超宽带(UWB)技术及其军事应用

超宽带(UWB)技术及其军事应用

摘要:文章简要介绍了超宽带技术的概念、原理和主要技术特点,对超宽带技术在军事上的应用进行了探讨和分析。

关键词:无线通信;超宽带(UWB)技术;军事应用

伴随着无线通信技术的快速发展,不同种类的无线通信系统不断涌现,使得可使用的频谱资源日渐趋于饱和。但是,无线通信系统的要求标准也在不断提高:更高的数据传输速率、成本更低以及功耗更小。UWB技术独树一格,它将会为无线局域网LAN、个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高宽带并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低,有截获能力,系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等特点。适用军事通信应用中。

1短距离无线通信技术简介

近年来,由于数据通信需求的推动,加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展,短距离无线通信技术与移动通信技术——蓝牙技术、射频识别技术、UWB技术等都取得了令人瞩目的成就。短距离无线通信通常指的是100 m以内的通信,分为高速和低速两类。高速短距离无线通信最高数据率>100 Mbit/s,通信距离<10 m,典型技术有高速UWB。低速短距离无线通信的最低数据速率<1 Mbit/s,通信距离<100 m,典型技术有蓝牙、紫蜂和低速UWB。

2超宽带(UWB)技术

了解超宽带技术,首先要明白什么是“超宽带”,2002年美国联邦通信委员会颁布的频谱规划得到人们的普遍认同。它是指信号相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)大于0.2或绝对带宽大于500 MHz的技术,在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3.1～10.6 GHz,并在这一频率范围内,带宽为1 MHz的辐射体在三米距离处产生的场强不得超过500 V/m,相当于功率谱密度为75 nW/MHz,即41.3 dBm/MHz。超宽带无线技术从信号形式来看,大体可分为两大类:一类是基带窄脉冲形式; 另一类是带通载波调制方式。UU WB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲,超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽,接收机直接用一级前端交叉相关器就能把脉冲序列转换成基带信号,省去了传统通信设备中的中频级,极大地降低了设备复杂性。相对传统通信系统而言,UWB具有以下几个技术特点:

①实现系统结构相对容易:无线通信技术目前所普遍使用的通信载波是频率和功率在一定范围内变化的连续的电波,以此来传输信息。而UWB则不使用载波,其传输数据信号的方式是通过发送纳秒级脉冲,UWB可以采用造价低廉的宽带发射器,在接收端不需要中频处理,所以,UWB实现系统结构相对容易。

②数据传输的高速率:在民用商品中,对UWB信号的传输范围的要求是10 m以内,经过修正的信道容量公式,其传输速率可达500 Mbit/s,在实现无线局域及网个人通信方面,其不失为一种理想调制技术。UWB是通过宽的频率带宽换取数据传输的高速度, 且不单占拥挤的频率资源,而是共享其他无线频带。在军事应用的过程中,可以通过扩频增益来实现远距离、高安全性、低检测率、低截获率和高速的数据传输。

③功耗低:UWB系统发送数据是通过间歇的脉冲进行的,脉冲持续时间一般仅在0.20 ～1. 5 ns之间波动, 其占空因数很低,因而可以做到系统耗电很低,即使在高速通信时,系统的耗电量也仅为几百μW到几十mW。相对于传统移动电话而言,民用的UWB设备功

率仅相当于其1/100左右, 因此,无论是在电池寿命还是在电磁辐射上,相对于传统无线设备而言,UWB 设备有着相当大的先进性和优越性。

④安全性高:作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内,相对一般通信系统而言,UWB信号相当于白噪声信号,且在大部分情况下,UWB信号的功率谱密度要大大低于自然的电子噪声,要从电子噪声中检测脉冲信号很有难度。通过编码对脉冲参数进行伪随机化后,检测脉冲难度更高。

⑤多径分辨能力强: 常规无线通信的射频信号由于多数为连续信号或着其持续时间远大于多径传播时间导致的多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的。大量的实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10～30 dB 的多径环境, 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

⑥定位精确:冲激脉冲采用超宽带无线电通信,定位精度很高,实施定位与通信合一很容易,而常规无线电要做到这一点却很难。超宽带无线电有一个显著的特点:其穿透能力极强,能在室内、地下精确定位,而GPS定位系统的定位只限于其可视范围之内;与GPS提供绝对地理位置不同的是,超短脉冲定位器可以给出相对位置,其定位精度可达厘米级,此外,超宽带无线电定位器价位更便宜。

⑦工程简单,造价便宜:在工程实现上,UWB可实现全数字化,相对其它无线技术而言,简单很多,它只需要以一种数学方式产生脉冲,并对脉冲产生调制,而这些电路能被集成到一个芯片上,设备的成本将很低。

3UWB在军事通信中的应用

现代军事要求电台能够提供更高的数据传输速率,并具有良好的低截获特性,在此基础上,一种用于战场条件下的UWB技术的高速电台结构产生。

其中UWB发射/接收机完成UWB信号的调制解调,微处理器用于各模块间的控制和协调,接收面板按键的指令,把相关信息传递到显示屏等。加密接口用于对通信数据进行加密,可以接全双工的连续可变增量调制(CVSD)的话音数据,也可以接标准的计算机串行接口(RS232),可用于文件,图像数据的传输。这样结构的电台可以应用在视距战术通信网、无线数据竭力和单兵个人通信等系统中,分析如下。

3.1UWB战术通信组网电台

组网方式采用分级的自组织网络,便于指挥,抗毁能力强,保密性能好。以战车和通信车为中心节点,中心节点可以通过其他方式(如卫星通信)和上级指挥机关交换数据构成更大地域的通信网。

网络协议采用正交域多接入协议ODMA(Orthogonal Domain Multiple Access),运行操作系统为VxWorks。DRACO的UWB收发模块包括一个VHF/UHF的多信道收发信模块和数字处理器。收发模块采用的复用方式是FDM/TDMA,其多信道技术采用了美国专利号为6026125的技术,数据比特采用单脉冲传送(1bit/每脉冲)。有FPGA实现的数字处理器包括射频控制,同步和RS编解码等功能。加密接口模块、面板显示控制模块是有标准的MBITR(Multi-Band Inter/Intra Team Radio)集成。机密接口模块完成通信安全。所有的控制命令由MBITR的前面板键盘输入。

系统性能指标:支持加密的话音或者数据传输(12/16kb/s),或者不加密的T1标准数据传输(数据速率从115.2kb/s～1.544Mb/s)。网络管理利用独立的正交信道完成,每个节点

支持最多50个节点的路由。

该电台已经进行了野外测试,由8个DRACO电台进行的全项实验表明,DRACO是非常灵活的无线多跳网络电台系统。

3.2数据接力通信

战场条件下,前沿无人侦察机或者探测机器人的图像数据需要及时传输回来,炮兵和航空兵打击效果也需要及时报告,这些场合需要高速的数据传输技术,传统的有线方式抗毁性差,而且不利于机动、架设慢,超宽带技术可以满足高速保密、机动性和低功耗的要求,适合完成这样的数据接力通信任务。

3.3单兵作战系统中的UWB通信

个域网(PAN)技术已经应用于一些先进的单兵作战系统,而UWB技术是现在商用个域网的首选技术,因此将来的单兵作战系统必有UWB技术的一席之地。现有的个域网方案已经提出了用UWB技术实现480Mb/s的无线传输要求,可以省略目前单兵系统中的各种设备电缆。需要说明的是,在高速数据传输中,多频带脉冲方案和多频段OFDM比单脉冲方式有优势。在单兵作战系统中,UWB技术的定位功能也可以和GPS相配合,很方便地实现小区域内的人员物资定位和组网,采用宽度1ns的脉冲就可以达到30cm定位精度。Aether公司已研制出类似功能的试验系统。此外低频段(1波段)UWB信号具有的透视能力也是战场上侦查的有力工具。

此外还可以用UWB透视探测器侦查障碍物之后的敌人。总之,在个人单兵系统中,UWB技术有很多的潜力等我们去研究挖掘。

3.4其他军事通信中的应用

UWB技术,一个介于雷达和通信之间的重要应用时精确地理定位,例如使用UWB技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统有无线UWB塔标和无线UWB移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB漫游器和无线UWB塔标间的突发传送而完成航程时间测量,再经往返(或循环)时间的测量值的对比和分析,得到目标的精确定位。此系统使用的2.5 ns宽的UWB脉冲信号,其峰值功率是4 W,工作频带范围为1.3～1.7 GHz,相对带宽为27%,符合FCC对UWB信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线,其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部,由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用,系统通信距离被限制在约100 m以内。UWB地理方位系统最初的开发和应用是在军事领域,其目的是使战士在城市环境条件下能够以0.3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一是路旁信息服务系统。它能够提供突发高达100 Mbps的信息服务,其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议,还可以用作紧急援助事件的通信。

利用UWB的高速、低截获、低功耗的特点,还可以构成其他用处的军事通信电台,比如用于海军编队非视距自组织网络的通信技术。

4结语

超宽带通信技术的采用解决了当今通信领域中的容量与有限的频谱资源分配等问题,并提供了一条有效途径。在今后的军事通信中有着极大的需求空间,为军事通信的保障做出应有的贡献。

参考文献:

[1] 方旭明.短距离无线与移动通信网络[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2] 葛利嘉.超宽带无线通信[M].北京:国防工业出版社,2005.

[3] 李福昌.UWB超宽带技术发展展望[J].人民邮电报,2007.