机能提供同样的吞吐量和覆盖距离。这对便携式通信装置来说,可大大延长电池工作时间。UWB技术的最重要的特点是其低成本和 低系统复杂性,可全数字化实现。它只需要一种数字方式产生脉冲,并对脉冲进行调制,而这些电路都可以被集成到一个芯片上,目前己 有这种产品。另外,它只用很少的RF或微波器件,因其RF设计简化,系统的频率自适应能力 但是,UWB系统设计时也面临一些挑战,一个普遍关心的问题是在UwB接收机的频带内,宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰: 匹配滤波器的精度:超宽带天线等也不易满足.由于短的脉冲持续时间,为相关检测接收脉冲需要精确的定时,这些问题可通过采用先进 技术来解决。若把UWB发射机设计成频率自适应,带宽自适应结构,则UWB系统能与共享频段的其他通信设备共存而不造成干扰 26空间容量 这里空间容量定义为比特/秒平方米bi/sm2)空间容量的概念已被许多学者使用,如加州 Berkeley的 Jan Rabaey教授等,文中采用 平方米,因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比IEEE80211b工作的距离范围是100m,在24 GHZISM 频段,有80MHz的未用频宽。因此,在半径为100m的覆盖范围内,3个22 MHZ IEEE802.11b系统可同时工作互不干扰,每个系统提供 的峰值速率达11Mbit/s,总共的速率达33 Mbit/s,产生的空间容量为1000 bit/s-m2.蓝牙在低功耗模式下,在10m距离内,速度可达1Mbit/s, 10个蓝牙微微蜂窝( piconets)能在10m圆周范围内同时工作,速度达10 mbit/s,从而得到的空间容量近似为30000 bit/sn2.IEEE8021la 的工作距离范围在50m,峰值速率达5Mbis,假设在5GHz频段内,有200MHz可得到的频宽,系统的空间容量可达83000bit/s UwB系统在10m距离范围内的峰值速率可达50Mbit/s,系统的空间容量达1000000bt/sm2 可以看出,目前的一些标准如蓝牙和IEEE802.11,其峰值速度和空间容量都远低于UwB,这可从理论上找到答案。根据经典的信道 容量理论,C=Blog2(1+S/N),最大信道容量的与带宽成线性关系,UWB系统带宽一般有2GHz甚至更宽,比带宽受限的 Bluctooth、 IEEE8①,11以及 HiperLAN2等无线系统有更大的容量。因此,UwB系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来,随着系统功率的 增大,UWB系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来,像无线以太局城网802.11b和短距的蓝牙通信技术,都有可能被UwB所 取代,这是因为UWB产品的吞吐量将比采用80211b的产品大1000倍,也就是说UWB系统与80211b相比,能够支持更多的用户,而 且比当前无线LAN系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为,就速度和传输距离而言,超宽带无线通信技术当前还 只是处于其萌芽阶段,他们认为,随着功率和芯片制造技术的提高,UWB产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。 UwB系统在短距离范围内的高数据率能力,很适用于带宽/时延敏感的视频通信,为保证业务的高QoS等级,除了物理层外,还应研 究媒体访问控制(MAC层的设计。高速数据在无线信道中传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点,同时,无线信道随时间、地 点而变,用户的移动性也提出另外的要求,如当接入点改变时,用户希望仍能接收到同样的QoS业务,问题在于新无线链路并不一定支持 要求的QoS。这些都需要对MAC层合理设计来处理。UWB系统的MAC层设计包括控制信道接入,QoS、安全性的保证等。下面着重讨 论信道接入和QoS功能 EEE80211Tg专门委员会在研究增强型的80211MAC协议以优化信道接入和保证QoS.802.1MAC层基本的信道接入采用分布式 访问控制方式DCF,以及建立在DCF之上的集中访问控制PCF,提供一种集中化轮询式的通信欧洲提出的与8021充争的技术 HiperLAN2 H2),则采用不同的MC和Qos保证方法.80211的MAC来源于 Ethernet和p,增强Oos的同时能后向兼容.HL2MAC基于无线 mM板念,没有后向容的要求,H12和801的根本区别在于它采用聿常短定长度的分组,集中控制随机接入资源预留道,基于 成功资源预留的TDMA类型的信道分配。这种结构能提供好的QoS性能,但是,与802.11MAC相比,它实现的复杂性较高。 在高速率UWB系统的MAC层设计中,可以根据它的特点进行设计选择,这是MAC层设计时一个要考虑的重要问题。当UWB技术 走向标准化和产品化时,一个待决定的问题是:是否采纳一些其他无线网络中的MAC技术或者完全开发新的技术。这一方面要看到现存 的MAC协议是否适用于UWB应用,另一方面是根据UWB的特性要求加入新的技术到MAC层,一定程度上的兼容性能获得市场和用户 的接受。如UwB系统中,在发射功率恒定时,速率与RF和峰值功率成反比。在MAC可利用这个特点,通过适当调整来灵活控制,根 据通信的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号:为使UWB系统间能共存,可在MAC层利用不同的扩频码来设计UwB系统:为解 决UWB与WLAN系统,如802.11a的共存性问题,也可通过物理层和MAC层的联合设计来实现.UWB系统成功应用的一个重要考虑是 它与其它WLAN或WPAN的共存性 已有大量关于UWB技术的性能和局限的分析,一个较普遍的误解是UwB技术是适合于所有应用的最佳设计。实际上,UWB技术最 适合于拥挤的室内应用,并不适合于室外应用。因为UWB在大气环境下距离越远信号衰减越厉害。另一种误解是将UWB无线技术和冲机能提供同样的吞吐量和覆盖距离。这对便携式通信装置来说，可大大延长电池工作时间。UWB 技术的最重要的特点是其低成本和 低系统复杂性，可全数字化实现。它只需要一种数字方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，目前已 有这种产品。另外，它只用很少的 RF 或微波器件，因其 RF 设计简化，系统的频率自适应能力很高。 但是，UWB 系统设计时也面临一些挑战，一个普遍关心的问题是在 UWB 接收机的频带内，宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰； 匹配滤波器的精度；超宽带天线等也不易满足。由于短的脉冲持续时间，为相关检测接收脉冲需要精确的定时。这些问题可通过采用先进 技术来解决。若把 UWB 发射机设计成频率自适应，带宽自适应结构，则 UWB 系统能与共享频段的其他通信设备共存而不造成干扰。 2.6 空间容量 这里空间容量定义为比特/秒/平方米(bit/s·m2)。空间容量的概念已被许多学者使用，如加州 Berkeley 的 Jan Rabaey 教授等，文中采用 平方米，因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比。IEEE 802.11b 工作的距离范围是 100m，在 2.4GHz ISM 频段，有 80MHz 的未用频宽。因此，在半径为 100m 的覆盖范围内，3 个 22MHz IEEE 802.11b 系统可同时工作互不干扰，每个系统提供 的峰值速率达 11Mbit/s，总共的速率达 33Mbit/s，产生的空间容量为 1000 bit/s·m2。蓝牙在低功耗模式下，在 10m 距离内，速度可达 1Mbit/s， 10 个蓝牙微微蜂窝(piconets)能在 10m 圆周范围内同时工作，速度达 10Mbit/s，从而得到的空间容量近似为 30000 bit/s·m2。IEEE 802.11a 的工作距离范围在 50m，峰值速率达 54Mbit/s，假设在 5GHz 频段内，有 200MHz 可得到的频宽，系统的空间容量可达 83000 bit/s·m2。 UWB 系统在 10m 距离范围内的峰值速率可达 50Mbit/s，系统的空间容量达 1000000 bit/s·m2。 可以看出，目前的一些标准如蓝牙和 IEEE 802.11，其峰值速度和空间容量都远低于 UWB，这可从理论上找到答案。根据经典的信道 容量理论，C＝Blog 2(1+S/N)，最大信道容量的与带宽成线性关系，UWB 系统带宽一般有 2GHz 甚至更宽，比带宽受限的 Bluetooth、 IEEE802.11 以及 HiperLAN2 等无线系统有更大的容量。因此，UWB 系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来，随着系统功率的 增大，UWB 系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来，像无线以太局域网 802.11b 和短距的蓝牙通信技术，都有可能被 UWB 所 取代，这是因为 UWB 产品的吞吐量将比采用 802.11b 的产品大 1000 倍，也就是说 UWB 系统与 802.11b 相比，能够支持更多的用户，而 且比当前无线 LAN 系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为，就速度和传输距离而言，超宽带无线通信技术当前还 只是处于其萌芽阶段，他们认为，随着功率和芯片制造技术的提高，UWB 产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。 2.7 MAC 层 UWB 系统在短距离范围内的高数据率能力，很适用于带宽/时延敏感的视频通信，为保证业务的高 QoS 等级，除了物理层外，还应研 究媒体访问控制(MAC)层的设计。高速数据在无线信道中传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点，同时，无线信道随时间、 地 点而变，用户的移动性也提出另外的要求，如当接入点改变时，用户希望仍能接收到同样的 QoS 业务，问题在于新无线链路并不一定支持 要求的 QoS。这些都需要对 MAC 层合理设计来处理。UWB 系统的 MAC 层设计包括控制信道接入，QoS、安全性的保证等。下面着重讨 论信道接入和 QoS 功能。 IEEE 802.11 Tge 专门委员会在研究增强型的 802.11 MAC 协议以优化信道接入和保证 QoS。802.11 MAC 层基本的信道接入采用分布式 访问控制方式DCF，以及建立在DCF之上的集中访问控制PCF，提供一种集中化轮询式的通信。欧洲提出的与802.11 竞争的技术HiperLAN/2 (HL2)，则采用不同的 MAC 和 QoS 保证方法。802.11 的 MAC 来源于 Ethernet 和 IP，增强 QoS 的同时能后向兼容。HL2 MAC 基于无线 ATM 概念，没有后向兼容的要求。HL2 和 802.11 的根本区别在于它采用非常短固定长度的分组，集中控制随机接入资源预留信道，基于 成功资源预留的 TDMA 类型的信道分配。这种结构能提供好的 QoS 性能，但是，与 802.11 MAC 相比，它实现的复杂性较高。 在高速率 UWB 系统的 MAC 层设计中，可以根据它的特点进行设计选择，这是 MAC 层设计时一个要考虑的重要问题。当 UW B 技术 走向标准化和产品化时，一个待决定的问题是：是否采纳一些其他无线网络中的 MA C 技术或者完全开发新的技术。这一方面要看到现存 的 MAC 协议是否适用于 UWB 应用，另一方面是根据 UWB 的特性要求加入新的技术到 MAC 层，一定程度上的兼容性能获得市场和用户 的接受。如 UWB 系统中，在发射功率恒定时，速率与 PRF 和峰值功率成反比。在 MAC 可利用这个特点，通过适当调整来灵活控制，根 据通信的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号；为使 UWB 系统间能共存，可在 MAC 层利用不同的扩频码来设计 UWB 系统；为解 决 UWB 与 WLAN 系统，如 802.11a 的共存性问题，也可通过物理层和 MAC 层的联合设计来实现。UW B 系统成功应用的一个重要考虑是 它与其它 WLAN 或 WPAN 的共存性。 3 结论 已有大量关于 UWB 技术的性能和局限的分析，一个较普遍的误解是 UWB 技术是适合于所有应用的最佳设计。实际上，UWB 技术最 适合于拥挤的室内应用，并不适合于室外应用。因为 UWB 在大气环境下距离越远信号衰减越厉害。另一种误解是将 UWB 无线技术和冲