數據通信中的超寬帶技術

2019-11-03 09:04:18

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供稿：網友

陳杰　　丁世杰

南京郵電學院通信工程系

　　摘要超寬帶是無載波的無線傳輸技術，采用功率極低的脈沖，脈沖能量分散在一個很寬的頻譜范圍內。本文概述了該技術的基本原理，介紹該技術在數據通信及互聯中的應用，并對基于超寬帶的網絡協議棧各層的設計問題作了分析。

　　關鍵詞超寬帶數據通信傳感器網絡移動ad hoc網絡

1 引言

　　超寬帶（UWB）技術起源于上個世紀60年代，直到1989年美國國防部才使用“超寬帶”這一術語。這項技術最初用于軍事目的，比如透地精密雷達和保密通信，過去幾年間開始進入商業應用開發。因其有高數據速率、低功耗、低成本、能有效對抗多徑效應、設計簡單等優點，受到研究者和從業者的重視。有人稱它為無線電領域的一次革命性進展，認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術。

　　對于數據通信來說，超寬帶無疑是一個良機。從計算機到外設、外設到外設和數字家庭網絡的應用中，超寬帶無線技術提供了一個低成本、低功率、高數據速率的解決方案。可執行精確的地理定位是該技術一個很有用的特點。它能夠輔助運用在ad hoc網絡中，因為知道其他主機的位置有利于移動主機的操作。這項技術有希望填補通用標準（如藍牙、802.11a/b/g）余留的空白。

2 超寬帶技術

　　幾乎所有正在使用的通信系統都采用正弦波作為基本波形，信息經過各種調制方式得到映射，其結果是將信號能量集中在一個規定好的頻帶內。超寬帶是無載波的無線傳輸技術，發射極窄的基帶脈沖信號（脈沖持續時間通常是ns級），該信號具有從很低頻率到數GHz的很寬的頻率范圍。信號能量被分散在如此寬的頻譜范圍內，產生非常低的功率譜密度。2002年2月，美國聯邦通信委員會（FCC）批準了UWB運用于商業通信，工作在3.1-10.6GHz的免授權頻譜，這一舉措有力地推動了UWB的發展。根據FCC的定義，超寬帶系統的最小-10dB相對帶寬為0.2，或者占有帶寬超過500MHz，但是FCC沒有規定具體的調制方案。沖激無線電（Impulse Radio，IR）是最有希望的超寬帶技術之一。IR信號由極窄的脈沖串組成，這些脈沖在時間上偽隨機出現。偽隨機性依靠跳時碼實現，跳時碼的作用是讓發射信號隨機化，有利于用戶分隔和譜成形，以避免竊聽。信號的調制方式可以用脈沖幅度調制（PAM）或脈沖位置調制（PPM）。為了確保低成本的超寬帶設備，所有脈沖都具有同一波形。

　　直接序列擴頻與超寬帶有許多相似之處，比如存在偽隨機碼，用以擴展和分隔多用戶的數據。直接序列擴頻采用固定頻率的載波來調制已擴頻信號，即把已擴頻信號搬移到最適宜傳輸的頻帶。對超寬帶來說，沒有載波調制。在擴頻系統中，載波的占空比一般是百分之百的；超寬帶中的占空比只有0.5%，這樣低的占空比是實現低功耗的關鍵所在。總之，超寬帶技術帶來一個優點，即電路更簡單，尤其是在接收端，因為不需要本地生成載波，也不必提供多級混合電路、成形濾波等。但是，使用載波擴頻所帶來的優點勝過超寬帶技術。超寬帶本身是一類基帶信號（雖然其頻譜范圍達到數GHz）。在這種情況下，頻譜的近直流和中遠部分的傳播特性具有不同的特點，使得這項技術局限于短距離通信。對于長距離通信而言，特別是中繼，擴頻技術更合適一些。

3 使用超寬帶實現互聯

　　超寬帶技術可以在倉庫、工廠、醫院、商場等高度多徑的環境中使用，而且能以低成本、低功耗的方式提供很準確的地理定位業務，這足以證明其市場前景。該技術同樣適宜于分布式傳感器網絡（Distributed Sensor Networks）。一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用，其應用包括用于商業、工業、軍事的反饋控制系統和環境監視。在無線傳感器網絡中，除了少數節點需要移動之外，大部分節點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環境中，能源無法替代，采取有效的策略延長網絡的生命周期成為無線傳感器網絡的核心問題。

　　在數據通信方面，超寬帶技術可以用于實現ad hoc網絡。該網絡是多跳無線網絡，不依賴固定基礎設施，能夠快速配置和自組織地工作。其中每一臺主機既作為終端，也作為一個路由器。移動ad hoc網絡（MANET）是無線主機具有可移動性的ad hoc網絡。在MANET中，主機的移動性對網絡的拓撲和性能都有深遠影響。圖2說明了OSI協議棧的各層是如何操作的，以保證成功完成一次通信會話。基于超寬帶的傳感器網絡和MANET各層的相關設計問題將在下一節介紹。

4 協議棧各層的設計

　　構建傳感器網絡需要考慮幾個問題。傳感器通常依靠電池工作，要求低成本、低功率、低攔截率（LPI）、低檢測率（LPD），具有進行地理定位的能力。基于超寬帶的物理層滿足上述所有要求。物理層負責用于數據傳輸的介質規范（物理的、電氣的、機械的），規定了工作頻率范圍、工作溫度范圍、調制方案、信道化方案、信道交換時間、定時、同步、符號編碼、來自其它系統的干擾、載波偵聽、符號的發射/接收操作及其功率要求等。為了確保網絡的平滑性能，該層與介質訪問控制（MAC）子層密切地相互作用。無線介質容易產生差錯，也容易受到鄰近其它無線和射頻系統干擾，因此無線系統（如MANET）的物理層有其特別的考慮。在設計無線物理層時，多徑需要多加考慮。由于射頻傳播環境隨著時間動態變化，中斷可能頻繁發生。正在移動的網絡設備由于切換和建立新路由，將加劇這個問題。

　　數據鏈路層包括邏輯鏈路控制（LLC）子層和MAC子層。MAC子層負責信道訪問，而LLC子層負責鏈路維護、數據單元成幀、同步、流量控制以及差錯檢測和恢復。MAC子層試圖獲得訪問共享的信道，以避免其發送幀與其它節點（共享介質）MAC子層的發送幀之間的沖突和失真發生。傳感器網絡和MANET中的MAC子層應該是可功率監控、自組織的，支持移動性和切換。

　　這些網絡的網絡層應當執行使得功率和節點跳數最小的路由。在有些情況下，flooding/gossiping可以增加分組到達目的地的機會。數據集成/融合可用于網絡層中以數據為中心（data-centric）的路由。該層還需要考慮用于快速變化網絡拓撲的路由維護和升級。

　　傳輸層負責網絡中端到端數據的完整性，執行復用、分段、連接、差錯檢測和恢復、流量控制和加速數據傳輸等操作。在MANET環境中，節點的移動性必然導致分組的無序傳遞，這樣一來，期待的確認將經歷相當大的延遲。就功率要求而言，重傳的代價是非常昂貴的。MANET和傳感器網絡的傳輸協議需要關注反饋機制的進展，使得傳輸層能夠識別網絡的動態，調節其重傳定時器和窗口大小，同時隨著網絡中信息的增多而執行擁塞控制。

　　應用層需要支持傳感器網絡和MANET中基于定位的業務、網絡管理、任務分配、查詢和數據公布。

5 結束語

　　便攜、高速率數據通信的需求增長使得人們更加關注無線技術，超寬帶潛在成為具有競爭力的高速率短距離無線技術。然而，廣泛采用超寬帶實現無線數據通信仍然面臨著諸多挑戰：技術本身不成熟；缺乏可靠的信道模型；標準化進程尚處于早期階段等；缺乏低成本的片上系統（SoC）實現。近來，IEEE 802.15.3a標準的提交者把超寬帶作為一個可行的高速率WPAN（無線個域網）物理層選擇方案。

----《中國數據通信》