盧華
【摘要】 自超寬帶技術(shù)的商業(yè)規(guī)范發(fā)布以來,超寬帶技術(shù)因自身的優(yōu)勢,受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文從超寬帶技術(shù)的概述入手,介紹了超寬帶技術(shù)的應用,最后探討了超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。
【關(guān)鍵詞】 超寬帶技術(shù) 未來 無線通信 應用 現(xiàn)狀
一、超寬帶技術(shù)的概述
超寬帶技術(shù)作為一種新型的無線通信技術(shù),解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題,是當今最受關(guān)注的短距離高速無線通信技術(shù)。寬帶技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù),現(xiàn)在被廣泛接受的定義是指在3.1GHz到10.6GHz頻段之間占用10dB帶寬大于500Hz的無線發(fā)射方案[1]。傳統(tǒng)的無線通信是通過不同的載波頻率將信號調(diào)制到不同的頻帶上,載波的頻率與功率會在一定范圍內(nèi)發(fā)生著變化,傳統(tǒng)無線通信就是利用載波的狀態(tài)變化來進行信息傳輸?shù)摹6瑢拵Ъ夹g(shù)無線通信不需要通過載波,它是利用脈沖信號來進行信息傳輸,其中脈沖信號就是指那些產(chǎn)生與消失時間都極其短暫的信息,這種信號的產(chǎn)生到消失的時間僅用數(shù)百微妙到數(shù)納秒以下[2]。它與傳統(tǒng)無線通信相比具有如下優(yōu)點:一是,頻帶極寬、傳輸速率極高。超寬帶脈沖信號和系統(tǒng)的頻帶極寬,目前已經(jīng)實現(xiàn)大于100Mbps的可靠高速無線傳輸;在相同作用范圍的超寬帶技術(shù)無線通信的速率可以達無線局域網(wǎng)的10倍以上,達藍牙系統(tǒng)的100倍以上。二是,功率極低,功耗極小。超寬帶信號具有極低的輻射功率,并且因為它的頻帶極寬,這就使得超寬帶信號有極低的功率譜密度,甚至可以低于環(huán)境噪聲電平,從而決定了超寬帶通信系統(tǒng)的低截獲與低檢測特點,并且不會對常規(guī)的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾影響,可以與常規(guī)通信系統(tǒng)共享頻帶達到共存的目的,還可以充分利用頻帶資源。同時低功率意味著其功耗也低,因而十分適合在移動通信設備的應用,而且可以大大的降低了對人體的輻射危害。三是,可高精度定位、定時,有良好的抗多徑效應性能。超寬帶技術(shù)無線通信系統(tǒng)一般在亞納秒級的脈沖寬度工作,因而具有亞納秒級時間分辨率,其多徑分辨率也相應的小于30cm,在接收信號時會形成1ns的時間接收窗口,僅接收處理接收窗口內(nèi)的信號,對多徑干擾有很好的抗性[3]。四是,具有更強的穿透能力。超寬帶脈沖的頻率低,在相同絕對寬帶的無線信號中其為最低,因此它具有更強的穿透能力。五是,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。超寬帶技術(shù)無線通信系系統(tǒng)中,沒有在傳統(tǒng)的通過載波變化來實現(xiàn)信息傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)中用到的上變頻電路、下變頻電路、中頻電路以及各種濾波器等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)通信相對容易,因此超寬帶技術(shù)無線通信的成本更低。
二、超寬帶技術(shù)的應用
隨著超寬帶技術(shù)的應用,該技術(shù)為支持高速應用與低速智能設備的短距離無線通信系統(tǒng)的配置提供了可能。超寬帶天線系統(tǒng),使用簡單的體制以及編碼機制,在短距離內(nèi)使信息速率大于100Mb/s。超寬帶可以在大量的應用場景中使用,比如:高速無線個人網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路、智能天線區(qū)域網(wǎng)、室外點對點網(wǎng)絡,以及傳感器,定位與識別網(wǎng)絡,其中高速無線個人網(wǎng)、無線以太網(wǎng)接口鏈路、以及智能天線區(qū)域網(wǎng)這三種可以將超寬帶設備網(wǎng)絡配置在居民區(qū),也可以配置在辦公區(qū),用來傳送用作娛樂的無線視頻、無線音頻、以及控制信號。室外點對點網(wǎng)絡能夠提供室外點對點連接。傳感器,定位與識別網(wǎng)絡可以在工業(yè)環(huán)境以及商業(yè)環(huán)境配置。
2.1高速無線個人網(wǎng)
高速無線個人網(wǎng)是指每個房間的活動設備個數(shù)為5到10個,活動范圍為1m到10m,數(shù)據(jù)速率為100Mb/s到500Mb/s,主要是基于點對點拓撲,它是通過現(xiàn)有的有限或者無線標準,經(jīng)過中繼與外部相連[4]。
2.2無線以太網(wǎng)接口鏈路
無線以太網(wǎng)接口鏈路能將高速無線個人網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率擴展到更高的數(shù)據(jù)頻率,比如擴展到1Gb/s、2.5Gb/s。無線以太網(wǎng)接口鏈路需要達到以下條件:一是,在電腦生產(chǎn)廠商方面,需要有以太網(wǎng)的替代品;二是,在消費者的角度,電腦與屏幕之間要有高質(zhì)量的無線視頻傳輸能力,能夠傳送無線數(shù)字視頻。
2.3智能天線區(qū)域網(wǎng)
智能天線區(qū)域網(wǎng)在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設備的地方,其覆蓋范圍為30m。對智能天線區(qū)域網(wǎng)設備有低成本以及低功耗的要求,比如1mW到10mW,可以提供給用戶家庭或者辦公室的智能分布網(wǎng)。智能天線區(qū)域網(wǎng)有準確定位、準確跟蹤的功能。
2.4室外點對點網(wǎng)絡
超寬帶設備配置在室外,主要在PDA上行與信息交換、以及新聞文本、圖片、視頻的下載等方面適用。采用的標準將會決定室外點對點網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是使用集中式或是使用分布式。在歐洲采用的超寬帶標準限制在室外配置超寬帶設備。但是這種情況也可能隨時發(fā)生改變,因為超寬帶管制的使用也會不斷的發(fā)展與進步。
2.5傳感器,定位與識別網(wǎng)
傳感器,定位與識別網(wǎng)具有設備密度高,每層設備數(shù)量大概為幾百個,主要在工廠或者倉庫,將帶有定位信息的低俗數(shù)據(jù)包進行傳送的特征。傳感器,定位與識別網(wǎng)絡設備的使用范圍較大,比如是主從拓撲,在單獨設備與主站之間的距離可以達到100m。當傳感器,定位與識別網(wǎng)在工業(yè)中應用時需要具備高級鏈路可靠性以及自適應的系統(tǒng)特征,達到對動態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境做出反應的目的。在傳感器,定位與識別網(wǎng)中超寬帶起到的重要作用是可以根據(jù)用戶的需求來提供相應的業(yè)務。
三、超寬帶的應用領(lǐng)域
3.1通信領(lǐng)域
超寬帶在通信領(lǐng)域的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:一是,智能數(shù)字家庭網(wǎng)絡。用超寬帶技術(shù)來與各種家用電器有機相連,比如說,電腦、PDA、電視、游戲、音響以及安全系統(tǒng)等。二是,可能成為無線USB或者無線1394的傳輸物理層標準,因為超寬帶可以提供大范圍的速率,可以使無線USB的速率要求得到滿足。三是,公路信息服務系統(tǒng)。將超寬帶技術(shù)應用在公路信息服務系統(tǒng)中,它可以提供高速率的信息服務,能夠為用戶提供路況信息、建筑物信息、以及天氣預報等人性化服務,也可以用于汽車防撞系統(tǒng)以及智能收費系統(tǒng)中。四是,應用在軍事方面。由于超寬帶技術(shù)的截獲率低、檢測率低、以及功耗低等特點,所以最早被應用在均是方面,發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)相當成熟,主要應用在戰(zhàn)場視距戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)電臺、非視距的通信電臺、戰(zhàn)術(shù)通信電臺、艦船與飛機內(nèi)部通信系統(tǒng)、以及單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等中。
3.2雷達與監(jiān)視領(lǐng)域
在雷達方面,超寬帶技術(shù)的應用研究已經(jīng)有50多年的歷史,雷達領(lǐng)域也是驚呆超寬帶技術(shù)最早的應用領(lǐng)域。發(fā)展到現(xiàn)在,超寬帶雷達技術(shù)已經(jīng)十分成熟。當采用亞納秒級信號時,空間距離的分辨率會很高,當高踞離分辨率與款頻譜相結(jié)合時,會使得雷達具有更精確的目標識別能力,可以獲取復雜目標的細微特征。超寬帶雷達系統(tǒng)所發(fā)出的信號具有極強的穿透力,可以從樹葉、地層以及云層等障礙物中穿透,可以對非常隱蔽的目標進行探測與分辨。它的具體應用有:探地雷達、穿墻雷達、安全監(jiān)視等。
3.3定位
在生活中有很多地方要用到地位,不管是軍用還是民用都需要得到精確的定位信息。具體的來說定位主要用于:跟蹤、搜救、搜尋、尋物等。超寬帶在定位系統(tǒng)中高的應用不管在室內(nèi)還是在室外都可以提供精確的位置信息,來給予用戶明確的指引。
四、超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景
超寬帶技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面:一是,現(xiàn)今的市場需要可以在窄帶載波調(diào)制的短距離無線系統(tǒng),能夠提供高速數(shù)據(jù)速率來傳輸視頻或者準確的位置信息,可以支持位置敏感的應用。因而,這也是超寬帶的新的研究目標。二是,在超寬帶設備支架的相互干擾問題,以及可達到的QoS級方面依然存在著許多問題。三是,超寬帶技術(shù)在調(diào)制與編碼技術(shù)領(lǐng)域也存在著挑戰(zhàn)。最初的超寬帶技術(shù)應用在軍事領(lǐng)域時,獲得高容量不是軍事通信的主要目標。但是在商用系統(tǒng)中應用超寬帶技術(shù),用戶容量是最先需要考慮的。而編碼與調(diào)制是一種能夠改善系統(tǒng)多用戶容量的最有效辦法,這就需要設計出自適應的調(diào)制方法與信道編碼機制來達到提高系統(tǒng)容量的目的。雖然在超寬帶技術(shù)中,平均有效全向輻射功率是很低的,但是在短時間內(nèi)的峰值功率可能會很大。這就要求了要優(yōu)化傳輸技術(shù),來適應不同的信號傳播環(huán)境,可以提供符合需求的高可靠性以及自適應能力。四是,雖然超寬帶系統(tǒng)有很強的抵抗多徑影響的能力,但是系統(tǒng)性能也會受到多徑效應的影響。五是,系統(tǒng)的復雜性,超寬帶血藥用到多個并行檢測器或者高階調(diào)制。六是,物理層超寬帶設備的天線設計與實施,有效天線的設計與實施,是超寬帶系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。七是,其他無線信號對超寬帶接收機的帶來的帶內(nèi)干擾。超寬帶設備發(fā)射功率譜密度極小,使得超寬帶接收機容易受到噪聲的干擾與影響。八是,需要研究新的半導體技術(shù)應用在超寬帶系統(tǒng)中,來結(jié)局速度與同步延時以及功率消耗的問題。超寬帶技術(shù)面臨的這些挑戰(zhàn),將會指明超寬帶技術(shù)的發(fā)展方向,當超寬帶技術(shù)將現(xiàn)今面臨的挑戰(zhàn)一一的克服掉,那么超寬帶技術(shù)的發(fā)展前景將會更加的光明,應用的范圍也將越來越廣,超寬帶技術(shù)在無線通信中應用也將更加的完善,為人們的生活提供更加有效的服務。
五、結(jié)束語
超寬帶技術(shù)作為一種新型技術(shù),在各個領(lǐng)域有著廣泛的應用,隨著人們對短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嗵岣?,超寬帶技術(shù)也必將會在無線通信中有更進一步的研究與發(fā)展。
參 考 文 獻
[1]武林俊,李燕文.超寬帶技術(shù)在未來無線通信中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,No.25213:8-11.
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