超宽带无线通信技术(3)

基于超宽带(UWB)技术自身的特点，UWB在短距离无线连接领域将有广阔的发展前景。目前，各大标准化组织和团体正在加紧制订基于UWB的各种技术标准。前两期主要介绍了超宽带技术的概念和基本原理、信道特征及接收机关键技术。本期为本讲座的最后一期，将介绍超宽带技术的应用前景和标准化情况。

8 UWB技术的应用
      通常认为，短距离无线网络主要是指无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)。从网络覆盖半径区分，WLAN覆盖50～100 m的范围，WPAN覆盖围绕个人空间10 m左右的地理范围。根据对超宽带(UWB)的容量分析可知：UWB的容量优势主要体现在10 m左右的覆盖区域。因此，UWB的应用主要定位于WPAN，结合多跳自组织网络(Ad hoc)技术，网络拓扑可以灵活变化，覆盖范围可以不断延伸。

      目前，IEEE关于WPAN的技术标准可分为两个层次：高速WPAN标准IEEE 802.15.1、IEEE 802.15.3和低速WPAN标准IEEE 802.15.4。其中，802.15.1采用蓝牙(Bluetooth)作为物理层传输技术，提供最高1 Mb/s的传输速率和10 m的传输距离，适用于中低速无线连接。802.15.3工作于2.4 GHz免授权频段，采用网格编码调制技术，提供最高55 Mb/s的传输速率，可支持高速视频流、大文件传输等应用。802.15.4采用ZigBee技术作为物理层传输技术，提供的最高传输速率为250 kb/s，通过降低传输速率可将通信距离延伸至30 m或更远。其优势在于价格和功耗，主要应用于遥控、传感器等低端产品。UWB技术凭借其自身的技术特点，在高、低速WPAN应用中都将成为有力的竞争者。

8.1 高速WPAN中的应用
      高速WPAN的主要目标是解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以实现信息的快速交换、处理、存储等，其应用场合包括办公室、家庭。个人空间内的设备类型非常丰富，大体分为三大类：电脑及其外围设备，包括个人PC、大容量移动硬盘、打印机、扫描仪、显示器、键盘、鼠标等；家用音视频娱乐设备包括DVD、CD播放机、数字电视机、数控音响等；便携式终端，包括笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、手机、摄像机、数码相机、MP3等。这些设备大部分对通信速率和实时性要求很高，当前他们之间主要通过通用串行总线(USB)、1394总线等高速总线进行连接，通信速率高达几十兆比特至几百兆比特每秒。采用UWB技术为这些设备提供高速无线连接将是比较理想的解决方案，配合上层协议灵活地改变网络拓扑，既可以实现点对点连接，也可以实现多个设备互连。下面给出几个应用实例：

      (1)家庭多媒体应用
      随着技术的不断进步，家用电器的范畴不断扩大，家用电器向数字化、智能化、网络化的方向发展，其中音视频娱乐设备最为普及。利用UWB技术为这些设备提供高速无线连接，无需使用电缆即可建立家庭多媒体网络。各种设备在小范围内组成自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关接入英特网。图13所示是UWB的典型应用，包括机顶盒、DVD和数码摄像机与数字电视的无线连接，数码照相机与电视机、打印机之间的连接等。

      (2)计算机桌面应用
      在计算机桌面上，汇聚了个人PC/手提电脑及键盘、显示器、扬声器、打印机、扫描仪、鼠标、移动硬盘等一系列外部设备。当前，电脑与各种外设之间通过错综复杂的线路相互连接。如果采用UWB技术将它们以无线的方式连接起来，则将改善线路连接情况。用户甚至没有必要将所有这些设备都放置在同一个桌面或房间内，每种设备可以被自由地移动位置。这类应用一般只需要支持2～4 m的传输距离，但速率要求可以从几万比特至几百兆比特每秒。

      (3)多媒体会议应用
      UWB技术还可应用于会议室等场所。参会人员坐在会议室中，能够利用自己的便携式电脑组建临时性的自组织网络。大家既可以自由地交换各种信息，也可以共享带有图像和音频的演示文档，还可以方便地共享投影仪、打印机等设备，如图14所示。

8.2 低速WPAN中的应用
      低速WPAN的主要应用包括家庭自动化、资产跟踪、工业控制、医疗监护、安全与风险控制等。这类应用对传输速率要求较低，通常为几千比特至几万比特每秒，但他们对成本和功耗的要求很高，在很多应用中还要求提供精确的距离或定位信息。

      低速WPAN的应用很多可以归纳到无线传感器网络(WSN)的范畴。WSN在工业监测、环境监测、智能交通、家庭安全等方面具有广泛的应用前景。每个WSN由大量带有无线网络功能的独立传感器节点构成，多个传感器节点以无线的形式组成网络，彼此通信和交换各种信息。WSN在网络结构上通常采用自组织的形式，网络拓扑具有随机变化的特点，节点信息往往需要通过中间节点进行多次转发才能到达目的节点。因此，WSN中的路由问题相当重要，若将各节点的地理位置信息作为路由计算的辅助信息，将很大程度上简化路由算法，降低能量消耗。对某些特定应用，如资产跟踪、人员跟踪、家庭安全等，位置信息是最为关键的信息。因此，精确的测距和定位功能对这些应用非常重要。

      UWB具有功耗低、复杂度低、定位精度高的特点。因此，在WSN中采用UWB作为无线连接手段，不但可以满足低成本、低功耗的要求，同时可以提供非常精确的定位信息。

9 UWB标准化进程
      在UWB技术的规范化和标准化方面，美国走在世界前列。目前，只有美国制订了完整的商用UWB技术使用规范并规划了免授权频段。在美国之后，日本、新加坡等国家和ITU组织也逐步开始制订UWB的相关规范。UWB技术的标准化成果主要包括高速WPAN标准IEEE 802.15.3a、低速WPAN标准IEEE 802.15.4a、无线USB(WUSB)标准、无线1394(W1394)标准。下面对它们分别进行介绍。

9.1 IEEE802.15.3a
      早在2001年美国联邦通信委员会(FCC)酝酿UWB技术民用化的时候，美国IEEE协会中负责制订WPAN标准的802.15工作组就准备将它用于802.15.3标准的物理层，以适应不断发展的高速多媒体应用。为制订基于UWB技术的高速WPAN物理层标准802.15.3a，先后成立了3a研究组(SG3a)和3a任务组(TG3a)。经过前期预研，SG3a于2002年8月完成了关于市场潜力、兼容性、显著性、技术可行性和经济可行性的5C技术报告。2002年12月，TG3a完成了技术需求报告和标准提案选择规则，并于2003年1月公布了标准提案筛选程序。根据TG3a提出的技术要求，IEEE 802.15.3a在10 m范围内提供至少110 Mb/s的传输速率，在4 m范围内提供至少200 Mb/s的传输速率，误包率应低于8%，并将480 Mb/s作为备选的高速率等级。要求支持4个微微网(Pico-net)同一区域同时工作。关于兼容性、功耗等诸多因素也进行了明确的规定。

      早期关于IEEE 802.15.3a的标准提案多达30项。经过TG3a多个轮次的筛选，大部分提案被淘汰或合并，最后只剩下两个提案：一个是以Intel公司为首的多带正交频分复用联盟(MBOA)提交的多带正交频分复用(MB-OFDM)方案，另一个是以Freescale公司(前摩托罗拉半导体部门)为首的UWB论坛提交的直扩码分多址(DS-CDMA)方案。按照TG3a制订的提案筛选程序，一项提案要成为标准需得到全体成员75%以上的票数。由于双方的得票率始终不能超过75%，而且两种方案的差异太大，合二为一的可能性极小，致使IEEE 802.15.3a标准至今难以最终确定。

      (1)MB-OFDM方案
      MBOA支持的MB-OFDM方案将3.1 GHz～10.6 GHz频段分为13个带宽为528 MHz的子带。在第一代产品中，采用了3.1 GHz～4.9 GHz频段的3个子带(中心频率分别为3 432 MHz、3 960 MHz、4 488 MHz)。每个子带内采用正交频分复用(OFDM)调制，从而保证瞬时信号带宽大于500 MHz。为支持4个微微网同时工作，采用跳频多址技术，每个微微网使用特有的时频码。系统发射端框图见图15。

      OFDM调制采用128点IFFT完成，有效子载波数为100，其余子载波用于导频数据传输和频谱调整。为满足FCC对辐射谱密度的限制并减弱峰均比，每个子载波仅采用正交移相键控(QPSK)实现星座映射。采用60.6 ns的循环前缀克服多径时延扩展可能引起的符号间干扰。为便于实现载波频率切换，OFDM符号之间增加了9.5 ns的保护间隔。信道编码采用约束长度为7、码率为1/3的卷积码，并通过“凿孔”技术调整编码效率，以便根据信道状况调整数据速率。为进一步获得分集增益，采用了信道交织和扩频技术。信道交织包括OFDM符号内的子载波交织和不同子带间的交织两个层次，极大地提高了频率分集增益。利用“镜像”子载波数据的共轭对称特性，可获得两倍的扩频增益。表4列出了MB-OFDM系统的技术参数。

      (2)DS-CDMA方案
      超宽带论坛支持的DS-CDMA方案将3.1 GHz～10.6 GHz频段划分为高、低两个频段，分别为3.1 GHz～5.15 GHz(低频段)和5.825 GHz～10.6 GHz(高频段)，两个频段可以分别使用或联合使用。为避免与802.11a等系统相互干扰，两个频段之间的免授权国家信息基础设施(U-NII)频段不被使用。单独使用低频段，可实现28.5 Mb/s～400 Mb/s的传输速率；单独使用高频段，可实现57 Mb/s～800 Mb/s的传输速率；两个频段联合使用时，可实现高达1.2 Gb/s的传输速率。DS-CDMA方案可以支持最多8个微微网同时工作，4个工作在低频段，4个工作在高频段。同一频段的4个微微网使用不同的扩频码集合避免相互干扰。在Freescale公司的第一代芯片中仅使用低频段。图16为DS-CDMA系统的发射端框图。

      为提高传输效率，DS-CDMA系统采用多进制双正交键控(M-BOK)方式进行符号扩频，扩频后的码片映射成BPSK或QPSK星座进行传输。为提高传输可靠性，DS-CDMA系统的信道编码采用卷积码、RS(Reed-Solomon)码以及级联码。DS-CDMA系统通过卷积交织技术进一步提高系统抗衰落能力。根据信道状况，系统传输速率可以通过选择不同的星座、信道编码方案、M-BOK方案进行配置。表5列出了DS-CDMA方案低频段的速率参数。

9.2 IEEE802.15.4a
      自2002年11月，IEEE开始酝酿建立基于UWB的低速WPAN物理层标准IEEE802.15.4a。目的在于提供比802.15.4更高的传输速率、更低的功耗、更远的距离、更低的价格，尤其强调了精确的测距和定位能力。2003年7月，研究工作组SG4a正式成立并开始广泛征集相关信息。2004年1月，SG4a完成了5C技术报告。2004年3月，TG4a工作组正式成立并开始制订技术需求报告、标准提案筛选规则及筛选程序。按照TG4a制订的技术需求报告，IEEE 802.15.4a应提供至少1 kb/s的链路速率，对于数据收集节点应提供1 Mb/s以上的传输速率；要求测距和定位误差小于1 m；基本通信距离0～30 m；功耗极低，电池供电可维持数月至几年的时间。2004年7月，TG4a工作组开始征集标准提案。至2005年1月，总共收到26个标准提案。虽然TG4a对提案筛选程序进行了反复修改，但这个程序并没有真正执行。为避免出现类似802.15.3a标准那样的无法最终确定全球统一标准的僵局，提案各方经过磋商，于2005年3月形成了一个融合多家提案的基本纲要。在这份纲要中，包括两个可选的物理层：工作于3.1 GHz～10.6 GHz免授权频段的UWB脉冲无线电技术和工作于2.4 GHz免授权频段的线性调频(Chirp)扩谱技术。

9.3 MBOA的UWB通用平台
      由于IEEE802.15.3a标准出现僵局，MBOA于2004年初成立了特别兴趣小组(SIG)，着手制订和推广自己的物理层和MAC层规范，力争成为全球事实标准。WiMedia联盟是一个由30余家国际大公司组成的非营利组织，致力于促进个人操作空间内多媒体设备的无线连接和互操作性，它与无线USB促进组织和1394商业协会有着广泛的合作关系。WiMedia正在制订支持多个应用的通用抽象层，使他们在一个通用射频层上实现连接和互操作。2004年5月，WiMedia联盟与MBOA签署了协议，表示支持采用MBOA的物理层和媒体访问控制(MAC)层规范。这使得MBOA的物理层规范和MAC层规范可以广泛支持各种应用层业务，将成为支持多种应用的UWB标准通用平台。图17给出了Intel公司对外发布的UWB标准通用平台，其中包括两个核心层：由MBOA的物理层和MAC层组成的UWB射频层、由WiMedia开发的支持多种应用的汇聚层。在UWB标准通用平台上可以支持无线USB、无线1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多种应用。

9.4 WUSB与W1394
      目前，通用串行总线(USB)和IEEE 1394是市场占有率最高的两种高速总线标准。USB1.0以同步传输模式提供1.5 Mb/s和12 Mb/s两种速率，而USB2.0可以提供高达480 Mb/s的数据传输速率。USB技术已经广泛应用于市场上各类PC机外设及消费类数码产品中，包括打印机、鼠标、键盘、硬盘、数码相机、USB闪存、MP3等。在软件方面得到微软Windows操作系统的全面支持。1394可以在节点设备间提供100 Mb/s、200 Mb/s、400 Mb/s的传输速率，且同时支持同步传输和异步传输两种模式。在最新版本的1394b中，传输速率被提升至800 Mb/s，未来将提供3.2 Gb/s的传输速率。目前，1394在影像消费电子设备及大数据量外部存储器中占据优势地位，例如数字摄像机、外置海量硬盘、4倍速以上DVD刻录设备等。在笔记本电脑市场上，1394也占据相当大的市场，且得到通用操作系统平台的支持。因此，采用UWB技术为USB和1394提供高速无线连接成为研究热点。

      2004年2月，由Intel、Agere System、惠普、微软、NEC、飞利浦、三星电子共7个国际大公司发起成立了无线USB(WUSB)促进组织，致力于推动基于MBOA/WiMedia UWB标准通用平台的高速WUSB。其应用定位于多媒体消费电子、PC外设和移动设备的高速互连，目标速率为480 Mb/s(3 m时)与110 Mb/s(10 m时)两个等级。2005年5月，UWSB促进组织完成了UWSB技术规范，MAC层标准即将推出，产品预计2005年底面世。

      IEEE 1394商业协会于2001年成立了无线工作组(WWG)，其目的是开发一个协议适配层(PAL)标准，将有线1394应用适配到WPAN标准IEEE 802.15.3的MAC层，利用802.15.3的宽带物理层技术实现无线1394。2003年12月，WWG宣布PAL标准完成。由于802.15.3标准最高只能提供55 Mb/s的速率，不能满足1394高速连接要求。2004年9月，1394商业协会表示采用WiMedia的汇聚层作为高速无线1394的适配层，并表示与WiMedia合作开发无线1394的互操作性测试和认证程序。同时，1394商业协会表示支持MBOA的UWB物理层和MAC层规范，并与MBOA合作制订UWB和无线1394的相关规范，实现高达480 Mb/s的无线连接速率。

10 前景展望
      从技术的角度看，各种规范的UWB技术已经趋于成熟。Freescale公司的第一代UWB芯片组已经于2004年9月获得美国FCC批准。这组芯片能够在10 m以上的距离提供110 Mb/s的数据传输速率，预计2005年将开发出速度高达1 Gb/s的芯片样品。MBOA的物理层规范已经完成，MAC层规范的推出也为期不远，与WiMedia的合作使其建立了涵盖物理层、MAC层、汇聚层的UWB通用平台。WUSB促进组织和1394商业协会的支持使MBOA的UWB通用平台具备强大的市场竞争力。

      从市场角度看，UWB技术市场潜力巨大。在PC机及其外设、消费类电子产品市场，WUSB和W1394的前景非常诱人。专家预测，至2006年USB接口将有2.5亿口的市场潜力，至2007年1394接口数量将达到2亿口。在无线传感器网络、安全系统、家庭自动化、医疗监护等低速连接市场，尤其在对功耗和定位精度要求很高的应用中，UWB技术将具有绝对优势。

      目前，UWB发展的“瓶颈”主要集中在两方面。第一，UWB技术的规范化问题。目前只有美国FCC制订了完整的商用UWB技术规范，日本、新加坡、德国等刚刚起步，大部分国家和地区还没有制订规范。因此，UWB技术在全球推广应用还缺乏基础。即使各国制订了UWB技术规范，相互之间的差异也将对已有UWB产品的规则适应性提出新的挑战。第二，UWB技术标准化问题。虽然IEEE 802.15工作组已经启动了基于UWB技术的高速WPAN和低速WPAN两个物理层增强标准的制订工作，但前者已陷入僵局，而后者仅形成初步纲要，最终标准的确定尚需时日。国际电信联盟(ITU)对UWB技术的标准化工作刚刚启动。缺乏统一的标准将使不同厂家的UWB产品之间不能互通，甚至相互干扰。这对UWB技术的推广应用是一个不利因素。

11 参考文献
[1] Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commission´s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems [R]. Washington (DC,USA), ET-Docket, 2002. 98—153.
[2] Fontana R J. A Brief History of UWB Communications [EB/OL]. http://www.multispectral.com/history.html, 2002.
[3] Scholtz R A. Multiple Access with Time-hopping Impulse Modulation [A]. Proceedings of IEEE Military Communications Conference,Vol 2 [C]. Beston( MA,USA),1993.Piscataway(NJ,USA):IEEE.1993.447-450.
[4] Win M Z, Scholtz R A. Impulse Radio: How it Works [J]. IEEE Communications Letters, 1998,2(2):36—38.
[5] Parr B, Cho B, Wallace K, et al. A Novel Ultra-wideband Pulse Design Algorithm [J]. IEEE Communication Lett, 2003,7(5): 219—221.
[6] Ghavami M, Michael L B, Kohno R. Hermite Function Based Orthogonal Pulses for Ultra Wideband Communications [A]. Proceedings of  4th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Conference [C]. Aalborg(Denmark), 2001.Piscataway(NJ,USA):IEEE,2001.437—440.
[7] Cassioli D, Win M Z, Molisch A F. The Ultra Wideband Width Indoor Channel: From Statistical Model to Simulations [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002,20(6): 1247—1257.
[8] Molisch A F, Foerster J R, Pendergrass M. Channel Models for Ultrawideband Personal Area Networks [J]. IEEE Wireless Communications, 2003,10(6): 14—21.
[9] Cassioli D, Win M Z, Vatalaro F, et al. Performance of Low-compexity Rake Reception in a Realistic UWB Channel [A]. Proceedings of  International Conference on Communications,Vol 2 [C], New York(NY,USA), 2002.Piscataway(NJ,USA):IEEE,2002.763—767.
[10] Rajeswaran A, Foerster J R,Srinivasa S V. RAKE Performance for a Pulse Based UWB System in a Realistic UWB Indoor Channel [A]. Proceedings of  International Conference on Communications,Vol 4 [C], Anchorage(AK,USA),2003.Piscataway(NJ,USA):IEEE,2003. 2879—2883.
[11] Guvenc I, Arslan H. On the Modulation Options for UWB Systems [A]. Proceedings of  IEEE Military Communications Conference ,Vol 2 [C].Monterey(CA,USA),2003.Piscataway(NJ,USA):IEEE,2003.892—897.
[12] Qiu R C, Liu H P, Shen X M. Ultra-Wideband for Multiple Access Communications [J]. IEEE Communications Magazine, 2005,43(2): 80—87.
[13] IEEE P802.15-03/141r3-TG3a. TI Physical Layer Proposal: Time- Frequency Interleaved OFDM [S].
[14] IEEE P802.15-03/153r5-TG3a. XtremeSpectrum CFP Presentation: Multi-Band DS-CDMA PSK M-BOK UWB [S].
[15] MBOA. MBOA-SIG White Paper [DB/OL]. http://www.multibandofdm.org/, 2004.

(续完)

收稿日期：2005-05-30