超宽带无线通信

技术创新
《微计算机信息》(管控一体化)2010年第26卷第11-3期
360元/年邮局订阅号：82-946
《现场总线技术应用200例》
网络与通信
超宽带无线通信
Ultra-Wideband Wireless Communications
(中国海洋大学)魏磊磊
熊建设
WEI Lei-lei XIONG Jian-she
摘要:超宽带(Ultra-Wideband UWB)是新一代的无线电通信技术。

本文在简要介绍超宽带无线通信的概念的基础上,着重分
析了超宽带无线通信的特点和应用。

关键词:超宽带;无线通信中图分类号:T 文献标识码:A
Abstract:Ultra-Wideband is one of the most popular wireless communications technologies.On the basis of introducing the concept of Ultra-Wideband,the paper analyses the characteristics and applications of Ultra-Wideband.Key words:Ultra-Wideband;Wireless Communications
文章编号:1008-0570(2010)11-3-0058-03
引言
超宽带无线技术(UWB)起源于20世纪60年代对时域电磁学的研究,最初主要应用于军用的雷达高精度测距、测角和隐秘通信。

20世纪90年代以来,随着现代信号处理技术和集成电路的迅猛发展,使超宽带技术在商业民用领域的广泛应用成为可能。

1概念
超宽带无线通信的概念首先由美国军方于1990年提出,其定义的特征是信号的相对带宽(Fractional Bandwidth)大于25%的任何波形。

这里,信号的相对带宽是指2(f H -f L )/(f H +f L ),其中,f H 表示信号高端频率,f L 表示信号低端频率,f H -f L 表示信号带宽,即有:
信号的相对带宽
(1.1)
式中,f c =(f H +f L )/2为信号的中心频率。

2002年4月,美国FCC 给出了超宽带的两种定义。

第一种定义对军方的定义作了两点修改,一是信号的带宽是指10dB 带宽,即f H 和f L 分别表示低于信号最大发射(包括天线的影响)10dB 的高端和低端频率,二是信号的相对带宽大于等于0.2;第二种定义是信号的10dB 带宽大于或等于500MHz,而不管相
对带宽是多少。

根据香农信道容限公式
(式B 中为信道
带宽,N 0为高斯白噪声功率谱密度,P 为信号功率)。

可得,增大信号容量有两种实现方法,一是通过增加信号功率P,二是增大传输带宽。

超宽带技术就是通过后者来获得非常高的传输速率。

2分类
超宽带无线通信按实现方式大致可以分为两类,即脉冲无线电和多频带OFDM 。

2.1脉冲无线电
脉冲无线电是指采用冲激脉冲(超短脉冲)作为信息载体的无线电技术。

这种脉冲传输技术的特点是,通过对非常窄(往往小于1ns)的脉冲信号进行调制,以获得非常宽的带宽来传输数据。

它采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形,调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(PPM)或二进制相移键控(BPSK),在多址接入方式上,有跳时扩频(TH-SS)和直接序列扩频(DS-SS)两种方式可选。

2.2多频带OFDM
多频带OFDM 是将可用的UWB 频谱划分为若干个子带,
每个子带的宽度不小于500MHz 。

通信时,可以根据信息速率、系统功耗的要求以及与其他系统共存的要求等,动态的使用部分或全部的子带,通过同时发送多个不同频带的UWB 信号来提高频谱的利用率。

这些UWB 信号是不会相互干扰的,因为它们的频率不同。

3特点
3.1系统结构实现简单,实现成本低
由于UWB 不使用载波,不需要传统收发器所需的上、下变频,也不需要本地振荡器、功用放大器和混频器等,因此在结构上,系统实现较为简单;另外,UWB 系统可全数字化实现,它只需要以一种数学方式产生脉冲,并对其进行调制,所以调制电路可以全部集成在一块芯片上,可大大降低设备的造价。

3.2隐蔽性好
由于UWB 信号采用了跳时扩频,其射频带宽可以达到1
GHz 以上,它的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解调,因此增加了系统的安全性。

这是超宽带无线通信较之常规无线通信最突出的特点。

3.3多径分辨能力强
由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。

超宽带无线通信采用持续时间极短的窄脉冲,其占空比极低,在接收端,多径信号在时间上可以做到有效分离。

因
魏磊磊:硕士
58--
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新
网络与通信
《PLC 技术应用200例》
您的论文得到两院院士关注
此系统的多径分辨率极高,接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力。

如果多径脉冲要在时间上发生交叠,其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。

由于脉冲很窄,这种多径距离是很小的。

可见,发射窄脉冲的超宽带无线信号,在多径环境中的衰落并不像连续信号那样严重。

大量的实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10dB~30dB 的多径环境,对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB 。

3.4传输速率高
数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。

确保提供高质量多媒体业务的无线网络,其信息速率不能低于50Mbit/s 。

从信号传播的角度考虑,超宽带无线通信由于能有效的减小多径传播的影响而使之可传输高速率数据。

UWB 系统使用上吉赫兹的超宽频带,所以即使把发送信号功率谱密度控制的很低,也可以实现高达100~500Mbit/s 的信息速率。

3.5系统容量大
超宽带无线通信的高带宽带来了极大的系统容量,由于
UWB 无线电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力,所以系统容量比其他的无线技术都高。

如图1所示为各种系统的空间容量比较。

图1各种系统空间容量比较
3.6穿透能力强
实验系统证明,超宽带无线通信具有很强的穿透树叶和障碍物的能力,有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。

实验表明,适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统;超宽带技术还能实现隔墙成像等。

3.7功耗低
利用扩频多址技术,系统有较大的扩频处理增益,UWB 设备可以使用小于1mW 的发射功率。

这样就大大延长了系统电源的工作时间,满足移动通信设备的电源要求,而且低辐射功率可以减少电磁波对人体的辐射,超宽带无线通信的系统功耗也相当低,50~70mV 就足以满足它的工作要求,功耗还不到当前各种无线传输技术的1%。

UWB 由于只在需要时发送脉冲电波,且传输时的耗电量仅有几十毫瓦,所以超宽带无线通信技术就很容易应用在各种移动设备中,比如便携电脑、掌上电脑和平板PC 中,所增加的功耗几乎可以忽略不计。

3.8抗干扰能力强
超宽带无线通信系统采用了跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,对干扰信号具有抑制特性。

它作为一种扩频通信,在发射时将传输的信号能量扩展到很宽的发射频谱中去,在接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中会产生处理增益。

在常用的直接序列扩频系统中,采用了高速率的伪随机码序列和低速率的信息数据进行相关运算来实现扩频,扩频后的频谱一般
为几十兆赫兹。

而超宽带通信系统是利用窄脉冲信号本身的频谱特性进行扩频,扩展后的频谱为几吉赫兹,是一般扩频系统的一百多倍,因此,在同等码速率情况下,超宽带通信系统比一般扩
频系统的扩频增益大20dB 左右,具有更强的抗干扰特性。

4应用
超宽带的应用大致可以分为三类:通信、雷达/监听和跟踪、
定位。

4.1通信方面应用
超宽带通信设备支持高速低功耗数据链路,并且在抗多径干扰机制上有独到之处。

超宽带因此可以用于楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话、保密无线电和无线宽带因特网接入。

下面简单介绍几种超宽带无线网络:
(1)无线网络
在小范围内利用无线电缆,为大量设备提供有效、廉价的无线连接,随时随地、方便自由的将个人通信用品、多媒体用品、计算机、外围设备以及家用电器等连接起来,形成无线个域网
(WPAN),并且与Internet 等外部网络连接,是无线通信领域的一
个新的发展方向。

IEEE 802.15.3a 高速WPAN 工作在(3.1~10.6)GHz 频段,辐
射功率低,EIRP 为-41.3dB/MHz 。

这些标准要求与FCC 规定的超宽带通信的要求相同。

超宽带技术是EEE 802.15.3a 物理层的理想候选技术,其提议主要有两种,直接序列超宽带(DS-
UWB)和基于OFDM 的多频带(MB)超宽带技术。

DS-UWB 利用
能量脉冲来传送数据,可支持多种传输速率,在减少复杂性的同时,保证了更大可伸缩性。

由于其干扰可以做到类似于连续平滑的白噪声,因此DS-UWB 可将干扰减少到最低程度。

多频带宽带技术是把(3.1~10.6)GHz 的超宽带频段分割成几个较小的频带,每个频带的带宽为500MHz 。

多频带超宽带的一个显著优点
是:当与其他无线系统共存时,不使用其他无线系统使用的频段,从而避免了对其他无线系统的干扰。

同时,由于多频带频谱分配的灵活性,还能适应各个国家的频率管理要求。

(2)超宽带无线传感器网络
无线传感器网络是由大量靠近或处于待监测目标内部的传感器节点组成,在军事、工业。

医疗、灾害预报等领域具有广阔的应用前景,特别是在生化危险环境的检测。

特殊领域或特殊工作环境的监测与跟踪方面,具有特别的应用价值。

传感器节点可以根据需要有规划的布置,也可在所需监测的区域内任意布置,在军事上,还可以通过飞机播撒、火炮发射等方式,具体位置无需精确部署。

通常传感器节点的数量很大,且需要长期工作和无人值守。

因此传感器节点要求成本低、体积小、功耗低、工作时间长等。

以超宽带无线电为传输手段对于减小传感器节点的体积、降低能源消耗有特别的意义,尤其适合微小传感器节点的设计要求。

因此超宽带可以很好的解决传统无线传感器网络关于体积和功耗两大难题。

由于传感器网络中传感器节点的密度很高,在设计传感器网络时系统的空间传输能量就成为非常重要的因素。

由前文介绍可知,超宽带无线电的空间传输容量可达1000Kb/s ·m2,因此超宽带无线传感器网络更适合传感器节点密集的网络。

在很多传感器网络的应用中,都需要提供定位/跟踪服务,通常利用GPS 实现。

而在实际中,在一些情况下,特别是在室内,很难实现。

而采用超宽带技术,由于窄脉冲潜在的测距能力,很容易实现精确的定位。

59--
技
术创新
《微计算机信息》(管控一体化)2010年第26卷第11-3期
360元/年邮局订阅号：82-946
《现场总线技术应用200例》
网络与通信
(3)超宽带战术无线网
战术无线网络关心的是主要问题是低检测截获概率、抗干扰能力、系统吞吐量以及在设备毁坏情况下网络的稳定性等。

超宽带无线通信具有的隐蔽性,抗干扰能力和对衰落相对较低的敏感性,在战术无线网中具有特别的意义。

4.3雷达方面应用
超宽带技术[5]最早的应用领域就是在雷达方面的应用研究。

经过长时间的发展,超宽带雷达技术已经相当成熟。

超宽带技术使用亚纳米级脉冲信号的时候,空间距离分辨率很高,通常
远小于目标尺寸。

高的距离分辨率和宽频谱的结合使它具有精确的目标分辨能力,能获得复杂目标的细微特征。

该系统所产生的信号穿透能力强,能穿透树叶、地表、云层等障碍,探测并分辨隐蔽目标。

超宽带在雷达方面的应用主要有:探地雷达、穿墙雷达、安全监视、碰撞避免系统、道路及道路检测系统等。

下面以穿墙雷达为例简单介绍下其功能应用。

穿墙雷达是利用超宽带信号的良好穿透特性,可以用于探测障碍物如墙体等后面的人或物体。

如图2是穿墙雷达的组成结构。

超宽带脉冲信号经发射天线发出,穿过墙壁,遇到物体或人体后,反射波到达接收端,经过数字处理,可以得到墙体后面的人和物体的分布情况。

图2穿墙雷达的组成结构
4.3定位方面应用
很多的民用和军用场合都需要精确的定位信息。

比如儿童搜寻,寻找丢失的行李,跟踪、搜索和解救人员或者消防员,定位贵重物品的位置,在敌方领土上营救人员等。

超宽带脉冲信号在使用TM-UWB 调制的时候,在室内和室外都可以提供精确的位置信息。

很多这种系统都把跟踪和通信功能合成在一个设备中。

5结语
本文在简要介绍超宽带的概念和原理的基础上,主要分析了超宽带无线通信的特点及其在通信、雷达、定位等方面的应用。

可以预见,随着无线多媒体应用越来越普及,超宽带无线通信将在消费电子领域、通信领域获得大规模应用。

参考文献
[1]Assessment of Ultra-Wideband(UWB)Technology.OSD/DARPA,Ultra-Wideband Radar Review Panel,R-6280,1990
[2]FCC 02-48,FIRST REPORT AND ORDER.Adopted:2002,February 14,Released:2002
[3]王金龙.无线超宽带通信原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2005
[4]葛利嘉.超宽带无线通信[M].北京:国防工业出版社,2005[5]范伟等.超宽带(UWB)通信技术[J].微计算机信息.2005,2-0[6]刘芳.超宽带(UWB)无线通信技术应用及其发展[J].白城师范学院学报,2007,21-6:35-37
作者简介:魏磊磊(1985-),女(汉族),山东省青岛市,中国海洋大学,硕士,研究方向:多媒体通信网络与系统设计。

Biography:WEI Lei -lei (1985-),Female (Han ethnic),Shandong province,Ocean University of China.Master Degree,Major in Mul -ti-media communication network and system design.(266100山东青岛中国海洋大学)魏磊磊熊建设(Ocean University of China,Qingdao,266100,China)WEI Lei-lei XIONG Jian-she
通讯地址:(266100山东青岛中国海洋大学)魏磊磊
(收稿日期:2010.03.12)(修稿日期:2010.06.12)
(上接第55页)
许可系统由LS Server 和LS Client 两大功能模块组成。

LS Server 用于验证LS Client 的许可验证请求,LS Client 向LS Serv －er 发送验证许可的请求。

LS Server 是许可系统的核心部份,基于Windows 平台使用了套接字Select 模型实现,LS Server 能同时对多个LS Client 的套接字许可验证请求进行管理。

LS Server 端根据配置文件,启动网络通信模块,接收LS Client 端许可验证请求数据并调用许可验证模块进行处理,将处理结果返回给LS Client 端。

LS Client 端根据配置文件,启动网络通信模块,将软件的模块名称、版本号、使用期限、HostID 及客户端许可证等信息发送给LS Server 端,等待服务器端的返回信息,如果验证成功就允许启动对应的软件模块,否则提示没有有效许可,用户需要重新申请许可。

为了提高安全性,也可采取将数据通道中的数据进行加密等措施,提高许可系统的稳定性和健壮性。

7结束语
优秀的软件保护系统能够有效地保护软件提供商的利益,
维护软件产业的正常发展。

本文所述的许可系统采用了椭圆曲线密码数字签名技术,具有极高的安全性和稳定性等特点。

许可系统已在一些油田公司专业软件中试运行,效果良好,许可服务器能够对软件使用进行许可管理,有效地保护了知识产权。

参考文献
[1]T.ELGAMAL,A Public -Key Cryptosystem and a Signature Scheme Based on Discrete Logarithms [J].IEEE Trans On Informa －tion Theory,1985,31(4):526-530.
[2]ANSIX 9.62.Public Key Cryptography for the Financial Services Industry:The Elliptic Curve Digital Signature (ECDSA)[S].1999.[3]杨君辉,戴宗铎,杨栋毅,等.一种椭圆曲线签名方案与基于身份的签名协议[J].软件学报,2000,11(10):1303-1306.
[4]虞艳琼,石永革,方泉.基于SOCKET 的通信网网管协议转换器[J].微计算机信息,2007(12).
作者简介:赵莉娟,女,(1975-),辽宁盘锦市人,工程师,主要研究领域为网络互联技术、嵌入式系统。

Biography:ZHAO Li -juan,Gender,(1975-),PanJin Liaoning,Master Degree Graduate,Network Interconnection Technology 、Embedded System.
(124010辽宁盘锦辽河油田勘探开发研究院)赵莉娟
(Petrochina Liaohe Oilfield,Exploration and Development Re -search Institute,PanJin,Liaoning,124010,China)ZHAO Li-juan
通讯地址:(124010辽宁盘锦辽河油田勘探开发研究院)赵莉娟
(收稿日期:2010.02.12)(修稿日期:2010.05.12)
60--。