐业,被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。


  ● 智能交通系统。超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能,可方便地应用于智能交通系统中,为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分?式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。


  ● 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、?内和穿?成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。


  ● 传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等,主要用于对各种对象(人和物)进行检测、识别、控制和通信。


UWB从军用起步


  当今的无线技术几乎全部采用信息对正弦载波调制的带通传输方式,但早在1942年和1945年,De Rose 和 Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。但因二战和机密原因,被美国政府封存,直到1954和1961年才先后予以公布。此后学术界逐渐认识到用做无线传输和雷达的信号,并不一定必须具有近似正弦函数的波形。脉冲信号在科研、仪器和检测领域从20世纪60年代开始应用,并在70年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注,应用到雷达高精度测距和测角。


  在20世纪80年代,通信领域的研究人员开始研制超宽带脉冲无线通信系统,但其性能和成本受到当时技术条件的限制,未能得到快速发展和广泛应用。随着集成电路技术按摩尔定律的发展,每一年半速度和密度提高一倍,成本下降一半,到20世纪90年代中期使超宽带无线技术进入民用领域成为可能。它具有的优越性日益受到重视。1994年美国政府批准第一个非保密超宽带通信系统项目,促进了超宽带技术和系统的研发,但仍停留在实验室里,因为FCC没有批准超宽带设备的商业应用。但这一期间,消费者对访问网络和宽带多媒体信息获取的需求却有爆炸性的增长,超出了可用的无线系统传输能力。


  1996年,无线产业界讨论各种小范围无线网标准的方案,包括IEEE 802.11、蓝牙、Home RF、IEEE 802.15等。由于缺乏国际通用的可用频率,这些标准都工作在2.4GHz"ISM"免授权频段,难免互相干扰,而且都不能传输如HDTV等市场需要的高速宽带多媒体业务。这使得业界不得不去寻求更好的无线技术,超宽带技术就成为最佳选择。


  在此情况下,为探索超宽带技术在民用领域应用的可行性,1998年9月FCC公开向各界就开放超宽带技术应用征求意见(Notice of Inquiry);2000年6月,FCC又发布制定相关规定的建议(Notice of Proposed Rule Making);2002年2月,FCC通过了超宽带设备商业应用的初步规范(First Report and Order),同年4月正式公布了此规范。2003年2月,FCC又对该规范进行了确认,局部放宽了对成像系统频带的限制,并称在今后一年半内继续探讨和完善超宽带技术,?有可能进一步放宽超宽带技术应用标准方面的限制。


两种标准方案与多方竞争格局形成


  目前美、欧有关标准化组织,如IEEE 802、ETSI等正在进行超宽带技术的标准化工作。其中IEEE 802.15 TG3a关于超宽带技术应用于高速无线个域网(WPAN)低层协议的标准化工作成为全球业界关注的焦点。那些超宽带技术的先创者们努力想把他们的技术变成IEEE802.15.3a高速WPAN物理层的基础。目前主要集中在两种方案的竞争中。以Intel、TI为首的多带OFDM联盟(MBOA)所提出的多带OFDM方案目前拥有多数支持者;而以Motorola为首的一些公司支持DS-CDMA方案,他们已开发出芯片,正在被一些开发商试用中。目前标准制定处于两种标准僵持不下的状态。


  惠普、摩托罗拉等在无线网络、消费电子、微电子和超宽带技术方面处于领先的九个业界巨头于2002年9月成立了WiMedia联盟(目前其成员已大大增加,包括Intel等MBOA的很多成员),致力于开发和采纳基于标准的、连接高速数据和多媒体设备的WPAN规范的制定。Wi Media对标准的态度将会对标准方案的选定起重要作用。


  另外IEEE 802.15 TG4a也于2004年3月成立,开始进行超宽带技术应用于低速无线个域网(WPAN)低层协议的标准化工作,目标是低速、超低功率、低成本的通信和高精度测距/定位设备。


  与此同时,欧洲、日本等国的研究机构、大学和企业也不甘落后,纷纷启动了超宽带领域的一系列研究项目,一个波澜壮阔的超宽带技术的研发热潮正在世界范围内兴起。超宽带通信、雷达、成像和监视设备在军事上的应用已有十几年的历史,但商用产品还不成熟。目前,一些公司已演示了他们开发的穿地探测雷达、手持穿墙成像雷达、速率114Mbps的同时传两/三路HDTV的通信系统,以及一些高速超宽带芯片。超宽带高速WPAN商用产品预计于今年年底到明年年初将陆续推出。


  我国超宽带无线技术的研发尚处在起步阶段,国家自然科学基金和"863"计划已开始支持这方面的研究和开发工作,并已取得了初步进展。我国应该提出有自主知识产权的超宽带技术的理论和技术成果,以此为支撑制定自主的相关标准和规范,推动我国超宽带产业化的发展,以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。超宽带无线技术对我国通信界既是一个机遇,又是一个挑战。我们热烈企盼国内同行齐心协力、合作攻关,为赶超国际超宽带无线技术的先进水平,为我国新一代无线通信产业化做出我们的努力。