1、1短距离无线通信的发展展望电信 081 严铁锋 08104127一、引言当设计未来的短距离无线通信系统时，我们要考虑通信的普遍特性和 B3G 中提到的“任何人，任何时间，任何地点”的连接性。这要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括 WANs，WLANs，WPANs 以及 Ad Hoc 和家用局域网，可以连接各种不同的设备，包括计算机和各种娱乐设备。要实现这个目标，就需要新的无线技术。本文主要介绍超宽带（Ultra Wideband，UWB）技术。超宽带技术是现在正在被广泛研究的一种新兴无线通信技术。这种技术具有高数据率（可达 100Mbps1Gbps） 、低功耗和低费用等特点，为
2、无线通信的发展开辟了新的机遇。二、UWB 的发展现状UWB 技术虽然被看作一种新技术，但这项技术已经有几十年的历史了。UWB 最初的定义是来自于 60 年代兴起的脉冲通信技术，又称为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输（baseband transmission）或无载波（carrierless）技术。 目前大多数商用的无线通信方式使用的通信载波是连续的电波，再通过某种调制方式将数据信号加载在其上。而 UWB 信号以非常短、非常快的脉冲形式发送（多径发送） ，这些脉冲经过
3、精确计时，每个只有几个到几十个皮（毫微）秒长。所以这种技术能以较小的功耗进行数据传输。由于 UWB 技术的工作频宽较宽，信号发送又分布在整个信号频宽内，信号速度和容量都较高，比较适合大量数据的传输，尤其是数字多媒体信号的传送。 同时，UWB 可以与其他的无线技术较好地协同工作，不容易互相干扰，因为分散传输的 UWB 信号强度较弱，对其他无线信号看起来就好像噪音一样。 那么，对于这么弱的信号，UWB 接收器又如何分辨呢？对 UWB 接收设备来说，真正的噪音是连续频率范围内的信号，而 UWB 发出的脉冲是“有形的噪音” ，是时间的某种特定函数。脉冲的发送时间根据一种复杂的编码而改变，只要能够精确“
4、定时” ，就可以比较容易地从“噪音”中分离出正常的信号。 UWB 技术可以根据传输的距离和所传输数据量的大小调整信号频宽和发射功率，其功耗量级为微瓦级。不过，UWB 芯片组的功耗要高一些，其典型功耗大约是毫瓦量级。由于 UWB 无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。由于 UWB 信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于 1mW 的发射功率实现几公里的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达 6 个月，而且低辐射功率可以避免过量
5、的电磁波辐射对人体的伤害。三、关键技术，研究热点3.1 脉冲信号的产生从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级（10-9s）的信号源是 UWB 技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的两类方法为：（1）光电方法，基本原理是录用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒(10-12s)量级，是最有发展前景的一种方法。(2)电子方法，基本原理是利用晶体管 PN 结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。受
6、晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到 1ns 以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。3.2 调制方式2(1)单脉冲调制。对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于 UWB 的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制 TH/DS-BPSK 等。PAM 是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM 既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的 PAM 只改变脉冲幅度的绝对值。BPM 和 O
7、OK 是 PAM 的两种简化形式。BPM 通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK 通过脉冲的有无来传递信息。在 PAM、BPM 和 OOK 调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是 PPM 的基本原理。在 PPM 中，脉冲的极性和幅度都不改变。就上述 5 种调制方式而言，综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素，目前广泛受关注的是后两种调制方式 TH-PPM 和 TH/DS-BPSK。两者的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS-BPSK 的性能要优于 TH
8、-PPM。而对 TH/DS-BPSK 而言，在速率较高时，应优先选择 DS-BPSK 方式；速率较低时，由于 TH-BPSK 受远近效应的影响较小，应选择 TH-BPSK 方式。在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK 的性能还是要优于 TH-PPM 系统。而 BPM 则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的 UWB 脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM 是一种比较理想的脉冲调制技术。(2)多脉冲调制。实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在
9、 UWB 脉冲无线系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用 PPM 或 BPM 调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用 PAM、PPM 或 BPM 调制。多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的 SS 序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用 SS 序列的伪随机性实现窄带干
10、扰抑制。在多脉冲调制中，利用不同 SS 序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用(CDMA)技术。这种多脉冲调制技术可以有效地抑制多路数据之间的干扰和窄带干扰。3.3 收发机的设计与传统的无线收发信机结构相比，UWB 收发信机的结构相当简单。传统的无线收发信机大多采用超外差式结构；UWB 收发信机采用零差结构，在接收端，天线收集的信号经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。现代数字无线技术常采用数字信号处理芯片(DSP)的软件无线电来产生不同的调制方式，这些系统可逐步降低信息速率以在更大的范围内连接
11、用户。3.3 中国对 UWB 电磁兼容性研究我国的 UWB 系统发射频谱限制模板应能够与我国现存的无线电系统和业务实现电磁兼容，不产生相互干扰。在这个基础上，应尽可能与世界各国的标准一致。在 2004 年 9 月的中国 UWB 论坛上，中国国家无线电检测中心公布了一些对 UWB 技术电磁兼容性的仿真研究结果。该仿真考虑 GSM、TD-SCDMA 和 PHS 设备、下行链路，测试地点在基站覆盖范围边缘，UWB 设备和移动终端距离 10m 以内。仿真结果表明，与FCC 标准相比，ETSI 标准对 UWB 设备干扰有更好的限制效果。其中，对 PHS 系统和3GSM900 系统，两套标准都可以接受。但
12、对 GSM1800 系统，只有 ETSI 标准和 FCC 室外标准可以接受，而 FCC 室内标准的干扰过大。另外，对 TD-SCDMA 系统，FCC 标准在多UWB 设备共存时产生的干扰较大。更准确的测试结果显然应该通过现场测试才能得到。四、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
13、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。与传统的无线电设计方法不同，UWB 是高速
14、、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。
