【正文】 然產(chǎn)生多用戶干擾。但由于用戶擴(kuò)頻序列之間存在互相關(guān)，遠(yuǎn)近效應(yīng)是限制其性能的重要因素。原理上講，子信道數(shù)量越多則容納的用戶數(shù)量越大，但這是以犧牲設(shè)備復(fù)雜度和功耗為代價(jià)的。每個(gè)用戶分別使用一種或幾種特定的成形脈沖，調(diào)制方式可以是 BPSK、PPM 或 PWSK。 26 第四章 UWB在短距離無線通信技術(shù)中的展望 UWB 的優(yōu)勢 通過對上章的幾種 短距離無線通信技術(shù) 技術(shù)的分析， UWB技術(shù)優(yōu)勢較明顯， UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢 ,且 UWB具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、發(fā)射功率小等優(yōu)點(diǎn) 。 HomeRF 技術(shù) 并 沒有完全公開，目前只有幾十家小企業(yè)支持，在抗干擾等方面相對應(yīng)其他技術(shù)而言尚有欠缺，因此它的應(yīng)用前景還不是十分明朗。此外，通過降低數(shù)據(jù)率提高應(yīng)用范圍，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn) 。下面對兩個(gè)重要應(yīng)用展開論述。此系統(tǒng)使用的是 UWB脈沖信號，其峰值功率為 4W，工作頻帶范圍為 ～，相對帶寬為 27%，符合 FCC 對 UWB 信號的定義。目前其主要商業(yè)用途之一為路旁信息服 務(wù)系統(tǒng)。 PC、 DVD、 DVR、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、 HDTV、PDA、數(shù)字機(jī)頂盒、 MD、 MP智能家電等等出現(xiàn)在普通家庭里，正是 “ 舊時(shí)王榭堂前燕，飛入平常百姓家 ”。從前面對 UWB 的技術(shù)特點(diǎn)來看， UWB 技術(shù)無疑是一個(gè)很好的選擇。與藍(lán)牙、 、等無線通信相比， UWB 可以提供更快、更遠(yuǎn)、更寬的傳輸速率，越來越多的研究者投入到 UWB 領(lǐng)域，有的單純開發(fā) UWB 技術(shù)，有的開發(fā) UWB 應(yīng)有，有的兼而有之。 UWB 將宣告一個(gè)便利和自由的新時(shí)代。 29 市場調(diào)查公司 InStat/MDR 預(yù)測，從 20xx 年到 20xx 年， UWB 節(jié)點(diǎn)/芯片組的交貨量將會經(jīng)歷綜合年增長率超過百分之四百的新興市場增長。 通過對這 幾種常見的短距離無線通信數(shù)據(jù)傳輸方法的研究可知，超寬帶無線通信技術(shù) (UWB)在近距離無線傳輸方面優(yōu)于其它的無線通信技術(shù)。當(dāng)然，作為一種新的民用技術(shù)， UWB 還有其不完善的地方，如輻射問題以及同其它設(shè)備（如 GPS） 共存等一系列問題還有待解決。柏老師淵博的知識、深刻的洞察力、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)勤奮的工作作風(fēng)、平易近人的態(tài)度以及正直的人格魅力和要求我們不斷創(chuàng)新的風(fēng)格給我留下了深刻印象，使我在做人、做事方面受益匪淺，永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的楷模 !在此，謹(jǐn)向柏老師表示最誠摯的謝意和最崇高的敬意。在此次論文的完成過程中，自始至終受到柏宋老師的支持和幫助，從論文的選題到論文的成稿，無一不凝聚著柏老師的心血和關(guān)懷。家庭無線網(wǎng)絡(luò)將是 UWB 的主流市場，以 UWB 為物理基礎(chǔ)的傳感器網(wǎng)絡(luò) (sensor work)將成為未來泛網(wǎng) (Ubiquitous work)的重要組成部分。所以， UWB 處于獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的地位。例如，袖珍 DVD 播放器可以將其內(nèi)容廣播到掛在墻上的平板顯示器上。據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報(bào)公司在《關(guān)于 UWB 的預(yù)測和潛在市場應(yīng)用的報(bào)告》指出， 20xx 年全球配備 UWB 的電子設(shè)備和芯片的生產(chǎn)量將達(dá)到 4510 萬套，當(dāng)年的收益將達(dá)到 億美元。與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比， UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達(dá) 1000Mbps以上的傳輸速率。舉例 來說，你儲存的視頻數(shù)據(jù)可以在 PC、DVD、 TV、 PDA 等設(shè)備上共享觀看，可以自由地同 Inter 交互信息，你可以遙控你的 PC，讓它控制你的信息家電，讓它們有條不紊地工作， 28 你也可以通過 Inter 聯(lián)機(jī)，用無線手柄結(jié)合音、像設(shè)備營造出逼真的虛擬游戲空間。 UWB 第二個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是家庭數(shù)字娛樂中心。在建筑物內(nèi)部，由于墻壁和障礙物對信號的衰減作用，系統(tǒng)通信距離被限制在約 100m 以內(nèi)。該系統(tǒng)由無線UWB 塔標(biāo)和無線 UWB 移動(dòng)漫游器組成?？偟恼f來， UWB 的用途很多，主要分為軍用和民用兩個(gè)方面。 ZigBee 具有功耗極低、 系統(tǒng)簡單、成本低、低等待時(shí)間 (Latency Time)和低數(shù)據(jù)速率的性質(zhì)，它非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。就是說，對于 10m以內(nèi)的距離， ,UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百 bit/s的傳輸性能，對于遠(yuǎn)距離應(yīng)用 （ HomeRF）的性能將強(qiáng)于 UWB,但 UWB更多是應(yīng)用于 10m左右距離的室內(nèi)。 傳輸方式比較 以上幾種傳輸方式的總體比較如表 所示： 24 圖 幾種傳輸技術(shù)的比較 Bluetooth HomeRF UWB ZigBee IrDA 發(fā)起時(shí)間 1998 年 1998 年 1998 年 1998 年 1960 年 20xx 年 1993 年 傳輸速率 11Mbps 54Mbps 1Mbps 1~2Mbps 500Mbps 250kbps 16Mbps 通信距離 100m 10~100m 10m 50m 10m 10~75m 20cm~ 使用頻段 ~GHz 帶寬 11Mbps 54Mbps 1Mbps 1~2Mbps可增至11mbps 500Mbps ~ 1~4Mbps 功耗 高 高 低 高 最低 低 較低 應(yīng)用支持 數(shù)據(jù)、圖像 語音、數(shù)據(jù)、圖像 音頻、數(shù)據(jù) 語音 、數(shù)據(jù) 語音、數(shù)據(jù) 報(bào)警器 數(shù)據(jù) 應(yīng)用范圍 無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng) 計(jì)算機(jī)家庭和辦公室設(shè)備互連 家庭語音和數(shù)據(jù)流 近距離多媒體 家庭控制和工業(yè)自動(dòng)化 透明可見近距離范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸 終端類型 筆記本，臺式電腦，掌上電腦和因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 筆記本，臺式電腦，掌上電腦和因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 筆記本，移動(dòng)電話，掌上電腦和移動(dòng)設(shè)備 筆記本，無繩電話，無線音響，移動(dòng)設(shè)備 無線電視， DVD,高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 傳感器，遙控器，監(jiān)控系統(tǒng) 筆記本，受機(jī)，打印機(jī) 25 通過對這幾種 短距離無線通信技術(shù) 技術(shù)的比較， UWB技術(shù)優(yōu)勢較明顯， UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢 。 FHMA 通常與多帶脈沖調(diào)制或 OFDM 相結(jié)合，調(diào)制方式采用 BPSK 或正交移相鍵控 (QPSK)。 (3)跳頻多址 跳頻多址 (FHMA)是結(jié)合多個(gè)頻分子信道使用的一種多址方式，每個(gè)用戶利用專用的隨機(jī)跳頻碼控制射頻頻率合成器，以一定的 跳頻圖案周期性地在若干個(gè)子信道上傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成。 (2)直擴(kuò) 碼分多址 直擴(kuò) 碼分多址 (DSCDMA)是 IS95和 3G移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應(yīng)用于 UWB 系統(tǒng)。 由于用戶跳時(shí)碼之間具有良好的正交性，多用戶脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。 UWB 多址技術(shù) (1)跳時(shí)多址 跳 時(shí)多址 (THMA)是最早應(yīng)用于 UWB 通信系統(tǒng)的多址技術(shù)，它可以方便地與 PPM 調(diào)制、 BPSK 調(diào)制相結(jié)合形成跳時(shí) 脈位調(diào)制 (THPPM)、跳時(shí)二進(jìn)制相移鍵控系統(tǒng)方案。 FCC 對 UWB 的新定義拓廣了 UWB 的技術(shù)手段。在符號速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于 MPAM。在這種調(diào)制方式中 ，采用 M 個(gè)相互正交的等能量脈沖波形攜帶數(shù)據(jù)信息，每個(gè)脈沖波形與一個(gè) M 進(jìn)制數(shù)據(jù)符號對應(yīng)。 UWB 系統(tǒng)常用的 PAM 有兩種方式，開關(guān)鍵控 (OOK)和二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)。但是，由于 PPM 信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有 2 個(gè)或 M 個(gè)，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應(yīng)。多址技術(shù)包括：跳時(shí)多址、跳頻多址、直擴(kuò)碼分多址、波分多址等。因此，PSWF 脈沖屬于無載波成形技術(shù)，有利于簡化收發(fā)信機(jī)復(fù)雜度。這類脈沖波形是由 Hermite 多項(xiàng)式導(dǎo)出的。在許多 標(biāo)準(zhǔn)提案中采用了這種脈沖成形技術(shù)。有 載波的成形脈沖可表示為： )0)(2c o s ()()( pc Tttftptw ??? ? () 其中 p(t)為持續(xù)時(shí)間為 pT 的基帶脈沖； cf 為載波頻率，即信號中心頻率。圖 為典型的 2ns 高斯單周脈沖。各階脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。早期的 UWB 系統(tǒng)采用納秒 /亞納秒級無載波高斯單周脈沖，信號頻譜集中于 2GHz 以下。 UWB 脈沖成形技術(shù) 任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息。在實(shí)際的UWB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須折衷考慮信號帶寬和接收機(jī)復(fù)雜度，得到理想的性價(jià)比。 在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而 UWB 信號可以將它們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并。 (4)多徑分辨能力強(qiáng)，定位精度高 由于 UWB 信號采用持續(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，其時(shí)間、空間分辨能力都很強(qiáng)。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號衰落極快，這導(dǎo)致 UWB 信號產(chǎn)生失真，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。隨著傳輸距離的增加，信號功率將不斷衰減。例如，如果使用 7GHz帶寬，即使信噪比低至 10dB，其理論信道容量也可達(dá)到 1Gb/s。 可以預(yù)見，在未來的幾年中， UWB 將成為無線個(gè)域網(wǎng)、無線家庭網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等短距離無線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位的物理層技術(shù)之一。 為保護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng) (如 GPRS、移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)、 WLAN 等 )不被 UWB 系統(tǒng)干擾，針對室內(nèi)、室外不同應(yīng)用，對 UWB 系統(tǒng)的輻射譜密度進(jìn)行了嚴(yán)格限制，規(guī)定 UWB 系統(tǒng)的最高輻射譜密度為 。美國 NTIA 等通信團(tuán)體對此大約提交了 800 多份意見書。 絕對帶寬和相對帶寬定義如下： 15 絕對帶寬 LHAbsolute ffBW ?? ,相對 帶寬LHLHFr ac tional ff ffBW ??? 2 。 超寬帶技術(shù) (UWB) UWB 簡介 超寬帶 (UWB)有著悠久的發(fā)展歷史，但在 1989 年之前，超寬帶這一術(shù)語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結(jié)構(gòu)方面也沒有明確的規(guī)定。星形和簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)更有利于功率節(jié)省。 無信標(biāo)模式就是標(biāo)準(zhǔn)的 ALOHACSMACA 的信道接入機(jī)制，終端節(jié)點(diǎn)只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時(shí)候才和網(wǎng)絡(luò)會話，其余時(shí)間都處于休眠模式，這樣平均功耗就非常低。在網(wǎng)絡(luò)層， ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。 ZigBee、藍(lán)牙和 WLAN()都是工作于 頻段，相互間的干擾 是不可避免的，因此保證可靠性尤為重要。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是 RFD，也可以是 FFD。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee 聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層（ DLL）、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)和應(yīng)用編程接口(API)規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。但是，該標(biāo)準(zhǔn)與 不兼容，并占據(jù)了與 和 Bluetooth 相同的 頻率段，所以在應(yīng)用范圍上會有很大的局限性，更多的是在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用。HomeRF 是 與 DECT 的結(jié)合，使用這種技術(shù)能降低語音數(shù)據(jù)成本。而藍(lán)牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。他還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點(diǎn)。 IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)，他也許是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無線個(gè)人局域網(wǎng)（ PersonalAreaNetwork， PAN）的技術(shù)。 小結(jié) IEEE制訂的第一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)訪問，速率最高只能達(dá)到 2M