網絡通信技術論文

1、UWB技術簡介及其應用一、超寬帶的定義現(xiàn)在的超寬帶已經不局限于早期的脈沖形式的無線電，任何無線電系統(tǒng)，只要 它滿足下面的條件之一就稱為超寬帶系統(tǒng)：(1)(2)2(f ?- f ?)?+ ?- ? > 500MHz式中，fH和f L分別是傳輸帶寬的高端頻率和低端頻率。此外，F(xiàn)CC規(guī)定超寬帶設備的功率譜密度不超過 -41. 3 dB M/ H z，以避免對已有的通信系統(tǒng) （比如GPS）產生干擾。FCC的功率譜密度限制顯示在圖1 o圖1 UWB在室內的頻譜屏蔽二、超寬帶的實現(xiàn)技術1. 沖激無線電沖激無線電使用脈位調制，或二進制相移鍵控BPS或者脈沖幅度調制的基帶短脈沖串傳輸數(shù)據(jù)符號。沖激無線電

2、采用跳時或直接序列實現(xiàn)多址接入°在跳時方式中，是通過脈沖到達的時間順序區(qū)分用戶，在直接序列方式中是通過脈沖的極性序 列來區(qū)分用戶沖激無線電系統(tǒng)具有低成本、容易實現(xiàn)、衰落深度淺和好的穿透能力等，但是基帶短脈沖具有一部分低頻分量，這部分低頻分量在高速通信中很難達到FFC 的功率譜密度的規(guī)定。 目前沖激無線電系統(tǒng)通常應用在定位搜索以及低速的數(shù)據(jù)通信中。2. MB -OFDMMB-OFDM多帶正交頻分復用）是由德州儀器提出，得到以In tel與德州儀器為 首的MBOA多帶聯(lián)盟）的支持，MB-OFDM頻分復用和頻率交織技術結合起來。MB-OFD將7.5GHz的帶寬分成了若干個528MHz的頻帶

3、，并且不使用 5.25.7GHz的 802.11a 的頻帶。它的調制方式是正交頻分復用，也就是以時間交織方式在不同 的頻帶上傳輸信息。它使用時頻碼來區(qū)分用戶。MB-OFD僚統(tǒng)能夠支持416個同時發(fā)生的微微網。MB-OFDM有很高的頻譜靈活性，在射頻干擾和多徑效應中具有恢復能力，缺點 是稍微增加了發(fā)射器的復雜性 。3. DS - CDMA 和 DS -UWBDS - CDM（直接序列碼分多址）方式是摩托羅拉集團提出和支持的方案。DS-CDM胳7. 5 GH z 的頻譜分成了 2個頻帶，一個頻帶在 802.11a頻帶的上面，一 個在802.11a頻帶下面。在DS-CDMA方式下，每個數(shù)據(jù)符號是一串

4、按 BPSK/QPSK/MBOK 方式編碼的小波脈沖，多址接入是通過一個低交叉關系的二進制碼的CDMAg碼實現(xiàn)的，它支持8個同時發(fā)生的微微網。Motorola和CRL對DS - CDMA做了重新設計， 改進的DS -CDMA稱為DS -UWB（直接序列超寬帶）。在DS-UW B系統(tǒng)中MBOK調制 被去掉，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將根據(jù)通信距離進行調整 , 而通信距離根據(jù)信號強度測量得到。另外，加進來一個公共的信令方式以容許設備可以在DS-UW B的物理層和MB - UWB的物理層之間交流。 DS -CDMA和DS-UW B的顯著優(yōu)點是很小的干擾、 低復雜性。三、超寬帶的優(yōu)點1超寬帶技術與其他系統(tǒng)共享

5、的方式使用頻譜它使用的頻譜從3.1GHz到10.6GHz,寬度高達7500MHz而無需劃分特定的、專 有的頻段。同時，通過限制發(fā)射功率，超寬帶也可以避免了其他系統(tǒng)對他造成的的 干擾。這樣的頻譜使用方式，在頻譜資源非常緊張的今天是具有重要的意義，這也 是超寬帶興起的主要原因之一。超寬帶的極寬的頻譜和極低的發(fā)射功率，也使超寬 帶系統(tǒng)具有傳輸速率高，系統(tǒng)相對簡單、成本低、功耗低的優(yōu)點。2超寬帶的傳輸速率高，系統(tǒng)相對簡單、成本低，功耗低傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，因為頻帶較窄，要實現(xiàn)100Mps以上的高傳輸速率，必須采用高階調制等方法達到較高的頻譜使用效率。這就對信噪比提出了很高的要求， 同時提高了系統(tǒng)的復雜

6、性。而超寬帶系統(tǒng)的頻帶很寬，幾時傳輸速率高達1Gbps以上時，說需信噪比仍然不高，這就使得系統(tǒng)較為簡單，實現(xiàn)了系統(tǒng)的降低成本和功 耗。3系統(tǒng)成本和功耗低超寬帶如果通信采用的是傳統(tǒng)的基帶窄脈沖形式，因為無需對載波進行調制和 解調，還將使系統(tǒng)的成本和功耗進一步降低。同時低功率的脈沖比起以前雷達和通 信中的大功率脈沖，更容易產生，實現(xiàn)成本更低。4超寬帶信號衰減較小，穿透力強超寬帶采用基帶窄脈沖形式的信號，與利用正弦波攜帶信息的一般無線通信信 號在空中的衰減特性不同。天線發(fā)射的正弦電磁波是一種球面波，在自由空間中的 衰減與距離的平方成反比，在室內多徑通信條件下，衰減與距離的3次方程反比。而具有色當波形

7、的超寬帶瞬態(tài)脈沖具有較強的定向性，其衰減與距離成反比或更小。 因此，在相同功率下，采用基帶窄脈沖形式的超寬帶信號可比一般的調制載波的信 號傳輸更遠的距離。另外，由于基帶窄脈沖中含有角度空的低頻分量，所以在室內 傳播時可以順利地穿過墻壁等一般的障礙物，為超寬帶技術在室內環(huán)境以及透視成 像等領域的應用提供了便利。5超寬帶的定位精度與其帶寬直接相關其帶寬一般在500MHz以上，遠遠高出了一般的無線通信信號，因此，其所能實現(xiàn)的定位精度也很高。基帶的窄脈沖的信號，因為其帶寬通常在數(shù)GHz所以其定位精度更是可以高達厘米量級。四、超寬帶的應用超寬帶無線通信技術的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通

8、信 時，傳輸距離較近，一般在 10到20米左右，進行較低的速率無線通信和定位時，傳 輸距可更遠。超寬帶采用基帶脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信，成像或定位。與全球定位系統(tǒng)相比，超寬帶技術的定位精度更高。根 據(jù)上述的功能，超寬帶技術可以應用于無線多媒體局域網、家域網、個域網，無線 傳感網，雷達定位、成像系統(tǒng)和交通系統(tǒng)，以及應用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、 測量等多個領域。1. 無線多媒體局域網、家域網、個域網在無線多媒體局域網、家域網、個域網中，各種數(shù)字多媒體設備，如數(shù)碼攝像 機、MP播放器、數(shù)字電視、計算機、投影儀、各種智能家電等，根據(jù)需要，在小范 圍內組成組織式的網絡，

9、互相傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的寬帶網關， 接入因特網，構成一個智能家庭環(huán)境。 表1列舉了目前的一些無線多媒體業(yè)務對數(shù)據(jù) 傳輸速率的要求，目前只有超寬帶技術可以滿足各種無線多媒體應用的傳輸速率需 要。應用要求的速率應用要求的速率無線視頻投影15 70Mbps大容量多媒體文件拷貝100Mbps 以上高清晰度電視20 80Mbps替代有線電纜IEEE1394a100/200/400Mbps數(shù)碼攝像機27MbpsUSB2.01.5/12/480Mbps表 1 無線多媒體應用對傳輸速率的要求2. 無線傳感網無線傳感網中，通常要求傳感器的功耗非常小，可以連續(xù)工作數(shù)月、甚至數(shù)年 之久而不需要充電

10、。目前的做法是通過媒體的計入控制層和網絡層的協(xié)議涉及，盡 量減少不必要的傳輸，來有效地利用無線信道和能量資源。在此基礎上，采用極低 功耗的超帶寬物理層，可以大大簡化 MAC層和網絡層的復雜度，使系統(tǒng)總體功耗進 一步降低。3. 智能交通系統(tǒng)UWB除 了高速和低功耗的特點外，還具有定位和搜索能力。利用超寬帶的定位 和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易 駕駛。 當汽車的前方、 后方、旁邊有障礙物時， 該雷達會提醒司機。 在停車的時候， 這種基于UWB的雷達是司機的強有力的助手。因為UWB是高速的無線通信技術。利用UW阿以建立智能交通管理系統(tǒng),這種系統(tǒng)應該由若干個站

11、臺裝置和一些車載 裝置組成無線通信網，兩種裝置之間通過UWE進行通信完成各種功能。例如實現(xiàn)不停車的自動收費，汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取，站臺 方對移動汽車的定位搜索和速度測量等軍事、救援和安全等領域采用基帶脈沖方式 的超寬帶系統(tǒng)，具有較強的穿透障礙物進行通信的功能，在軍事、消防、勘測等領 域有著廣泛的用途。4. 成像應用由于 UWB 具有好的穿透墻和樓層的能力， UWB 可以應用于成像系統(tǒng)。 利用 UWB技術，可以制造穿墻雷達和穿地雷達。穿墻雷達可以用在戰(zhàn)場上和警察的防暴行動 中，定位墻后和角落的敵人。地面穿透雷達可以用來探測礦產，在地震或其他災難 后搜尋幸存者?；?UWB勺成像系統(tǒng)也可以用于避免使 X射線的醫(yī)學系統(tǒng)。5. UWB 應用于智能標識（1）存貨跟蹤和系統(tǒng)服務將UWB節(jié)點安裝在大商場的入口和每個商店里。該商場的每個產品都有一個UWB的射頻標簽以便隨時對它的地點進行探測。在商店的入口，用戶可以用PDA下載產品的多媒體目錄，當選擇了產品A,用戶就能夠得到產品 A在特定商店的位置。（ 2）文檔和書的管理在辦公室和圖書館，每個文檔和書 （包括電子書）附有一個UWB的射頻標簽。 利用UWB的精確定位能力，人們通過 PC、PDA或其他的終端可以很容易地找到想 要的文檔或書。五、對超