超宽带技术在无线个域网中的应用

摘要　本文归纳了超宽带（UWB）和无线个域网（WPAN）技术的演进，分析了几种常见的短距离无线通信技术应用于WPAN的优劣，分析结果表明，UWB技术以其高传输速率、低功耗、强抗干扰能力等优点正在成为实现高速WPAN的最具有竞争力的技术。最后总结了UWB技术在高速WPAN中的最新应用情况，并对应用前景做出了展望。

1、引言

　　无线个域网（WPAN）是近几年在短距离无线通信领域提出的新概念，其思想是利用新的无线传输技术来代替传统的有线传输技术，实现PC与移动设备、消费电子等信息终端的小范围智能化互连，从而组建个人化的办公或家用信息化网络。超宽带（UWB）无线通信技术以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特点成为最具有竞争力的WPAN实现技术，并已成功应用于多个方面。

2、超宽带技术和WPAN的演进

　　2.1　超宽带技术的演进

　　UWB技术最初由美国国防高级研究计划局开发，当时称为基带、无载波、脉冲通信或者时域信号传输，直至1989年美国国防部将它命名为超宽带。最初的UWB信号是通过发射超短脉冲来实现的，称为IR-UWB信号。IR-UWB信号的一般工作脉宽为0.1-1.5 ns.频段带宽可达7 GHz，被广泛应用于雷达系统中。参考文献[1]中对IR-UWB在雷达系统中的应用和发展历史做了全面的综述。但由于技术上的限制和需求可靠通信的商业压力，直到2002年前，IR-UWB都只局限在雷达领域，无法应用于商业通信市场。

　　2002年4月，美国联邦通信委员会（FFC）批准UWB在3.1-10.6 GHz的频率范围、以受限的发射功率进行商业应用，这使UWB得以正式进入商业无线通信领域。然而，根据FFC的规定，UWB概念并不局限于脉冲传输技术，可以扩展为类似连续的传输技术，只要发射信号的带宽大于500 MHz即可认为是UWB信号。FFC规定的发布产生了双重影响，一方面，FFC关于UWB的辐射规定提高了主要芯片厂商（如TI、Motorola、IBM、Intel等）对开发UWB设备芯片的兴趣；另一方面，引发了围绕基于IR（冲激无线电）方式与传统的连续波技术的优势问题的争论，这种争论一直没有达成一致。目前，对UWB基于的物理层的提案主要分为两种：一种是保存了原始UWB脉冲属性的DS-UWB方案[2]，另一种是将跳频与正交频分复用（OFDM）结合起来的MBOA（multi-band and OFDM association）方案[3]。两种方案各有其优劣：DS-UWB方案使用单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，既易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，又可实现更高速的无线数据传输，应用于媒体流及大量数据的传输，但由于使用3.1-10.6 GHz整个频段，容易和其他无线频段形成干扰；而MBOA方案采用多频带方式，利用多个频率的子带并列可以灵活配置避开某些频带，但传输速率较DS-UWB方案低。

　　尽管UWB技术存在模式之争，但由于其低功耗、高传输速率等巨大技术优势，通信厂商纷纷看好其市场前景，两大阵营已经相继推出了各自的UWB设备芯片。支持DS-UWB的FreeScale公司已于2004年推出了XtremeSpectrum芯片组[4]，现有110 Mbit/s、220 Mbit/s、480 Mbit/s等3种产品，预计最大传输速率可达1 Gbit/s。支持MBOA的Wisair公司也推出了一款符合MBOA规范物理层要求的多频带UWB射频收发器芯片——UB501[5]，数据传输速率达到480 Mbit/s。随着UWB产品的逐渐推广，相信模式之争还会继续。

　　UWB技术传输速率高，功耗低，且信号具有较强的穿透性，但传输距离较近，在进行高速无线通信（速率在100 Mbit/s以上）时，一般有效距离在10 m左右。正是凭借短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势，UWB进入市场时其应用就被定位在了无线个人局域网。

　　2.2　无线网络及WPAN的演进

　　多个设备之间的无线互联一直是通信技术所关注的热点。早在20世纪80年代，美国Motorola公司就已经开发出第一代商用无线局域网（WLAN）。1990年，IEEE启动802.11项目，正式开始了WLAN的标准化工作，以制定50 m半径空间范围内的WLAN标准；1999年，IEEE批准了802.11a[6]和802.11b[7]两项WLAN通信标准。802.11b工作在2.4 GHz频段，最大传输速率为11 Mbit/s（实际值为500-600 kbit/s），拥有3条非重叠信道。802.11a工作在更加宽松的5 GHz频段，拥有12条非重叠信道，最大传输速率可达54 Mbit/s。尽管拥有速率上的优势，但是由于工作频率较高，802.11a在传输距离和穿透性上不如802.11b；其次，由于设计复杂，基于802.11a标准的无线产品的成本要比802.11b高得多；更重要的是，其独特的5 GHz频段无法与802.11b兼容，因此802.11a标准并未被市场所看好。为了改进802.11b和802.11a的缺陷，2003年6月，IEEE又推出了802.11g[8]标准,在提供了同样54 Mbit/s的高速下，采用了与802.11b相同的2.4 GHz频段,因而解决了升级后的兼容性问题，同时802.11g也继承了802.11b覆盖范围广的优点，其价格也相对较低，被看作是未来WLAN的主要技术标准。

　　随着智能家居、智能环境的发展，用户各种外围设备的逐渐增多，近年来针对这种小活动半径、业务类型丰富、需实现无缝无线连接的网络提出了WPAN的概念。WPAN是对WLAN的一个补充，是对用户的进一步延伸，目的是在小范围内（10 m以内）在便携式消费电器和通信设备之间进行短距离特别连接（ad hoc connectivity）。1998年3月，IEEE成立WPAN研究小组，由802.11工作组负责。但802.11的基础结构并不适用于WPAN：首先，802.11的MAC层协议是基于传统LAN功能和应用的，而不是基于特别连接功能和应用的；其次，由于802.11不是主要针对应用电池的便携式通信设备，所以不太重视功率管理；再有，802.11的MAC规范中不提供QoS保证，当有同时进行的业务时不保证提供时隙，而这在高速WPAN应用中是极为重要的。因此，1999年3月IEEE单独成立了802.15工作组，工作组的主要目的就是在个人工作空间内（10 m的半径空间内）建立简单、低功耗的无线连接国际标准，实现和802.11协议组的融合，同时兼顾经济和技术的可实现性[9]。IEEE于2002年提出了基于蓝牙技术的WPAN标准802.15.1[10]，但其传输速率有限；2003年，IEEE又提出了关于短距离高速WPAN的IEEE 802.15.3标准[11]。表1列出了IEEE 802.15.3高速WPAN的主要技术标准。

表1　IEEE 802.15.3高速率主要技术标准

　　应当指出，IEEE 802.15.3协议本来是为2.4 GHz自由频段的传统窄带物理层建立的，并不是专门为UWB而制定。但由于UWB技术在WPAN领域的巨大潜在技术优势，导致UWB物理层也采用IEEE 802.15.3 MAC协议。

3、常见无线传输技术在WPAN中的应用比较

　　目前比较常见的无线传输技术除了UWB外还有IrDA、802.11、Home RF以及蓝牙等。

　　IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，无需申请专门的频率使用执照，体积小、功率低，最大传输速率为4 Mbit/s。但是，IrDA是一种视距传输技术。两个IrDA端口之间不能有阻挡物；其次，IrDA设备中的核心器件红外线LED不是十分耐用，因此IrDA在WPAN中的应用十分有限。目前，对IrDA研究的热点和发展方向主要集中在准漫散射技术上。

　　IEEE 802.11是由IEEE制定的WLAN标准。IEEE在制定WPAN标准的初期曾希望将其纳入802.11组。但是，如前文所述，802.11组是IEEE为WLAN制定的一系列标准，尽管在传输距离方面有其优势，但功耗较大且没有QoS管理，因此并不十分适合用于WPAN传输。

　　HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF工作组于1998年制定了共享无线接入协议（share wireless access protocol，SWAP），该协议结合了DECT（数字增强无绳通信）和802.11的特点，使用TDMA+CSMA/CA的传输方式。HomeRF定义的工作频段为2.4 GHz，使用跳频空中接口，每秒跳频50次，最大功率为100 mW，有效通信范围约为50 m，传输速率为1-2 Mbit/s，提供了对流媒体真正意义上的支持[12]。与UWB相比，HomeRF的传输距离虽远，但速率太低，只有UWB传输速率的几百分之一；而且由于HomeRF技术标准没有公开，仅获得了数十家公司的支持，并且在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比也存在不少欠缺，这些先天不足决定了HomeRF标准应用和发展前景有限。

　　蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织（SIG）专门负责该技术的开发和技术协议的制定[13-15]，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙技术是一种开放性短距离无线通信技术标准，面向移动设备间的小范围连接。由于使用了和目前广泛应用于微波通信中的一点多址十分相似的技术，因此，它很容易穿透障碍物，实现全方位的语音与数据传输。蓝牙技术使用2.4 GHz频段，采用跳频扩频技术，以2.45 GHz为中心频率，可得到79个1 MHz带宽的信道，比较高的跳频速率使得蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。蓝牙技术曾得到WPAN的全面支持，IEEE于2002年制定的802.15.1标准就是基于蓝牙的WPAN标准。但是，由于蓝牙技术的移动性和开放性，使得它的安全问题备受关注。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已提供了一定的安全保障，但蓝牙系统仍需要对链路层和应用层进行安全管理，增加了技术的复杂性。而且，与UWB相比，蓝牙技术的传输速率仅为1 Mbit/s，较低的传输速率限制了其在未来高速WPAN中的应用。

　　通过以上比较可以发现，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，但在高速WPAN中，UWB在系统带宽、传输速率、功耗、网络安全性等方面有着其他技术不可比拟的优势[16]：

　　●频谱利用率高。UWB技术不必产生载波信号，可以直接发送冲击脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统的共存，从而提高频谱利用率。

　　●系统结构简单，成本低。UWB不需要正弦波调制和上下变频，也不需要本地振荡器、功率放大器和混频器等，因此体积小，系统结构比较简单。UWB信号的处理也比较简单，只需要使用很少的射频或微波器件，射频设计简单，系统的频率自适应能力强。

　　●系统安全性能好。因为UWB信号射频带宽可以达到1 GHz以上，发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行调制，因此增强了系统的安全性。

　　●系统容量大。UWB信号的高带宽带来了极大的发射容量，由于UWB信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨能力，所以系统容量比其他的无线技术都高。

　　●功耗低。由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1 mW的发射功率实现几公里内的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。

　　这些特点使得UWB成为组建无线个人局域网的众多短距离无线通信技术中有着极大优势的一项技术。表2列出了这几种常用短距离无线通信技术的主要技术指标。

表2　常用短距离无线通信技术的主要技术指标

4、超宽带技术在无线个域网中的应用

　　尽管UWB在高速WPAN中的应用还处于起步阶段，但全球各大通信和电器生产厂商已经开始推出各自的基于UWB的WPAN设备来抢占这一前景无限广阔的市场。目前的应用主要集中在智能家电和计算机外设方面。

　　4.1　基于UWB的高速WPAN在信息家电领域的应用

　　越来越多的消费电子进入了人们的家庭，如高清晰电视（HDTV）、大屏幕等离子电视、便携式摄像机、DVD机、CD播放器、电视游戏机等。由于家电设备之间接口标准的差异。采用传统的有线连接方式无疑是极为不方便的。UWB技术的高传输速率和高频谱利用率使得这些家电之间的无线多路高速流媒体传输成为可能。通过基于UWB技术的WPAN，可将各种电子设备纳入一个智能家电内，从而实现多设备之间的无线互连。UWB提供的高达上百Mbit/s的传输速率完全可以满足各种信息化家电的视频、音频数据传输要求。同样，智能家电网又可以通过WPAN同电脑相连，进而和互联网相连，从而实现对家电的远程网络化控制，真正实现家电的智能化和数字化。

　　值得注意的是，飞思卡尔半导体和中国的海尔于2005年6月共同推出了全球首款采用UWB技术的液晶电视[17]。该产品采用XSll0UWB芯片组，可以在20 m的距离内以110 Mbit/s的速度传送MPEG2文件流，未来将有希望使传输距离达到50 m。

　　4.2　基于UWB的高速WPAN在计算机和外设中的应用

　　现阶段，计算机和打印机、扫描仪等外设之间主要通过通用串行总线（USB）接口技术进行有线连接。随着消费者对设备移动性能要求的逐步提高，用无线连接取代有线连接、建立信息化办公领域的WPAN的要求越来越迫切。基于蓝牙技术的WPAN能在一定程度上解决计算机与外设之间的无线互连问题，但由于其在传输速率和设备兼容性等方面的局限，无法得到更为广泛的应用。

　　基于UWB的高速WPAN使得无线USB（WUSB）连接成为可能。2004年，无线USB工作小组成立，并于2005年末和2006年初颁布了基于UWB的无线USB技术标准[18,19]，其在3 m以内的传输速率为480 Mbit/s，3-10 m的传输速率为110 Mbit/s，并且支持功率控制，一个WUSB主机最多可支持128个客户端。基于此标准，Wisair等公司已推出了一系列WUSB的产品。

　　目前相当大一部分的家庭无线通信市场尚未开发，而基于超宽带技术的无线个域网在多媒体设备互连、家庭和个人网络方面极大地提高了系统性能。这意味着基于UWB的高速WPAN将会在无线通信中针对家庭的领域大有作为。

　　参考文献

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　　2　Roberts.DS-UWB physical layer submission to 802.15 task group 3a.IEEE P802.15-03/268r2,November 2003

　　3　Batra A, Balakrishnan J, Dabak A, et al.Multi-band OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15 task group 3a. IEEE P802.15-3/268r2,November 2003

　　4　www.freescale.com

　　5　www.wisair.com

　　6　IEEE Std 802.11a. Part Ⅱ: wireless LAN medium access control （MAC）and physical layer （PHY） specifications: high-speed physical layer in the 5GHz band, Sept 1999

　　7　IEEE Std 802.11b.IEEE standard for wireless LAN medium access control （MAC）and physical layer specifications: higher-speed physical layer extension in the 2.4 GHz band, April 1999

　　8　IEEE Std 802.11g. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY）specifications: amendment 4: further higher data rate extension in the 2.4 GHz band, June 2003

　　9　group.ieee.org

　　10　IEEE Std 802.15.1. IEEE standard for information technology-telecom-munications　and　information exchange between　systems-local　and metropolitan area networks-specific requirements, part 15.1: wireless medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications for wireless personal area networks （WPANs）, April 2002

　　11　IEEE Std 802.15.3. Part 15.3: wireless medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications for high rate wireless personal area networks （WPANs）, September 2003

　　12　Negus K J, Stephens A P, Lansford J, et al. Canada: HomeRF, wireless　networking for the connected home.IEEE Personal Communications,2000,7（1）

　　13　Bluetooth SIG. Bluetooth protocol architecture, version 1.0, August 1999

　　14　Bluetooth SIG. Specification of the Bluetooth system-core, version 1.OB,December 1999

　　15　Bluetooth SIG. Specification of the Bluetooth system-profiles,version 1.0B,December 1999

　　16　StanSchatt.Ultra wide band wireless networks on the horizon.Giga Information Group, December 2001

　　17　www.haier.com

　　18　Wireless USB Working Group. Wireless universal serial bus specification revision 1.0 released, May 2005

　　19　Wireless USB Working Group. Association models supplement revision 1.0, March 2006