超寬帶無線通信解決方案的分析與比較解析

1、2 0 0 6年第2期（總第2 8 4期_覽帶網踣與傳輸）文章編號：1 002 8692 （2006） 02 0058 03超寬帶無線通信解決方案的分析與比較*耿鵬，鄒傳云，游路路（桂林電子工業(yè)學院通信與信息工程系，廣西桂林5 4 1 0 0 4 ）【摘要】介紹了基于超寬帶（UWE ）無線通信技術的各種優(yōu)勢。對目前應用較為 廣泛的直接序列超寬帶（DSUWB ）和多頻帶超寬帶（MB UWB ）兩種方案進行了比較分析，并對FrcescalcUWB和WisairUWB的兩種具體產品進行了分析。針對家庭和小型辦公場所 提出了 UWB AdHoc網絡的實現結構。【關鍵詞】超寬帶；直接序列；多頻帶；UWB

2、 AdHoc網絡【中圖分類號】TN915.6【文獻標識碼】BAnalyzingandComparingtheUltrawideBandWirelessCorrespondenceSolutionsGENGPeng,ZOUChuan-yun,YOULu-lu(Dept.ofCommunicationandlnformatio nEngineering,GuilinUniversityofElect ronicTechnology,Guilin541004,China)AbstractlVariouskindsofcharacteri sticsofultra-widebandtechnology

3、arein troducedbasedontheelementarytheory.D irect-SequenceUWBandMulti-frequencyBands UWBtechnologieshavebeencomparedandan alyzed.TwokindsofconcreteproductsFreescale-UWBandtheWisair-UWBhavebeenanalyzed.StructurefortherealizationofUWB-AdHocnetworkforhomeandsmallofficeisproposed.Keywordslultra-wideband;

4、direct-se quence;multi-frequencybands;UWB-AdHo cnetwork?實用技術？1引言超寬帶(UltraWideBand,UWB )無線通信技術具有低成本、低功耗、高容量、高速率、抗多徑衰落、精確定位等特點。目前，在 日益增多的電子設備之間，它是實現小范圍高速無縫的無線多媒體傳輸的理想技 術。由于直接序列超寬帶（DS-UWB ）技術和多頻帶超寬帶（ME UWE） 技術在實際應用中的突出表現，目前超寬帶的標準和市場之爭實際上是這兩種技術 之爭。支持這兩種技術的代表性公司分別是Frcescalc和Wisair, 隨著FrcescalcUWB和WisairU

5、WB先后通過FCC認證，超寬帶無線通信技術將 在激烈競爭中快速發(fā)展起來。2超寬帶無線通信技術的優(yōu)勢1）低功耗、低成本超寬帶無線電發(fā)射的是由信息和用戶地址碼共同控制脈沖起點的沖激脈沖串，使用間歇的脈沖來收發(fā)數據，因而大幅度降低了功 耗，延長了電源的供電時間。另外，由于不使用載波電路，不需要上、下變頻，可 以減小系統(tǒng)的復雜性。脈沖發(fā)射機和接收機適于芯片集成，使得系統(tǒng)結構簡單、體 積小，降低了成本。2）高容量、高速率空間容量定義為單位面積信號覆蓋區(qū)域內系統(tǒng)的吞吐量（bit/（s ? m2） 1。超寬帶的低功率特性使得它的空間效率很高，而且如采用AdHoc技術進行組網，利用AdHoc網絡的多跳特 性，

6、可以減小超寬帶發(fā)射機的發(fā)射功率和覆蓋區(qū)域，從而進一步提高超寬帶系統(tǒng)的 空間容量。也就是說在一個給定區(qū)域，可以有更多的發(fā)射機同時工作，這樣提高了 系統(tǒng)空間利用率，增加了系統(tǒng)的用戶容量。3) 精確定位超寬帶的頻譜范圍很寬，因而可以達到很高的空間分辨率，確定3 0cm以內 的傳輸節(jié)點的位置2。在U WB-AdHoc網絡中，利用超寬帶測距和定位技術，每個節(jié)點都可以了解到周圍 節(jié)點相對于自己的位置，將這些相對位置信息集中在一個或幾個節(jié)點之中，即得到 整個網絡的相對拓撲結構。這與昂貴的GPS定位系統(tǒng)相比，無疑是有優(yōu)勢的。藍 牙等窄帶技術使用RSSI (無線信號強度指標)以測量入局信號的強度來進行定 位。但

7、RSSI的精確率通常較低，如果傳輸設備前面有一個物體，就會降低信號 強度，其測量值就會有偏差。顯然，基于超寬帶的測距和定位技術更勝一籌。文獻 3在介紹了測距和定位基本概念的基礎上分析了兩種超寬帶定位協議，即基于 錨(anchor-based)的協議和基于無錨(anchor-frec)的協議，并與其他無線定位技術進行了比較。4) 抗多徑衰落多徑衰落是指反射波和直射波疊加后引起的接收信號幅度的隨機變化，它是無線通信的一大障礙。而UWB*國家自然科學基金項目：沖激無線電新調制方法研究(60472092)ide hand n(?hr urk & tran.n isskinVIDEOENGINEERIN

8、GNo.22006 (SumNo.2 8 4 )已領先一步，應用在海爾的高清晰度電視上，此事被稱作超寬帶技術在家庭應 用領域的一個里程碑。這款電視可以在最大2 0m的范圍內以1 14Mbps的速 率進行數據傳輸，可多信道同時無線傳輸HDTV影像。這讓無線播放器有了更大 的空間，也是未來智能化家庭的一個標準無線模式?？赡茏璧KWisair-UW E應用的是其對MAC協議的定義，MEOA聯盟為超寬帶網絡制定了一個新的M AC層標準（mlnlMAC），這無疑是抵制了IEEE802.15.3 MA C標準。而IEEE802.15.3 a任務組已經規(guī)定，無論最終選擇哪一個物 理層標準，都將采用現有的IEE

9、E802.15.3媒體訪問控制器。3.2兩方案的市場前景注意到了 FrcescalcUWE和WlsalrUWE解決方案均可 與IEEE802.1 1 a/b/g、藍牙、GPS等技術共存。由于無系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間極短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接 收已經完成。這使得多徑遲延的分辨率達到納秒級，從而大大提高了時間分辨率， 可以顯著提高抗多徑衰落的能力。5）常見短距離無線通信技術統(tǒng)計目前涉及此方面的技術很多，表1所統(tǒng)計的是由工業(yè)化標準組織或工業(yè)協會推 出的具有一定使用規(guī)模的技術。3直接序列超寬帶與多頻帶超寬帶技術分析FCC（FederalCommunlcatlonsCommlsslo n）

10、對超寬帶的定義3是：信號頻譜的帶寬與其中心頻率之比大于等于20%或者絕對帶寬大于等于500MHz。該定義并沒有約定信號的時域波 形特征，所以產生超寬帶信號的方式并不唯一，即超寬帶無線通信系統(tǒng)的實現方案 也不一樣。目前應用較為廣泛的兩種方案為直接序列超寬帶（DS-UWB ）和多頻帶超寬帶（ME UWE）。這兩種方案的物理層建議的比較 見表240DSUWB在頻率利用率、定位、收發(fā)器實現方面較有優(yōu)勢，而MB UWB抗碼間串擾（ISI）和多 徑干擾能力較強。如果主要考慮的是地理上的共存性及降低采樣率，那么MB-U WB較合適；對魯棒性要求高和覆蓋率要求大的系統(tǒng)，則應當選擇DSUWB系 統(tǒng)。針對超寬帶的

11、標準和市場之爭實際上是這兩種技術之爭。3.1FreescaleUWB和WisairUWB目前，圍繞著超寬帶國際標準形成了兩個針鋒相對的集團。一方是由Free scaleSemiconductor等公司所組成的團體，另一方是由TI， Intel，Wisair等公司組成的MBOA聯盟（于2 0 0 5年3月4日與WiMedia聯盟合并）。前者的 超寬帶解決方案應用的技術是DSUWB，后者是MB UWB。具有代表性的芯片組是FreescaleUWB和Wis airUWB，兩者均已通過FCC認證。FreescaleUWB解決方案包括射頻收發(fā)器（MC270113）、基帶處理器（MC 2 7 0 1 2

12、3 ）和MAC控制器（MC 2 7 0 1 4 3 ）三部 分，采用0 .18mCMOS和SiGe技術構建。其中射頻收發(fā)器能夠通過晶體管的脈沖，創(chuàng)建脈沖信號，形成一個以基帶速度運行的網絡；基帶處理器提供多 個前向糾錯能力，以便快速采集和靈活跟蹤；MAC控制器基于IEEE802.15.3流媒體應用。FrcescalcUWE方案體系結構如圖1所示。WisairUWB是MEOA聯盟目前唯一能在速率上(1 10Mbp s)和FrccscalcUWB相媲美的超寬帶解決方案。該方案包括射頻收 發(fā)單元(Wisair 5 0 2 )及數字基帶處理/MAC單元(Wisair531 )。其中Wisair 5 0

13、2 采用 0 .18 umSiGeBiCMOS 技術制造，耗電量 2 0 0 mW;Wisair531 采用0 .13 g規(guī)格的CMOS技術，耗電量3 0 0 mWoWisairUW B方案體系結構如圖2所示。從家庭和小型辦公場所的應用來看，FreescaleUWB技術/Mbps/GHz/m/mWIEEE802.11a5451 040250IEEE802.11b11 2.4 2 5 10 030IEEE802.11g5 4 2.4 2 5 5079 藍牙1(v1.1)2.41 0100 1HiperLAN254530 15 0 1 0 0 0 IrDA4紅外光(8 5 0 nm)10依距離Ho

14、meRF1(v1.0)/10(v2.0) 2.450100 UWB1104 8 03.1 1 0.6101以下表1短距離無線通信技術部分指標比較 技術頻率范圍/GHz調制方式多址方式糾錯碼碼元速率/Mbps鏈路預算緩解多徑方式DS-UWB1.3 6 8 GHz,2.7 3 6 GHzA群：3.25.15B群：5.810.6BPSK,QPSK,DSSSCDMA卷積碼和RS碼1/2卷積碼110RS(255,223)200RS(255,223)4806.7dB10m110Mbps11.9dB4m200Mbps1.7dB2m480Mbps判決反饋均衡和RAKEMBUWB11個可選頻段5 2 8 MHz

15、A群：3.1684.752B群：4.752 6.072C群：6.0 7 2 一8.184。群：8.184一10.296TFIOFDM(12 8 點F FT),QPSK時間一頻率交織（TFI）卷積碼1 1/32卷積碼1105/8卷積碼 2 0 0 3 /4卷積碼48 05.3dB10m110Mbps10dB4m200Mbps11.5dB2m480Mbps1個抽頭，60.6ns延遲擴展表2兩種超寬帶方式部分指標比較5 92 0 0 6年第2期(總第2 8 4期匚1扯問網絡口傳輸)圖2Wisair-UWB體系結構圖接收射頻控制發(fā)送主機接口高速數據傳輸物理層射頻芯片媒體/物理層基帶芯片主機主機接口MA

16、C處理器HCI邏輯MAC 接口基帶（PHY）基帶LNA發(fā)射器定時收發(fā)器偏壓/控制射頻前端射頻收發(fā)器晶體天線ADC圖1 FrcescalcUWE體系結構圖線通信網絡市場不僅僅要考慮技術的優(yōu)越性，還需考慮市場的影響，所以在一 個長時期內各種WPAN技術還將共存下去。特別是藍牙技術，從1 9 9 8年5月 愛立信、諾基亞等公司聯合組成藍牙特別興趣小組（BluetoothSpeci alInterestGroup,BSIG）至今，已經有數以千計的企業(yè)加入 了該組織。藍牙產品也先后被推出，比較成熟的應用包括：藍牙耳機、藍牙手機、 藍牙鍵盤等，目前已有二億五千萬的藍牙技術消費者。藍牙的市場優(yōu)勢和超寬帶的

17、技術優(yōu)勢最終會成為將兩者結合在一起的重要因素。另外，FreescaleUWB和WisairUWB均支持AdHoc網絡體系結構。在家庭使用場合，UWB AdHoc網絡可用于數字 電視、PC機、手機、無繩電話、打印機、機頂盒等設備之間文件和數據流的高速 傳輸。一種適合此應用的UWB AdHoc網絡結構，如圖3所示。網絡中的設 備均為超寬帶設備，這些設備構成AdHoc網絡。假定此網絡為多跳結構，則可 分為兩個區(qū)域：鏈路域和多跳域。鏈路域中的節(jié)點均在各自的通信范圍之內，且可 通過多跳方式與其他鏈路域節(jié)點進行通信。整個家庭網絡構成一個多跳域。網絡中 的各個節(jié)點均為對等節(jié)點，任何節(jié)點均可和其他節(jié)點進行端對

18、端的通信。超寬帶技 術和AdHoc網絡技術都是當今無線通信的熱點技術，它們的結合有著廣泛的應用前 景。4小結近幾年來，隨著個人和家庭擁有的通信設備和電氣設備的不斷增加，通信容量不斷提高，人們對各種設備的通信質量要求也越來 越高，超寬帶無線通信技術正好滿足了這一要求。超寬帶無線通信技術的發(fā)展還處在初級階段，它的應用潛力 是無法估量的。參考文獻1 方旭明，何蓉短距離無線與移動通信網絡M 北京：人民郵電出 版社，2 0 0 4.2 FONTANARJ,RICHLEYE,BARNEYJ.Comm ercializationofanUltraWidebandprecis ionassetlocationsystemC/Proc.IEEE ConferenceonUWBSystemsandTechnologi es.NewYork:IEEEPress,2003:369373.3 BENEDETTOMCD