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UWB的特点及在短距离无线通信中的应用前景

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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

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