超宽带技术在未来无线通信中的应用与实践探索

卢华

【摘要】 自超宽带技术的商业规范发布以来，超宽带技术因自身的优势，受到业界的广泛关注。本文从超宽带技术的概述入手，介绍了超宽带技术的应用，最后探讨了超宽带技术面临的挑战。

【关键词】 超宽带技术 未来 无线通信 应用 现状

一、超宽带技术的概述

超宽带技术作为一种新型的无线通信技术，解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，是当今最受关注的短距离高速无线通信技术。宽带技术又被称为脉冲无线发射技术，现在被广泛接受的定义是指在3.1GHz到10.6GHz频段之间占用10dB带宽大于500Hz的无线发射方案[1]。传统的无线通信是通过不同的载波频率将信号调制到不同的频带上，载波的频率与功率会在一定范围内发生着变化，传统无线通信就是利用载波的状态变化来进行信息传输的。而超宽带技术无线通信不需要通过载波，它是利用脉冲信号来进行信息传输，其中脉冲信号就是指那些产生与消失时间都极其短暂的信息，这种信号的产生到消失的时间仅用数百微妙到数纳秒以下[2]。它与传统无线通信相比具有如下优点：一是，频带极宽、传输速率极高。超宽带脉冲信号和系统的频带极宽，目前已经实现大于100Mbps的可靠高速无线传输；在相同作用范围的超宽带技术无线通信的速率可以达无线局域网的10倍以上，达蓝牙系统的100倍以上。二是，功率极低，功耗极小。超宽带信号具有极低的辐射功率，并且因为它的频带极宽，这就使得超宽带信号有极低的功率谱密度，甚至可以低于环境噪声电平，从而决定了超宽带通信系统的低截获与低检测特点，并且不会对常规的通信系统产生干扰影响，可以与常规通信系统共享频带达到共存的目的，还可以充分利用频带资源。同时低功率意味着其功耗也低，因而十分适合在移动通信设备的应用，而且可以大大的降低了对人体的辐射危害。三是，可高精度定位、定时，有良好的抗多径效应性能。超宽带技术无线通信系统一般在亚纳秒级的脉冲宽度工作，因而具有亚纳秒级时间分辨率，其多径分辨率也相应的小于30cm，在接收信号时会形成1ns的时间接收窗口，仅接收处理接收窗口内的信号，对多径干扰有很好的抗性[3]。四是，具有更强的穿透能力。超宽带脉冲的频率低，在相同绝对宽带的无线信号中其为最低，因此它具有更强的穿透能力。五是，结构简单，成本低。超宽带技术无线通信系系统中，没有在传统的通过载波变化来实现信息传输的无线通信系统中用到的上变频电路、下变频电路、中频电路以及各种滤波器等，系统结构简单，实现通信相对容易，因此超宽带技术无线通信的成本更低。

二、超宽带技术的应用

随着超宽带技术的应用，该技术为支持高速应用与低速智能设备的短距离无线通信系统的配置提供了可能。超宽带天线系统，使用简单的体制以及编码机制，在短距离内使信息速率大于100Mb/s。超宽带可以在大量的应用场景中使用，比如：高速无线个人网、无线以太网接口链路、智能天线区域网、室外点对点网络，以及传感器，定位与识别网络，其中高速无线个人网、无线以太网接口链路、以及智能天线区域网这三种可以将超宽带设备网络配置在居民区，也可以配置在办公区，用来传送用作娱乐的无线视频、无线音频、以及控制信号。室外点对点网络能够提供室外点对点连接。传感器，定位与识别网络可以在工业环境以及商业环境配置。

2.1高速无线个人网

高速无线个人网是指每个房间的活动设备个数为5到10个，活动范围为1m到10m，数据速率为100Mb/s到500Mb/s，主要是基于点对点拓扑，它是通过现有的有限或者无线标准，经过中继与外部相连[4]。

2.2无线以太网接口链路

无线以太网接口链路能将高速无线个人网的数据速率扩展到更高的数据频率，比如扩展到1Gb/s、2.5Gb/s。无线以太网接口链路需要达到以下条件：一是，在电脑生产厂商方面，需要有以太网的替代品；二是，在消费者的角度，电脑与屏幕之间要有高质量的无线视频传输能力，能够传送无线数字视频。

2.3智能天线区域网

智能天线区域网在室内或者办公室等有高密度设备的地方，其覆盖范围为30m。对智能天线区域网设备有低成本以及低功耗的要求，比如1mW到10mW，可以提供给用户家庭或者办公室的智能分布网。智能天线区域网有准确定位、准确跟踪的功能。

2.4室外点对点网络

超宽带设备配置在室外，主要在PDA上行与信息交换、以及新闻文本、图片、视频的下载等方面适用。采用的标准将会决定室外点对点网络结构是使用集中式或是使用分布式。在欧洲采用的超宽带标准限制在室外配置超宽带设备。但是这种情况也可能随时发生改变，因为超宽带管制的使用也会不断的发展与进步。

2.5传感器，定位与识别网

传感器，定位与识别网具有设备密度高，每层设备数量大概为几百个，主要在工厂或者仓库，将带有定位信息的低俗数据包进行传送的特征。传感器，定位与识别网络设备的使用范围较大，比如是主从拓扑，在单独设备与主站之间的距离可以达到100m。当传感器，定位与识别网在工业中应用时需要具备高级链路可靠性以及自适应的系统特征，达到对动态改变的接口和传播环境做出反应的目的。在传感器，定位与识别网中超宽带起到的重要作用是可以根据用户的需求来提供相应的业务。

三、超宽带的应用领域

3.1通信领域

超宽带在通信领域的应用主要体现在以下几个方面：一是，智能数字家庭网络。用超宽带技术来与各种家用电器有机相连，比如说，电脑、PDA、电视、游戏、音响以及安全系统等。二是，可能成为无线USB或者无线1394的传输物理层标准，因为超宽带可以提供大范围的速率，可以使无线USB的速率要求得到满足。三是，公路信息服务系统。将超宽带技术应用在公路信息服务系统中，它可以提供高速率的信息服务，能够为用户提供路况信息、建筑物信息、以及天气预报等人性化服务，也可以用于汽车防撞系统以及智能收费系统中。四是，应用在军事方面。由于超宽带技术的截获率低、检测率低、以及功耗低等特点，所以最早被应用在均是方面，发展到现在已经相当成熟，主要应用在战场视距战术组网电台、非视距的通信电台、战术通信电台、舰船与飞机内部通信系统、以及单兵作战系统等中。

3.2雷达与监视领域

在雷达方面，超宽带技术的应用研究已经有50多年的历史，雷达领域也是惊呆超宽带技术最早的应用领域。发展到现在，超宽带雷达技术已经十分成熟。当采用亚纳秒级信号时，空间距离的分辨率会很高，当高踞离分辨率与款频谱相结合时，会使得雷达具有更精确的目标识别能力，可以获取复杂目标的细微特征。超宽带雷达系统所发出的信号具有极强的穿透力，可以从树叶、地层以及云层等障碍物中穿透，可以对非常隐蔽的目标进行探测与分辨。它的具体应用有：探地雷达、穿墙雷达、安全监视等。

3.3定位

在生活中有很多地方要用到地位，不管是军用还是民用都需要得到精确的定位信息。具体的来说定位主要用于：跟踪、搜救、搜寻、寻物等。超宽带在定位系统中高的应用不管在室内还是在室外都可以提供精确的位置信息，来给予用户明确的指引。

四、超宽带技术面临的挑战与发展前景

超宽带技术面临的挑战主要有以下几个方面：一是，现今的市场需要可以在窄带载波调制的短距离无线系统，能够提供高速数据速率来传输视频或者准确的位置信息，可以支持位置敏感的应用。因而，这也是超宽带的新的研究目标。二是，在超宽带设备支架的相互干扰问题，以及可达到的QoS级方面依然存在着许多问题。三是，超宽带技术在调制与编码技术领域也存在着挑战。最初的超宽带技术应用在军事领域时，获得高容量不是军事通信的主要目标。但是在商用系统中应用超宽带技术，用户容量是最先需要考虑的。而编码与调制是一种能够改善系统多用户容量的最有效办法，这就需要设计出自适应的调制方法与信道编码机制来达到提高系统容量的目的。虽然在超宽带技术中，平均有效全向辐射功率是很低的，但是在短时间内的峰值功率可能会很大。这就要求了要优化传输技术，来适应不同的信号传播环境，可以提供符合需求的高可靠性以及自适应能力。四是，虽然超宽带系统有很强的抵抗多径影响的能力，但是系统性能也会受到多径效应的影响。五是，系统的复杂性，超宽带血药用到多个并行检测器或者高阶调制。六是，物理层超宽带设备的天线设计与实施，有效天线的设计与实施，是超宽带系统面临的巨大挑战。七是，其他无线信号对超宽带接收机的带来的带内干扰。超宽带设备发射功率谱密度极小，使得超宽带接收机容易受到噪声的干扰与影响。八是，需要研究新的半导体技术应用在超宽带系统中，来结局速度与同步延时以及功率消耗的问题。超宽带技术面临的这些挑战，将会指明超宽带技术的发展方向，当超宽带技术将现今面临的挑战一一的克服掉，那么超宽带技术的发展前景将会更加的光明，应用的范围也将越来越广，超宽带技术在无线通信中应用也将更加的完善，为人们的生活提供更加有效的服务。

五、结束语

超宽带技术作为一种新型技术，在各个领域有着广泛的应用，随着人们对短距离高速数据传输的需求不断提高，超宽带技术也必将会在无线通信中有更进一步的研究与发展。

参 考 文 献

[1]武林俊，李燕文.超宽带技术在未来无线通信中的应用[J].现代电子技术，2007，No.25213：8-11.

[2]曾照华.无线超宽带通信原理及其应用标准[J].电力系统通信，2007，01：15-18+22.

[3]刘芳，潘宇.超宽带（UWB）无线通信技术应用及其发展[J].白城师范学院学报，2007，No.6506：35-37+48.

[4]苗剑.超宽带（UWB）无线通信技术[D].西安电子科技大学，2004.