超寬帶技術(shù)的應用與發(fā)展解析

1、超寬帶技術(shù)的應用與發(fā)展引言隨著計算機通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸技術(shù)得到了廣泛的應用，而超帶寬（UWB）技術(shù)作為一種新型短距離高速無線通信技術(shù)正占據(jù)主導地位，超帶寬技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù)，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5GHz的無線發(fā)射方案，超帶寬技術(shù)在2002年以前主要應用于雷達和遙感等軍事領域，UWB技術(shù)不需載波，能直接調(diào)制脈沖信號，產(chǎn)生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬，UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)（如全球定位系統(tǒng)（GPS）、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等）

2、公用頻段，大大提高了頻譜利用率。易于實現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；目前，UWB技術(shù)在商業(yè)多媒體設備、家庭和個人網(wǎng)絡方面的應用正在不斷發(fā)展。二超寬帶技術(shù)的特點應用1、超寬帶技術(shù)解決了困擾無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的問題，如發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲大問題，具有對信道衰落不敏感的問題，又具有能力、系統(tǒng)復雜程度低、能提供厘米級的定位精度等優(yōu)點；它在無線局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和個人局域網(wǎng)的應用中，可提供低功耗、超帶寬及相對簡捷的通信技術(shù)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入，可實現(xiàn)PC與移動設備、消費電子等信息終端的小范圍智能化互聯(lián)，從而組建個人化的辦公或家用信息化網(wǎng)絡。超帶寬（UWB）無線通信技術(shù)

3、以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特點成為最具有競爭力的WPAN實現(xiàn)技術(shù)，并已成功應用于多個方面。2、超寬帶技術(shù)特點（1）體積小、成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單、UWB不使用載波，直接發(fā)射脈沖序列，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上、下變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此UWB設備集成更為簡化。脈沖發(fā)射機和接收機前端可集成在一個芯片上，再加上時間基和一個微控制器，就可構(gòu)成一部超寬帶通信設備。（2）傳輸速率高數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化是通信發(fā)展的主要趨勢。為確保提供高質(zhì)量的多媒體業(yè)務的無線網(wǎng)絡，其信息速率不能低于5OMbit/s。在用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)

4、過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/s,是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)oUWB以非常寬的頻率來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。(3) 空間容量大UWB無線通信技術(shù)的單位區(qū)域內(nèi)通信容量可超過每平方米1000Kbps,而IEEE802.11b僅為每平方米1Kbps,藍牙技術(shù)為每平方米30Kbps,IEEE802.11a也只有每平方米83Kbps,可見，現(xiàn)有的無線技術(shù)標準的空間容量都遠低于UWB技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷完善，UWB系統(tǒng)的通信速率、傳輸距離及空間容量還將不斷提高。(4) 低功耗UWB使用簡單的傳輸方式，即使用間

5、歇的脈沖來收發(fā)數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，僅為0.2ns1.5ns，因此UWB系統(tǒng)的功耗很低，僅為1mW_4mW,民用的UWB設備功率一般是傳統(tǒng)移動電話或者無線局域網(wǎng)所需功率的1/10一1/100左右，大大延長了電源的供電時間。UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設備有著很大的優(yōu)越性。(5) 多徑分辨能力強由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號，或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超帶寬無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單脈沖且占空比較低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。

6、由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10一30dB的多徑環(huán)境，對超帶寬無線電信號的衰落最多不到5dB。(6) 穿透能力強由于超帶寬無線電的帶寬很寬，因此具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規(guī)超短波信號在叢林中不能有效傳播的空白。實驗表明，適用于窄帶系統(tǒng)的叢林通信模型同樣可適用于超寬帶系統(tǒng)；超寬帶技術(shù)還能實現(xiàn)隔墻成像等。(7) 定位精確沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超帶寬無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。超帶寬無線電具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而GP

7、S定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)；與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，期定位精度可達厘米級，此外，超帶寬無線電定位器更為便宜。(8) 安全性高、隱蔽性好、與有線通信相比，超帶寬無線電的射頻帶寬可達到1GHz以上，且所需平均功率小，信號的能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB信號相當于白噪聲，并且多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。信號被隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號中，難以被敵方檢測到。三、超寬帶技術(shù)的原理1、UWB的關(guān)鍵技術(shù)1.1脈沖成形技術(shù)任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配

8、良好的信號攜帶信息，對于線性調(diào)制系統(tǒng)，已調(diào)制信號可以統(tǒng)一表示為：s(t)=lng(t-T)其中，In為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號序列；T為數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間；g(t)為時域成形波形，通信系統(tǒng)的工作頻段，信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現(xiàn)復雜度等諸多因素都取決于g(t)的設計。對于UWB通信系統(tǒng)，成形信號g(t)的帶寬必須大于500mHz，且信號能量集中于3.1-10.6GHz頻段，脈沖成形技術(shù)中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經(jīng)大于2GHz,高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導數(shù)，各階脈沖波形可由高斯一階導數(shù)通過逐次求導得到。隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點數(shù)逐漸增加，信號中心

9、頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降，早期UWB系統(tǒng)采用1階、2階脈沖、信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz,按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。1.2調(diào)制技術(shù)調(diào)制方式是指信號以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是也影響信號的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機復雜度，在UWB系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調(diào)制，基于OFDM的正交多載波調(diào)制。其中基于超帶寬脈沖的調(diào)制常用的有脈位調(diào)制和脈副調(diào)制。脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式，按照采用的離散數(shù)據(jù)符號狀態(tài)數(shù)可以分為二進制PPM(2PPM)和多

10、進制PPM(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個脈沖重復周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應，根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化，在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位，接收機利用相關(guān)器在相應位置進行相干檢測，鑒于UWB系統(tǒng)的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或20PPM。脈副調(diào)制（PAM）是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復雜度和功率有效性

11、，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關(guān)鍵控（00K）和二進制相移鍵控（BPSK）。00K可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而BPSK采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。正交多載波調(diào)制（OFDM）是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續(xù)時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響，通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完成消除符號間干擾，OFDM相對于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間

12、相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息，由于OFDM允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提咼，因而是一種咼效的調(diào)制方式。1.3接收技術(shù)盡管UWB信道的時延擴展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計，因此早期的UWB接收機結(jié)構(gòu)很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時為了降低微器件模擬變換器的（ADC）變換速率的要求，相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過程實現(xiàn)的，但是當對傳輸速率的要求達到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴重起來，接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號的占空比不足以

13、避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統(tǒng)設計中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是RAKE+均衡，通過RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。目前對接收機在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通常基于RAKE接收機，在具體實現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號最強的L條路徑或是最先到達的L條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實現(xiàn)難度較大，從仿真結(jié)果來看，就UWB信道特性而言，選擇46條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機中值得關(guān)注的一個問題，在高速應用中，快速同步的實現(xiàn)尤為關(guān)鍵，如果

14、采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計2。2UWB無線傳輸系統(tǒng)的基本模型UWB系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無線信道和接收部分構(gòu)成，與傳統(tǒng)的無線發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)相比，UWB的發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)相對簡單，易于實現(xiàn)，如傳統(tǒng)藍牙系統(tǒng)是一種低功耗的無線傳輸技術(shù)，它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路，發(fā)射機部分包括壓控振蕩器、鎖相環(huán)同步器、參考振蕩器，接收機部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而UWB的發(fā)射、接收機的結(jié)構(gòu)不同，因為脈沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mV的電壓就能滿足發(fā)射要求，因而發(fā)射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號先通過低噪聲放大器，再通過一個匹配濾波器或相關(guān)接收機恢復出期望信號

15、3,由于UWB信號的發(fā)射未經(jīng)載波調(diào)制，UWB的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器等。UWB的發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)比藍牙更簡單，UWB的發(fā)射機可靈活地調(diào)整發(fā)射距離，當發(fā)射距離增大時，UWB可以用多個脈沖傳一個信號以增加接收端的信噪比,由于UWB的發(fā)射功率與脈沖重復頻率成正比，因此可以通過軟件對數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設計。三、超寬帶技術(shù)在無線多媒體局域網(wǎng)中的應用UWB無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在1OOMb/s以上）時，傳輸距離較近，一般在1020m左右，進行較低速率無線通信和定位時，傳

16、輸距離可更遠，UWB技術(shù)采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、成像或定位，與全球定位系統(tǒng)（GPS）相比，UWB技術(shù)的定位精確度更高，可以達到1020cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢，UWB進入民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）上,這樣一種小范圍內(nèi)進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設備以高速無線進行連接。根據(jù)超帶寬無線傳輸?shù)奶匦?，UWB技術(shù)可以應用于無線多媒體家域網(wǎng)、局域網(wǎng)，雷達定位和成像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測量等多個領域。四、超寬帶技術(shù)在城

17、域網(wǎng)的應用1 寬帶城域網(wǎng)簡介1.1寬帶城域網(wǎng)的概念寬帶城域網(wǎng)是根據(jù)業(yè)務發(fā)展和競爭的需要而建設的城市范圍內(nèi)的寬帶多媒體通信網(wǎng)絡，是寬帶骨于網(wǎng)絡在城市范圍內(nèi)的延伸，并作為本地的公共信息服務平臺組成部分，負責承載各種多媒體業(yè)務，為用戶提供多種接入方式，滿足各類用戶對各種多媒體業(yè)務的需求。因此，寬帶城域網(wǎng)必須是可管理和可擴展的運營網(wǎng)絡?，F(xiàn)在有三種網(wǎng)絡正在運營：電信交換網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)。將來的信息網(wǎng)絡一一下一代網(wǎng)絡（NGN）不可能以上述三種網(wǎng)絡之一為基礎平臺來構(gòu)建。隨著IP技術(shù)的發(fā)展，將三網(wǎng)融臺到統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。因此，寬帶城域網(wǎng)的發(fā)展一定是基于IP的網(wǎng)絡，所開展的也是基于IP的業(yè)

18、務。12寬帶城域網(wǎng)的接入方式寬帶城域網(wǎng)面對大量的用戶，不同的用戶對接入速率、服務質(zhì)量、費用等要求不盡相同，因此對接入方式也有不同的要求。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的寬帶接入方式主要有以下幾種：FTTx：包括光纖到桌面路邊（FTTD）、光纖到家庭（FTTH）、光纖到大樓（FTTB）、以及（FTTC）等。目前成熟的用戶端光纖端口能夠支持高達10G帶寬，可以一勞永逸地解決用戶的帶寬要求，但資金投入大，對一般用戶不適會。FTTx方式一般使用FTTxLAN形式，即在光纖的終點連結(jié)局域網(wǎng)，用戶只需接入本地局域網(wǎng)就可獲得10100M的使用帶寬，而且費用比較便宜，是一種比較好而經(jīng)濟的方式。FTTx十LAN方式將是發(fā)展的重點

19、。xDSL：包括HDSL，ADSL，VADSL等，當前主要使用的是ADSL。它在已經(jīng)廣泛鋪設的銅纜上采用新的數(shù)字解調(diào)技術(shù)，為用戶提供比較高的接入帶寬。其優(yōu)勢是可充分利用現(xiàn)有的鋼纜資源，技術(shù)比較成熟，但是局端投資比較大，傳輸距離限制在l5公里以內(nèi)。HFC：這種技術(shù)適合于在有線電視的同軸電纜線上開展寬帶接入業(yè)務，但是需要對現(xiàn)有的同軸電纜有線電視網(wǎng)進行雙向改造，并且單個節(jié)點下用戶數(shù)目有一定限制。無線接入技術(shù)，如微波接入、衛(wèi)星通信、固定無線接入（FWA）等技術(shù)，這類技術(shù)目前應用還不廣泛。以上這些接入技術(shù)在實際應用中往往被結(jié)合起來使用，并且與網(wǎng)管系統(tǒng)一起組成一個完整的接入系統(tǒng)。1.3寬帶城域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和業(yè)

20、務平面寬帶IP城域網(wǎng)的拓補結(jié)構(gòu)主要有星型、環(huán)型等。星型結(jié)構(gòu)在初期建設中占比例較大，優(yōu)點是組網(wǎng)方式簡單，建設初期成本低，但是缺點是中心節(jié)點或路由器負擔過重，擴容費用高。環(huán)型結(jié)構(gòu)城域網(wǎng)一般采用SDH或FDDI等，其優(yōu)點是規(guī)模擴展性好，帶寬利用率高，有自愈保護功能，但是缺點是初期投資較大，網(wǎng)絡配置和管理比較復雜。當前網(wǎng)絡發(fā)展趨勢是電信交換網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)的融合，三種網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)都有所不同。當三網(wǎng)融會為基于IP的寬帶城域網(wǎng)之后，原有的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也要做一定的考慮。寬帶IP城域網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)一般分為核心層、匯接層和接入層：核心層主要提供高帶寬的IP業(yè)務承載和交換通道，完成和已有網(wǎng)絡(ATM、PSTN、F

21、R、DDN、IP以及有線電視網(wǎng)等)的互聯(lián)互通，并提供城域網(wǎng)的網(wǎng)絡管理、接入、計費和認證等功能，為用戶提供各種增值服務。匯接層的主要功能是給業(yè)務接入節(jié)點提供用戶業(yè)務數(shù)據(jù)的匯聚和分發(fā)處理。接入層的帶寬主要為nX2M、155M等，而核心層帶寬可達G級，需要在匯接層將用戶數(shù)據(jù)和帶寬從小到大、網(wǎng)絡拓撲從簡單到復雜過渡過去。接入層利用多種接入技術(shù)，迅速覆蓋用戶，進行帶寬和業(yè)務分配，實現(xiàn)用戶的接入，接入節(jié)點設備完成多業(yè)務的復用和傳輸，利用光纖、雙絞線、同軸電纜等連接到用戶。2 超寬帶時代下城域網(wǎng)的特點面對即將到來的超寬帶時代，城域網(wǎng)將呈現(xiàn)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 網(wǎng)絡帶寬可運營，可方便的管理和運營網(wǎng)絡資源。如端到端業(yè)務提供、服務分級、虛擬專線、虛擬專網(wǎng)、帶寬點播等，后期接入業(yè)務即插即用，快速應對突發(fā)帶寬需求，特別是大客戶專線應用。(2) 城域骨干和匯聚步入一體化，承載各種接入方式(如OTN、GPON、Packet、MSTP)的業(yè)務，業(yè)務快速加載，運維方便。(3) 快速端到端傳送“海量”的大顆粒業(yè)務，如GE/2.5G/10GE/40G/100G，主要應用在路由器業(yè)務的“一站式”連接，各個匯聚點IP業(yè)務的上傳，及大客戶(政府和企業(yè))專線的快速提供，形成良好的運營態(tài)勢。(4) 面向IP業(yè)務，全面適配各種業(yè)務接入，線路帶寬共享，高的帶寬利用率。(5)