超寬帶無線通信解決方案的分析與比較解析

1、2 0 0 6年第2期（總第2 8 4期_覽帶網(wǎng)踣與傳輸）文章編號(hào)：1 002 8692 （2006） 02 0058 03超寬帶無線通信解決方案的分析與比較*耿鵬，鄒傳云，游路路（桂林電子工業(yè)學(xué)院通信與信息工程系，廣西桂林5 4 1 0 0 4 ）【摘要】介紹了基于超寬帶（UWE ）無線通信技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)。對(duì)目前應(yīng)用較為 廣泛的直接序列超寬帶（DSUWB ）和多頻帶超寬帶（MB UWB ）兩種方案進(jìn)行了比較分析，并對(duì)FrcescalcUWB和WisairUWB的兩種具體產(chǎn)品進(jìn)行了分析。針對(duì)家庭和小型辦公場(chǎng)所 提出了 UWB AdHoc網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)?！娟P(guān)鍵詞】超寬帶；直接序列；多頻帶；UWB

2、 AdHoc網(wǎng)絡(luò)【中圖分類號(hào)】TN915.6【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】BAnalyzingandComparingtheUltrawideBandWirelessCorrespondenceSolutionsGENGPeng,ZOUChuan-yun,YOULu-lu(Dept.ofCommunicationandlnformatio nEngineering,GuilinUniversityofElect ronicTechnology,Guilin541004,China)AbstractlVariouskindsofcharacteri sticsofultra-widebandtechnology

3、arein troducedbasedontheelementarytheory.D irect-SequenceUWBandMulti-frequencyBands UWBtechnologieshavebeencomparedandan alyzed.TwokindsofconcreteproductsFreescale-UWBandtheWisair-UWBhavebeenanalyzed.StructurefortherealizationofUWB-AdHocnetworkforhomeandsmallofficeisproposed.Keywordslultra-wideband;

4、direct-se quence;multi-frequencybands;UWB-AdHo cnetwork?實(shí)用技術(shù)？1引言超寬帶(UltraWideBand,UWB )無線通信技術(shù)具有低成本、低功耗、高容量、高速率、抗多徑衰落、精確定位等特點(diǎn)。目前，在 日益增多的電子設(shè)備之間，它是實(shí)現(xiàn)小范圍高速無縫的無線多媒體傳輸?shù)睦硐爰?術(shù)。由于直接序列超寬帶（DS-UWB ）技術(shù)和多頻帶超寬帶（ME UWE） 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的突出表現(xiàn)，目前超寬帶的標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)之爭(zhēng)實(shí)際上是這兩種技術(shù) 之爭(zhēng)。支持這兩種技術(shù)的代表性公司分別是Frcescalc和Wisair, 隨著FrcescalcUWB和WisairU

5、WB先后通過FCC認(rèn)證，超寬帶無線通信技術(shù)將 在激烈競(jìng)爭(zhēng)中快速發(fā)展起來。2超寬帶無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1）低功耗、低成本超寬帶無線電發(fā)射的是由信息和用戶地址碼共同控制脈沖起點(diǎn)的沖激脈沖串，使用間歇的脈沖來收發(fā)數(shù)據(jù)，因而大幅度降低了功 耗，延長(zhǎng)了電源的供電時(shí)間。另外，由于不使用載波電路，不需要上、下變頻，可 以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性。脈沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)適于芯片集成，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體 積小，降低了成本。2）高容量、高速率空間容量定義為單位面積信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的吞吐量（bit/（s ? m2） 1。超寬帶的低功率特性使得它的空間效率很高，而且如采用AdHoc技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，利用AdHoc網(wǎng)絡(luò)的多跳特 性，

6、可以減小超寬帶發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和覆蓋區(qū)域，從而進(jìn)一步提高超寬帶系統(tǒng)的 空間容量。也就是說在一個(gè)給定區(qū)域，可以有更多的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，這樣提高了 系統(tǒng)空間利用率，增加了系統(tǒng)的用戶容量。3) 精確定位超寬帶的頻譜范圍很寬，因而可以達(dá)到很高的空間分辨率，確定3 0cm以內(nèi) 的傳輸節(jié)點(diǎn)的位置2。在U WB-AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，利用超寬帶測(cè)距和定位技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以了解到周圍 節(jié)點(diǎn)相對(duì)于自己的位置，將這些相對(duì)位置信息集中在一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，即得到 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這與昂貴的GPS定位系統(tǒng)相比，無疑是有優(yōu)勢(shì)的。藍(lán) 牙等窄帶技術(shù)使用RSSI (無線信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo))以測(cè)量入局信號(hào)的強(qiáng)度來進(jìn)行定 位。但

7、RSSI的精確率通常較低，如果傳輸設(shè)備前面有一個(gè)物體，就會(huì)降低信號(hào) 強(qiáng)度，其測(cè)量值就會(huì)有偏差。顯然，基于超寬帶的測(cè)距和定位技術(shù)更勝一籌。文獻(xiàn) 3在介紹了測(cè)距和定位基本概念的基礎(chǔ)上分析了兩種超寬帶定位協(xié)議，即基于 錨(anchor-based)的協(xié)議和基于無錨(anchor-frec)的協(xié)議，并與其他無線定位技術(shù)進(jìn)行了比較。4) 抗多徑衰落多徑衰落是指反射波和直射波疊加后引起的接收信號(hào)幅度的隨機(jī)變化，它是無線通信的一大障礙。而UWB*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：沖激無線電新調(diào)制方法研究(60472092)ide hand n(?hr urk & tran.n isskinVIDEOENGINEERIN

8、GNo.22006 (SumNo.2 8 4 )已領(lǐng)先一步，應(yīng)用在海爾的高清晰度電視上，此事被稱作超寬帶技術(shù)在家庭應(yīng) 用領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。這款電視可以在最大2 0m的范圍內(nèi)以1 14Mbps的速 率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可多信道同時(shí)無線傳輸HDTV影像。這讓無線播放器有了更大 的空間，也是未來智能化家庭的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無線模式?？赡茏璧KWisair-UW E應(yīng)用的是其對(duì)MAC協(xié)議的定義，MEOA聯(lián)盟為超寬帶網(wǎng)絡(luò)制定了一個(gè)新的M AC層標(biāo)準(zhǔn)（mlnlMAC），這無疑是抵制了IEEE802.15.3 MA C標(biāo)準(zhǔn)。而IEEE802.15.3 a任務(wù)組已經(jīng)規(guī)定，無論最終選擇哪一個(gè)物 理層標(biāo)準(zhǔn)，都將采用現(xiàn)有的IEE

9、E802.15.3媒體訪問控制器。3.2兩方案的市場(chǎng)前景注意到了 FrcescalcUWE和WlsalrUWE解決方案均可 與IEEE802.1 1 a/b/g、藍(lán)牙、GPS等技術(shù)共存。由于無系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間極短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接 收已經(jīng)完成。這使得多徑遲延的分辨率達(dá)到納秒級(jí)，從而大大提高了時(shí)間分辨率， 可以顯著提高抗多徑衰落的能力。5）常見短距離無線通信技術(shù)統(tǒng)計(jì)目前涉及此方面的技術(shù)很多，表1所統(tǒng)計(jì)的是由工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)組織或工業(yè)協(xié)會(huì)推 出的具有一定使用規(guī)模的技術(shù)。3直接序列超寬帶與多頻帶超寬帶技術(shù)分析FCC（FederalCommunlcatlonsCommlsslo n）

10、對(duì)超寬帶的定義3是：信號(hào)頻譜的帶寬與其中心頻率之比大于等于20%或者絕對(duì)帶寬大于等于500MHz。該定義并沒有約定信號(hào)的時(shí)域波 形特征，所以產(chǎn)生超寬帶信號(hào)的方式并不唯一，即超寬帶無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案 也不一樣。目前應(yīng)用較為廣泛的兩種方案為直接序列超寬帶（DS-UWB ）和多頻帶超寬帶（ME UWE）。這兩種方案的物理層建議的比較 見表240DSUWB在頻率利用率、定位、收發(fā)器實(shí)現(xiàn)方面較有優(yōu)勢(shì)，而MB UWB抗碼間串?dāng)_（ISI）和多 徑干擾能力較強(qiáng)。如果主要考慮的是地理上的共存性及降低采樣率，那么MB-U WB較合適；對(duì)魯棒性要求高和覆蓋率要求大的系統(tǒng)，則應(yīng)當(dāng)選擇DSUWB系 統(tǒng)。針對(duì)超寬帶的

11、標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)之爭(zhēng)實(shí)際上是這兩種技術(shù)之爭(zhēng)。3.1FreescaleUWB和WisairUWB目前，圍繞著超寬帶國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)形成了兩個(gè)針鋒相對(duì)的集團(tuán)。一方是由Free scaleSemiconductor等公司所組成的團(tuán)體，另一方是由TI， Intel，Wisair等公司組成的MBOA聯(lián)盟（于2 0 0 5年3月4日與WiMedia聯(lián)盟合并）。前者的 超寬帶解決方案應(yīng)用的技術(shù)是DSUWB，后者是MB UWB。具有代表性的芯片組是FreescaleUWB和Wis airUWB，兩者均已通過FCC認(rèn)證。FreescaleUWB解決方案包括射頻收發(fā)器（MC270113）、基帶處理器（MC 2 7 0 1 2

12、3 ）和MAC控制器（MC 2 7 0 1 4 3 ）三部 分，采用0 .18mCMOS和SiGe技術(shù)構(gòu)建。其中射頻收發(fā)器能夠通過晶體管的脈沖，創(chuàng)建脈沖信號(hào)，形成一個(gè)以基帶速度運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)；基帶處理器提供多 個(gè)前向糾錯(cuò)能力，以便快速采集和靈活跟蹤；MAC控制器基于IEEE802.15.3流媒體應(yīng)用。FrcescalcUWE方案體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。WisairUWB是MEOA聯(lián)盟目前唯一能在速率上(1 10Mbp s)和FrccscalcUWB相媲美的超寬帶解決方案。該方案包括射頻收 發(fā)單元(Wisair 5 0 2 )及數(shù)字基帶處理/MAC單元(Wisair531 )。其中Wisair 5 0

13、2 采用 0 .18 umSiGeBiCMOS 技術(shù)制造，耗電量 2 0 0 mW;Wisair531 采用0 .13 g規(guī)格的CMOS技術(shù)，耗電量3 0 0 mWoWisairUW B方案體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。從家庭和小型辦公場(chǎng)所的應(yīng)用來看，F(xiàn)reescaleUWB技術(shù)/Mbps/GHz/m/mWIEEE802.11a5451 040250IEEE802.11b11 2.4 2 5 10 030IEEE802.11g5 4 2.4 2 5 5079 藍(lán)牙1(v1.1)2.41 0100 1HiperLAN254530 15 0 1 0 0 0 IrDA4紅外光(8 5 0 nm)10依距離Ho

14、meRF1(v1.0)/10(v2.0) 2.450100 UWB1104 8 03.1 1 0.6101以下表1短距離無線通信技術(shù)部分指標(biāo)比較 技術(shù)頻率范圍/GHz調(diào)制方式多址方式糾錯(cuò)碼碼元速率/Mbps鏈路預(yù)算緩解多徑方式DS-UWB1.3 6 8 GHz,2.7 3 6 GHzA群：3.25.15B群：5.810.6BPSK,QPSK,DSSSCDMA卷積碼和RS碼1/2卷積碼110RS(255,223)200RS(255,223)4806.7dB10m110Mbps11.9dB4m200Mbps1.7dB2m480Mbps判決反饋均衡和RAKEMBUWB11個(gè)可選頻段5 2 8 MHz

15、A群：3.1684.752B群：4.752 6.072C群：6.0 7 2 一8.184。群：8.184一10.296TFIOFDM(12 8 點(diǎn)F FT),QPSK時(shí)間一頻率交織（TFI）卷積碼1 1/32卷積碼1105/8卷積碼 2 0 0 3 /4卷積碼48 05.3dB10m110Mbps10dB4m200Mbps11.5dB2m480Mbps1個(gè)抽頭，60.6ns延遲擴(kuò)展表2兩種超寬帶方式部分指標(biāo)比較5 92 0 0 6年第2期(總第2 8 4期匚1扯問網(wǎng)絡(luò)口傳輸)圖2Wisair-UWB體系結(jié)構(gòu)圖接收射頻控制發(fā)送主機(jī)接口高速數(shù)據(jù)傳輸物理層射頻芯片媒體/物理層基帶芯片主機(jī)主機(jī)接口MA

16、C處理器HCI邏輯MAC 接口基帶（PHY）基帶LNA發(fā)射器定時(shí)收發(fā)器偏壓/控制射頻前端射頻收發(fā)器晶體天線ADC圖1 FrcescalcUWE體系結(jié)構(gòu)圖線通信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)不僅僅要考慮技術(shù)的優(yōu)越性，還需考慮市場(chǎng)的影響，所以在一 個(gè)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)各種WPAN技術(shù)還將共存下去。特別是藍(lán)牙技術(shù)，從1 9 9 8年5月 愛立信、諾基亞等公司聯(lián)合組成藍(lán)牙特別興趣小組（BluetoothSpeci alInterestGroup,BSIG）至今，已經(jīng)有數(shù)以千計(jì)的企業(yè)加入 了該組織。藍(lán)牙產(chǎn)品也先后被推出，比較成熟的應(yīng)用包括：藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙手機(jī)、 藍(lán)牙鍵盤等，目前已有二億五千萬的藍(lán)牙技術(shù)消費(fèi)者。藍(lán)牙的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和超寬帶的

17、技術(shù)優(yōu)勢(shì)最終會(huì)成為將兩者結(jié)合在一起的重要因素。另外，F(xiàn)reescaleUWB和WisairUWB均支持AdHoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在家庭使用場(chǎng)合，UWB AdHoc網(wǎng)絡(luò)可用于數(shù)字 電視、PC機(jī)、手機(jī)、無繩電話、打印機(jī)、機(jī)頂盒等設(shè)備之間文件和數(shù)據(jù)流的高速 傳輸。一種適合此應(yīng)用的UWB AdHoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè) 備均為超寬帶設(shè)備，這些設(shè)備構(gòu)成AdHoc網(wǎng)絡(luò)。假定此網(wǎng)絡(luò)為多跳結(jié)構(gòu)，則可 分為兩個(gè)區(qū)域：鏈路域和多跳域。鏈路域中的節(jié)點(diǎn)均在各自的通信范圍之內(nèi)，且可 通過多跳方式與其他鏈路域節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)多跳域。網(wǎng)絡(luò)中 的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均為對(duì)等節(jié)點(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)均可和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行端對(duì)

18、端的通信。超寬帶技 術(shù)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是當(dāng)今無線通信的熱點(diǎn)技術(shù)，它們的結(jié)合有著廣泛的應(yīng)用前 景。4小結(jié)近幾年來，隨著個(gè)人和家庭擁有的通信設(shè)備和電氣設(shè)備的不斷增加，通信容量不斷提高，人們對(duì)各種設(shè)備的通信質(zhì)量要求也越來 越高，超寬帶無線通信技術(shù)正好滿足了這一要求。超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展還處在初級(jí)階段，它的應(yīng)用潛力 是無法估量的。參考文獻(xiàn)1 方旭明，何蓉短距離無線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)M 北京：人民郵電出 版社，2 0 0 4.2 FONTANARJ,RICHLEYE,BARNEYJ.Comm ercializationofanUltraWidebandprecis ionassetlocationsystemC/Proc.IEEE ConferenceonUWBSystemsandTechnologi es.NewYork:IEEEPress,2003:369373.3 BENEDETTOMCD