超宽带无线通信技术和应用领域
超宽带无线通信技术和应用领域
摘要：首先简要介绍了超宽带（uwb）的系统框架，而后介绍了其主要技术特征和标准化情况，最后对uwb技术的应用前景进行了展望。
关键字：超宽带、mb-ofdm、ds-cdma、ieee802.15.3a、无线usb、蓝牙
一、概述
超宽带uwb（ultra wideband）是一种无载波通信技术，起源于上世纪60年代，过去仅应用在军事雷达和定位设备中。随着无线通信技术的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出。uwb利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，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。所以uwb是一种高速而又低功耗的数据通信方式。
uwb系统的完整架构如图 1所示。最下层为物理层和mac层，在其上为汇聚层，汇聚层的上面就是应用层的无线usb、无线1394和其他的应用环境。而本文下面提到的mb-ofdm和ds-cdma均属于物理层和mac层的技术方案。
图 1 uwb系统架构
二、uwb的两大技术标准
2003年，在ieee802.15.3a工作组征集提案时，intel、ti和xtremespectrum分别提出了多频带（multiband）、正交频分复用（ofdm）和直接序列码分多址（ds-cdma）三种方案，后来多频带方案与正交频分复用方案融合，从而形成了多频带ofdm（mb-ofdm）和ds-cdma两大方案。下面分别对这两种方案进行介绍。
1．mb-ofdm和ds-cdma方案技术特征
mb-ofdm的核心是把频段分成多个528mhz的子频带，每个子频带采用tfi-ofdm（时-频交织正交频率复用）方式，数据在每个子带上传输。传统意义上的uwb系统使用的是周期不足1ns的脉冲，而mb-ofdm通过多个子带来实现带宽的动态分配，增加了符号的时间。长符号时间的好处是抗isi（符号间干扰）能力较强。但是这种性能的提高是以收发设备的复杂性为代价的，而且由于ofdm技术能使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通信距离也会较远。
ds-cdma最早是由xtremespectrum公司提出的。它采用低频段（3.1~5.15ghz）、高频段（5.825~10.6ghz）和双频带（3.1~5.15ghz和5.825~10.6ghz）三种操作方式。低频段方式提供28.5~400mbit/s的传输速率，高频段方式提供57~800mbit/s的传输速率。ds-cdma在每个超过1ghz的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用24个码片的ds-ss（直接序列扩频）实现编码增益，纠错方式采用r-s码和卷积码。
表 1给出了mb-ofdm和ds-cdma两种方案的主要技术参数。
表 1 mb-ofdm和ds-cdma两种方案的主要技术参数
2．uwb标准化现状
从以上两种技术方案提出之日起，ieee802.15.3a工作组中就一直不能达成一致。从技术上来讲，mb-ofdm和ds-cdma是无法彼此妥协的，ds-uwb曾提出一个通用信令模式，希望与mb-ofdm兼容，但被mb-ofdm拒绝。经过三年没有结果的争辩竞争，ieee802.15.3a工作组宣布放弃对uwb标准的制定，工作组随即解散。
ieee802.15.3a工作组解散后，mb-ofdm的支持者wimedia论坛转而取道ecma/iso想要激活标准。2005年12月，wimedia与ecma international (国际欧洲计算机制造商协会)合作制定并通过了建立ecma 368/369。ecma 368/369基于mb-ofdm技术，支持的速率高达480mbps以上。ecma已向iso提交此标准，据称该标准有望于今年第四季度成为iso标准。
三、uwb技术的应用前景
随着ieee802.15.3a工作组的解散，双方将继续在技术上竞争，也许市场将决定哪种技术最终获胜。图 2给出了uwb的应用领域，可见uwb的应用遍及个人电脑，消费电子产品以及移动通信领域。
图 2 uwb应用领域
（1）pc及外围设备
uwb技术可以为pc用户提供取代线缆的无线usb，从而为pc和打印机、扫描仪、键盘、显示器等外围设备提供无线的连接。
（2）移动电子类设备和通信设备
一旦pc采用uwb作为短距离线缆的替代方案，数码相机、数码摄像机以及移动消费电子类产品将随之改变。uwb技术不仅可将所有的影像捕捉设备与个人电脑互联，而且可以将其直接连接到显示设备、打印机和p2p设备；而uwb技术也使得移动电话变成个人服务器，可以直接与个人电脑、打印机、大屏幕显示器、扬声器和汽车电器互联。
（3）家庭消费电子类产品
uwb技术将会消除家庭娱乐设备之间的电缆，并且将提供个人电脑，家庭娱乐设备以及消费电子设备之间的无线互联。
在uwb相关应用方面，mb-ofdm已被usb-if采纳为无线usb的技术；同时，今年3月份，bluetooth sig（bluetooth special interest group，蓝牙特别兴趣小组）宣布将结合mb-ofdm技术和现有蓝牙技术，从而实现新的高速传输应用。相比之下，ds-cdma的发展就略逊一筹，为了抢占庞大的usb市场，今年1月份，uwb forum成立了cable-free usb initiative，开发其自有的无线usb规范。
在尚未明朗的无线1394领域，就两大联盟的参与者来看，uwb forum中有sony的参与，而sony在家电等相关产品中有相当程度的影响力，所以在无线1394的发展上，uwb forum的实力仍不可小视。
四、总结
2006年1月ieee宣布解散802.15 tg3a工作小组，uwb未来的发展就交由市场来决定，wimedia-mboa和uwb forum两大阵营的竞争更加白热化。从两大联盟的参与者和目前相关应用采纳程度来看，wimedia-mboa已获得usb if和bluetooth sig的接纳，未来在pc相关应用发展上有较大优势；而uwb forum则有移动设备相关制造商freescale、motorola以及家电制造商sony的支持，未来在通信和消费电子类产品的应用应该可占有一席之地。
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uwb系统的完整架构如图 1所示。最下层为物理层和mac层，在其上为汇聚层，汇聚层的上面就是应用层的无线usb、无线1394和其他的应用环境。而本文下面提到的mb-ofdm和ds-cdma均属于物理层和mac层的技术方案。
图 1 uwb系统架构
二、uwb的两大技术标准
2003年，在ieee802.15.3a工作组征集提案时，intel、ti和xtremespectrum分别提出了多频带（multiband）、正交频分复用（ofdm）和直接序列码分多址（ds-cdma）三种方案，后来多频带方案与正交频分复用方案融合，从而形成了多频带ofdm（mb-ofdm）和ds-cdma两大方案。下面分别对这两种方案进行介绍。
1．mb-ofdm和ds-cdma方案技术特征
mb-ofdm的核心是把频段分成多个528mhz的子频带，每个子频带采用tfi-ofdm（时-频交织正交频率复用）方式，数据在每个子带上传输。传统意义上的uwb系统使用的是周期不足1ns的脉冲，而mb-ofdm通过多个子带来实现带宽的动态分配，增加了符号的时间。长符号时间的好处是抗isi（符号间干扰）能力较强。但是这种性能的提高是以收发设备的复杂性为代价的，而且由于ofdm技术能使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通信距离也会较远。
ds-cdma最早是由xtremespectrum公司提出的。它采用低频段（3.1~5.15ghz）、高频段（5.825~10.6ghz）和双频带（3.1~5.15ghz和5.825~10.6ghz）三种操作方式。低频段方式提供28.5~400mbit/s的传输速率，高频段方式提供57~800mbit/s的传输速率。ds-cdma在每个超过1ghz的频带内用极短时间脉冲传输数据，采用24个码片的ds-ss（直接序列扩频）实现编码增益，纠错方式采用r-s码和卷积码。
表 1给出了mb-ofdm和ds-cdma两种方案的主要技术参数。
表 1 mb-ofdm和ds-cdma两种方案的主要技术参数
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