UWB无线通信的国内外发展及研究应用现状.pdf

1、第 5卷第 4期2005年 12月南 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报Journal ofNanjing Institute of Industry TechnologyVo.l 5,No.4Dec.,2005收稿日期:20050617作者简介:周翔(1982),男,江苏常州人,南京邮电大学 2004级研究生,IEEE学生会员,研究方向为现代通信系统与现代信号处理。?文章编号:16714644(2005)04003702UWB无线通信的国内外发展及研究应用现状周?翔(南京邮电大学?电子工程系,江苏?南京?210003)摘?要:UWB是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术,本文首先

2、回顾了 UWB的历史,其次对 UWB做了简单介绍,然后重点介绍了其在国内外近年来的发展研究状况,最后做了一点展望。关键词:无线通信;UWB;应用现状中图分类号:TN92?文献标识码:A?近年来,随着无线移动通信事业的飞速发展,新技术不断涌现。超宽带(U ltraW ideband UWB)无线电以其具有的众多技术优势和广阔的应用前景而受到世界各国的普遍关注。1?UWB发展简史任何无线技术的历史渊源,都可以说是可以追溯到一百年多前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代开始。而真正现代意义上的超宽带 UWB无线技术,又称脉冲无线电(I mpulse Radio)技术,则是出现于上个世纪的 60年代。

3、当时美国军方开始研究有关雷达侦测于无线通信的秘密研究,开始使用 UW B技术,采用扩频挑频技术,这一工作方式抗干扰能力强,通信安全性好。1999年美国南加州大学通信科学研究所论证了采用激光脉冲进行跳时调制的多址技术,从而开辟了将激光脉冲作为无线电通信信息载体芯途径。1998年美国 FCC开始进行制定 UWB的法规,2002年 2月 14日,对于 UWB技术来说是个值得纪念的日子,当日美国 FCC正式通过了为民用超宽带也就是 UWB无线通信技术开放频谱的法规。2003年,M otolora生产出实用的 UWB收发设备,并与 2004年获得 FCC批准。2004年 4月,Intel展示了其高达 4

4、80Mb/s的 UWB传输速率。2?UWB技术简介2.1?UWB定义与传统通信技术不同的是,UW B是一种无载波通信技术,即它不采用载波,而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术,适用于高速、近距离的无线个人通信。按照 FCC的规定,从 3?1 GHz到 10?6 GHz之间的 7?5GHz的带宽频率为 UW B所使用的频率范围。从频域来看,超宽带有别于传统的窄带和宽带,它的频带更宽。2.2?UWB技术的特点鉴于 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

5、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)。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

6、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

7、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 UW B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。3?UWB技术发展及现状3.1?UWB技术在国外发展及现状第一个被排除的主要障碍为美国联邦通讯委员会解除UW B传输在某些方面的限制。I EEE标准委员会核准,认定?南京工业职业技术学院 学报第 5卷第 4期新标准符合 5项审核准则,例如广泛的市场发展潜力、兼容性、明确的定位(代表它涵盖其它标准所没有具备的独特基础)、技术上的可行性、以及经济上的可行性。2003年 1

8、2月,在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的 I EEE有关 UWB标准的大讨论。关于 UW B技术有两种相互竞争的标准,一方是以 Intel与德州仪器为首支持的 MBOA标准,一方是以摩托罗位为首的 DS?UWB标准,两者的分歧体现在 UWB技术的实现方式上,前者采用多频带方式,后者为单频带方式。摩托罗拉公司的 Xtre me Spectrum芯片,是摩托罗拉的第二代产品,目 前 已 有 样片 提 供,其 数 据传 输 速 度 最 高 可 达114 M bps,而功耗不超过 200mw。而 Intel公司近期在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用 90nm技术工艺处理的UWB芯片;同时,该公司

9、还首次展示多家公司联合支持的、采用 UW B芯片的、应用范围超过 10M 的 480M bps无线 USB技术。在去年 5月中旬由 I EEE802?15?3a工作组主持召开的标准大讨论会议上,两者都没有达到成为标准必须达到 75%选票的要求,因此标准之争还要持续下去。美国在 UW B的积极投入,引起欧盟和日本的重视,也纷纷开展研究计划。位于以色列的 W isair多次发表所开发的UWB芯片组。STM icro、Thales集团和摩托罗拉等 10家公司和团体则成立了 UCAN组织,利用 UWB达成 P WAN的技术,包括实体层、MAC层、路由与硬件技术等。PULSERS是由位于瑞士的 IBM

10、研究公司、英国的 Philips研究组织等 45家以上的研究团体组成,研究 UWB的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在 2003年元月成立了 UW B研究开发协会,计有 40家以上的业者和大学参加,并在同年 3月构筑UWB通信试验设备。多个研究机构可在不经过核准的情况下,先行从事研究。新加坡科学家成功将超宽带技术的传输速率提高到每秒 500兆位元。这是目前世界最快的超宽带传输速率。资讯通信研究院的这项成果已经打破英特尔缔造的每秒 220兆位元(M bps)的记录。3.2?UWB技术在国内发展及现状我国在 2001年 9月初发布的?十五?国家 863计划通信技术主题研究项目中,首次将?超宽

11、带无线通信关键技术及其共存与兼容技术?作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容,鼓励国内学者加强这方面的研究工作。由于得到了信息产业部国家无线电监测中心、中国电子视像行业协会、北京邮电大学、中国科学院移动通信研究所以青岛海尔集团和上海环旭电子集团等部门和单位的大力支持,超宽带技术研究和产品的开发都得到了迅速的发展。以青岛海尔集团和上海环旭电子集团为代表的中国企业在产品开发以及市场化方面走在了世界的前列,与飞思卡尔半导体有限公司合作率先展示并推出了超宽带高清电视和家庭媒体中心等产品和系统,这标志着中国的企业在高新技术的应用开发领域正在迈向世界先进行列!4?UWB技术的未来新技术、新产品的开发需要

12、经过以下四个阶段:1?芯片阶段;2?模块阶段;3?系统阶段;4?产品阶段。DS?UWB已处于模块阶段,而 M BOA 刚刚进入芯片阶段。用户仍需要等待一段时间。即便是达到了产品阶段,还需要经受市场的考验,不然重蹈蓝牙技术的覆辙,昙花未现便已凋零,不管谁赢得了标准之争也只能是一个失败的尝试,这需要整个产业链的共同努力。撇开 UWB内部的标准之争,我们还应该看到在数字化家庭这样一个应用领域 UWB还远远谈不上一花独放。802?11也正在跃跃欲试,WLAN的劣势是她的传输速率比较低和对多媒体数据流的支持不够,但传输距离长却是她的优势。802?11正在试图突破这些技术瓶颈,能否在不久的将来实现值得我们

13、关注。UWB传输距离短的局限(10米)也使得它只能构建微微网,即便在一个家庭内部也无法真正实现网 络化,这需 要结 合有线 的传输 技术,例 如 1394a/b、USB2?0或 USB OTG。有线技术同样具有很多的优点,比如电磁干扰小、传输稳定、安全性高等等,另一个优势是这些标准已经成熟,产品经受过市场的考验,也符合消费者的使用习惯。而在数字家庭领域之外,目前的 UW B还研究的相对比较少,主要几种在地位等少数领域。参考文献:1 http:/ 2 http:/www.uwbforum.org 3 http:/ieee.org 4方旭明,何蓉等.短距离无线与移动通信网络 M.北京:人民邮电出版

14、社.2004.The PresentDevelopment and Application of UWBW ireless Co mmunicationsZ HOU Xiang(Nanjing University of Post and Teleco mmunication,Nanjing 210003,China)Abstract:UWB is a innovational technologyw ith high speed,low cost and low energy consumption.In this article,the history ofUWB is firstly reviewed and then the research progress of the UWB technology both in China and a?broad is discussed.F inaly we present the prospect of the technology.Key words:w ireless communications;UWB;present applications(责任编辑?谢?钢)38