1、超寬帶技術的應用與發展引言隨著計算機通信技術的不斷發展，無線傳輸技術得到了廣泛的應用，而超帶寬（UWB）技術作為一種新型短距離高速無線通信技術正占據主導地位，超帶寬技術又被稱為脈沖無線發射技術，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5GHz的無線發射方案，超帶寬技術在2002年以前主要應用于雷達和遙感等軍事領域，UWB技術不需載波，能直接調制脈沖信號，產生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業無線通信技術所占用的帶寬，UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術具有以下優勢：易于與現有的窄帶系統（如全球定位系統（GPS）、蜂窩通信系統、地面電視等）

2、公用頻段，大大提高了頻譜利用率。易于實現多用戶的短距離高速數據通信；目前，UWB技術在商業多媒體設備、家庭和個人網絡方面的應用正在不斷發展。二超寬帶技術的特點應用1、超寬帶技術解決了困擾無線技術多年的有關傳播方面的問題，如發射信號功率譜密度低、低截獲大問題，具有對信道衰落不敏感的問題，又具有能力、系統復雜程度低、能提供厘米級的定位精度等優點；它在無線局域網、城域網和個人局域網的應用中，可提供低功耗、超帶寬及相對簡捷的通信技術，尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入，可實現PC與移動設備、消費電子等信息終端的小范圍智能化互聯，從而組建個人化的辦公或家用信息化網絡。超帶寬（UWB）無線通信技術

3、以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特點成為最具有競爭力的WPAN實現技術，并已成功應用于多個方面。2、超寬帶技術特點（1）體積小、成本低、系統結構實現簡單、UWB不使用載波，直接發射脈沖序列，不需要傳統收發器所需要的上、下變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此UWB設備集成更為簡化。脈沖發射機和接收機前端可集成在一個芯片上，再加上時間基和一個微控制器，就可構成一部超寬帶通信設備。（2）傳輸速率高數字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化是通信發展的主要趨勢。為確保提供高質量的多媒體業務的無線網絡，其信息速率不能低于5OMbit/s。在用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內，再根據經

4、過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/s,是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術oUWB以非常寬的頻率來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現在的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。(3) 空間容量大UWB無線通信技術的單位區域內通信容量可超過每平方米1000Kbps,而IEEE802.11b僅為每平方米1Kbps,藍牙技術為每平方米30Kbps,IEEE802.11a也只有每平方米83Kbps,可見，現有的無線技術標準的空間容量都遠低于UWB技術。隨著技術的不斷完善，UWB系統的通信速率、傳輸距離及空間容量還將不斷提高。(4) 低功耗UWB使用簡單的傳輸方式，即使用間

5、歇的脈沖來收發數據，脈沖持續時間很短，僅為0.2ns1.5ns，因此UWB系統的功耗很低，僅為1mW_4mW,民用的UWB設備功率一般是傳統移動電話或者無線局域網所需功率的1/10一1/100左右，大大延長了電源的供電時間。UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統無線設備有著很大的優越性。(5) 多徑分辨能力強由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號，或其持續時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超帶寬無線電發射的是持續時間極短的單脈沖且占空比較低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。

6、由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10一30dB的多徑環境，對超帶寬無線電信號的衰落最多不到5dB。(6) 穿透能力強由于超帶寬無線電的帶寬很寬，因此具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規超短波信號在叢林中不能有效傳播的空白。實驗表明，適用于窄帶系統的叢林通信模型同樣可適用于超寬帶系統；超寬帶技術還能實現隔墻成像等。(7) 定位精確沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超帶寬無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。超帶寬無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GP

7、S定位系統只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內；與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，期定位精度可達厘米級，此外，超帶寬無線電定位器更為便宜。(8) 安全性高、隱蔽性好、與有線通信相比，超帶寬無線電的射頻帶寬可達到1GHz以上，且所需平均功率小，信號的能量彌散在極寬的頻帶范圍內，對一般通信系統，UWB信號相當于白噪聲，并且多數情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。信號被隱蔽在環境噪聲和其它信號中，難以被敵方檢測到。三、超寬帶技術的原理1、UWB的關鍵技術1.1脈沖成形技術任何數字通信系統，都要利用與信道匹配

8、良好的信號攜帶信息，對于線性調制系統，已調制信號可以統一表示為：s(t)=lng(t-T)其中，In為承載信息的離散數據符號序列；T為數據符號持續時間；g(t)為時域成形波形，通信系統的工作頻段，信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現復雜度等諸多因素都取決于g(t)的設計。對于UWB通信系統，成形信號g(t)的帶寬必須大于500mHz，且信號能量集中于3.1-10.6GHz頻段，脈沖成形技術中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經大于2GHz,高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導數，各階脈沖波形可由高斯一階導數通過逐次求導得到。隨著脈沖信號階數的增加，過零點數逐漸增加，信號中心

9、頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降，早期UWB系統采用1階、2階脈沖、信號頻率成分從直流延續到2GHz,按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。1.2調制技術調制方式是指信號以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統的有效性和可靠性，是也影響信號的頻譜結構、接收機復雜度，在UWB系統中常用的調制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調制，基于OFDM的正交多載波調制。其中基于超帶寬脈沖的調制常用的有脈位調制和脈副調制。脈位調制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數據信息的調制方式，按照采用的離散數據符號狀態數可以分為二進制PPM(2PPM)和多

10、進制PPM(MPPM)。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態一一對應，根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關函數的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化，在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位，接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測，鑒于UWB系統的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2PPM或20PPM。脈副調制（PAM）是數字通信系統最為常用的調制方式之一。在UWB系統中，考慮到實現復雜度和功率有效性

11、，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統常用的PAM有兩種方式：開關鍵控（00K）和二進制相移鍵控（BPSK）。00K可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而BPSK采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。正交多載波調制（OFDM）是一種高效的數據傳輸方式，其基本思想是把高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響，通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完成消除符號間干擾，OFDM相對于一般的多載波傳輸的不同之處是他允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間

12、相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數據信息，由于OFDM允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提咼，因而是一種咼效的調制方式。1.3接收技術盡管UWB信道的時延擴展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計，因此早期的UWB接收機結構很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關器而已。同時為了降低微器件模擬變換器的（ADC）變換速率的要求，相關器是用線性相乘和積分等模擬過程實現的，但是當對傳輸速率的要求達到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴重起來，接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號的占空比不足以

13、避免前后波形之間的重疊現象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統設計中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是RAKE+均衡，通過RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。目前對接收機在多徑和各種干擾環境下的性能分析通常基于RAKE接收機，在具體實現上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號最強的L條路徑或是最先到達的L條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實現難度較大，從仿真結果來看，就UWB信道特性而言，選擇46條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機中值得關注的一個問題，在高速應用中，快速同步的實現尤為關鍵，如果

14、采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計2。2UWB無線傳輸系統的基本模型UWB系統的基本模型主要由發射部分、無線信道和接收部分構成，與傳統的無線發射、接收機結構相比，UWB的發射、接收機結構相對簡單，易于實現，如傳統藍牙系統是一種低功耗的無線傳輸技術，它的集成電路是經典的超外差電路，發射機部分包括壓控振蕩器、鎖相環同步器、參考振蕩器，接收機部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而UWB的發射、接收機的結構不同，因為脈沖產生器只需產生大約100mV的電壓就能滿足發射要求，因而發射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號先通過低噪聲放大器，再通過一個匹配濾波器或相關接收機恢復出期望信號

15、3,由于UWB信號的發射未經載波調制，UWB的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環同步器、壓控振蕩器及混頻器等。UWB的發射、接收機結構比藍牙更簡單，UWB的發射機可靈活地調整發射距離，當發射距離增大時，UWB可以用多個脈沖傳一個信號以增加接收端的信噪比,由于UWB的發射功率與脈沖重復頻率成正比，因此可以通過軟件對數據率、功耗、發射范圍進行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設計。三、超寬帶技術在無線多媒體局域網中的應用UWB無線通信技術的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在1OOMb/s以上）時，傳輸距離較近，一般在1020m左右，進行較低速率無線通信和定位時，傳

16、輸距離可更遠，UWB技術采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數層墻壁進行通信、成像或定位，與全球定位系統（GPS）相比，UWB技術的定位精確度更高，可以達到1020cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內的高傳輸速率及高精確度這一巨大優勢，UWB進入民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）上,這樣一種小范圍內進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設備以高速無線進行連接。根據超帶寬無線傳輸的特性，UWB技術可以應用于無線多媒體家域網、局域網，雷達定位和成像系統，智能交通系統，以及應用于軍事、公安、救援、醫療、測量等多個領域。四、超寬帶技術在城

17、域網的應用1 寬帶城域網簡介1.1寬帶城域網的概念寬帶城域網是根據業務發展和競爭的需要而建設的城市范圍內的寬帶多媒體通信網絡，是寬帶骨于網絡在城市范圍內的延伸，并作為本地的公共信息服務平臺組成部分，負責承載各種多媒體業務，為用戶提供多種接入方式，滿足各類用戶對各種多媒體業務的需求。因此，寬帶城域網必須是可管理和可擴展的運營網絡。現在有三種網絡正在運營：電信交換網、計算機網和有線電視網。將來的信息網絡一一下一代網絡（NGN）不可能以上述三種網絡之一為基礎平臺來構建。隨著IP技術的發展，將三網融臺到統一的IP網絡已經成為發展趨勢。因此，寬帶城域網的發展一定是基于IP的網絡，所開展的也是基于IP的業

18、務。12寬帶城域網的接入方式寬帶城域網面對大量的用戶，不同的用戶對接入速率、服務質量、費用等要求不盡相同，因此對接入方式也有不同的要求。目前能夠實現的寬帶接入方式主要有以下幾種：FTTx：包括光纖到桌面路邊（FTTD）、光纖到家庭（FTTH）、光纖到大樓（FTTB）、以及（FTTC）等。目前成熟的用戶端光纖端口能夠支持高達10G帶寬，可以一勞永逸地解決用戶的帶寬要求，但資金投入大，對一般用戶不適會。FTTx方式一般使用FTTxLAN形式，即在光纖的終點連結局域網，用戶只需接入本地局域網就可獲得10100M的使用帶寬，而且費用比較便宜，是一種比較好而經濟的方式。FTTx十LAN方式將是發展的重點

19、。xDSL：包括HDSL，ADSL，VADSL等，當前主要使用的是ADSL。它在已經廣泛鋪設的銅纜上采用新的數字解調技術，為用戶提供比較高的接入帶寬。其優勢是可充分利用現有的鋼纜資源，技術比較成熟，但是局端投資比較大，傳輸距離限制在l5公里以內。HFC：這種技術適合于在有線電視的同軸電纜線上開展寬帶接入業務，但是需要對現有的同軸電纜有線電視網進行雙向改造，并且單個節點下用戶數目有一定限制。無線接入技術，如微波接入、衛星通信、固定無線接入（FWA）等技術，這類技術目前應用還不廣泛。以上這些接入技術在實際應用中往往被結合起來使用，并且與網管系統一起組成一個完整的接入系統。1.3寬帶城域網的結構和業

20、務平面寬帶IP城域網的拓補結構主要有星型、環型等。星型結構在初期建設中占比例較大，優點是組網方式簡單，建設初期成本低，但是缺點是中心節點或路由器負擔過重，擴容費用高。環型結構城域網一般采用SDH或FDDI等，其優點是規模擴展性好，帶寬利用率高，有自愈保護功能，但是缺點是初期投資較大，網絡配置和管理比較復雜。當前網絡發展趨勢是電信交換網、計算機網和有線電視網的融合，三種網絡的結構都有所不同。當三網融會為基于IP的寬帶城域網之后，原有的網絡結構也要做一定的考慮。寬帶IP城域網的邏輯結構一般分為核心層、匯接層和接入層：核心層主要提供高帶寬的IP業務承載和交換通道，完成和已有網絡(ATM、PSTN、F

21、R、DDN、IP以及有線電視網等)的互聯互通，并提供城域網的網絡管理、接入、計費和認證等功能，為用戶提供各種增值服務。匯接層的主要功能是給業務接入節點提供用戶業務數據的匯聚和分發處理。接入層的帶寬主要為nX2M、155M等，而核心層帶寬可達G級，需要在匯接層將用戶數據和帶寬從小到大、網絡拓撲從簡單到復雜過渡過去。接入層利用多種接入技術，迅速覆蓋用戶，進行帶寬和業務分配，實現用戶的接入，接入節點設備完成多業務的復用和傳輸，利用光纖、雙絞線、同軸電纜等連接到用戶。2 超寬帶時代下城域網的特點面對即將到來的超寬帶時代，城域網將呈現的特點主要體現在以下幾個方面：(1) 網絡帶寬可運營，可方便的管理和運營網絡資源。如端到端業務提供、服務分級、虛擬專線、虛擬專網、帶寬點播等，后期接入業務即插即用，快速應對突發帶寬需求，特別是大客戶專線應用。(2) 城域骨干和匯聚步入一體化，承載各種接入方式(如OTN、GPON、Packet、MSTP)的業務，業務快速加載，運維方便。(3) 快速端到端傳送“海量”的大顆粒業務，如GE/2.5G/10GE/40G/100G，主要應用在路由器業務的“一站式”連接，各個匯聚點IP業務的上傳，及大客戶(政府和企業)專線的快速提供，形成良好的運營態勢。(4) 面向IP業務，全面適配各種業務接入，線路帶寬共享，高的帶寬利用率。(5)