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摘要：超宽带UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脉冲通信(Impulse Radio)技术与其它通信技术有很大不同，它具有信号功率谱密度低、不易检测、系统复杂度低等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信。介绍了UWB系统的信号表示形式，分析了其特点，并介绍了超宽带通信当前的研究及应用情况。 关键词：UWB 脉冲通信 信号 应用 UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。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，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。 1 超宽带信号及其特点 美联邦通信委员会(FCC)规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。 一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1]，[2]为： Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量： （1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。 (2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。 由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。 由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。 (3)数据调制：第k个用户发送的数据序列｛di(k)｝为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。 在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为： 显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1％～0．1％)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为： 例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。 另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。 2 超宽带信号发射机、接收机基本结构 2．1 发射机和相关接收机模型 与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。 2．2 Rake接收机模型 由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。 3 UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较 由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及Home RF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。 4 国内外研究及发展情况 4．1 国外研究现状 军用方面：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。 民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞／故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2002年5月20～23日，IEEE举办了一期会议，专门讨论UWB技术及其应用。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将UWB技术应用于民用的议案，定义了三种UWB系统：成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)分别做了规定。但是，UWB技术的协议与标准尚未确定，目前，只有美国允许民用UWB器件的使用；而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况，并观望美国的UWB标准。 4．2 国内研究现状 2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面，关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。 参考文献:<无线超宽带（UWB）通信原理与应用——21世纪信息与通信技术教程> 王金龙、王呈贵、阚春荣、徐以涛 2005-11第1版 
摘要：本文围绕传输网的四个考量对本地传输网的需求和存在问题进行分析，提出传输网优化的必要性。并以网络结构、传输设备、光缆线路三大要素对本地传输网的优化内容进行探讨，并对网络拓扑、传输设备优化的部分细节问题具体展开。 随着通信技术的飞速发展，运营商所提供的基本业务在速率和数量上也都在飞速的膨胀，而且为了不断满足用户的需求，各种新业务不断的出现。作为基础的传输网络自然也日趋庞大和复杂，特别是本地传输网，作为传输网络中最为繁杂和庞大的部分，经过不断的发展，在安全性、可控性、高效性和扩展性方面都存在不同程度的问题和隐患。针对目前传输网存在的这些问题，对现有传输网进行优化显得非常必要。通过优化使传输网络结构清晰化，有利于提高网络利用率，发挥设备的功用，提高网络安全性，同时也有利于网络的扩容、升级以及便于各种新业务接入。 传输网存在的问题以及优化的展开，都可以围绕四个考量来进行，这四个考量是指传输网络应该具备的性质或功能，包括内容就是上面提到的安全性、可控性、高效性、扩展性。安全性指保证网络设备运行的稳定、安全，网络运行的保护、恢复等，设备板件的保护备份等，即应有较强的对网络正常运行的保障和障碍时快速代通和尽量小影响用户的能力；可控性是指对网络应有较强的网络管理能力，实现业务电路在传输网络上的端到端调配，保证业务的即时开通、调配，使传输网成为可运营的基础网络。高效性是网络生产电路的效益，如通道规划安排产出的通路应是高产出、高效率的，使网络的投资成本得到充分的发挥，并降低运营成本。扩展性指要求网络可持续发展、应方便网络的升级、扩容，使网络建设具有延续性。传输网的优化内容包括根据考量指标对其组成的三要素：网络结构、传输设备、光缆线路所进行的优化。本文主要结合这三个要素针对中小城市本地传输网的优化来展开浅显分析。 网络结构的优化 网络结构的优化包括结构拓朴的优化、通路组织的优化、同步方案的优化等。 1、结构拓扑的优化 根据我国网络结构体系总体的思路，传输网结构总的是采用分层、分区、分割的概念进行规划，就是说从垂直方向分成很多独立的传输层网络，具体对某一区域的网络又可分为若干层，例如本地传输网可分成核心层、汇聚层、接入层3层。 核心层网络是沟通各业务网的交换局（局间电路需求比较大、电路种类比较多，多为平均型业务）的核心节点的网络。核心层网络的核心节点通常不会很多，特别是在中小城市，根据需求情况，大多尚未设这一层。在组网保护方式上基本都是复用段保护环，在此不多做讨论。 汇聚层节点的选择一般要考虑机房条件好、业务发展潜力大、可辐射其他节点等因素，另外更重要的是节点出入局的光缆要有不同路由；汇聚环上节点数量的调整，节点数不宜太多，以5G速率环而言，一般为4～6个比较合适； 汇聚层可以采用2纤或4纤的复用段保护环或通道保护环。对于平均分配的业务，考虑资源利用率建议采用复用段保护环。如果是有汇聚型的业务，例如我们联通目前的业务需求，基本上是要汇聚到中心局站，那么采用2纤通道保护环和复用段保护环在网络容量方面就没有区别，而在业务配置和调度、保护倒换等方面都比复用段保护环简单和容易，特别是保护倒换比复用段更加可靠和迅速，更适合在汇聚型的业务中使用。 接入层涉及站点数量多，结构也复杂，是网络优化中工作量最大的层面。接入层网络的优化主要考虑以下内容。 （1）环路上节点数量的调整，每个环的节点不应太多，在光纤资源允许的情况下，建议环上的节点数不应超过10个。对于节点数超标的环路，建议采取裂环拆环的方式，拆成2个或多个环路。对于物理路由上光纤资源紧张的地区，有条件的应当敷设新的光缆，由于资金或者施工困难等问题不便增设光缆线路的，可以考虑如下方法应急解决： 假设目前有两个PP环环一和环二，速率均为155M。其中环一上3个站点A，C，E和环二上2个站点B，D共用一根光缆，环一所用的2芯光纤在环二的站点B，D的ODF中穿通，环二使用的2芯光纤则在环一站点A，C，E的ODF中穿通。纤芯使用和穿通情况如下图所示： （其中，兰色表示环一设备和光纤，黄色表示环二设备和光纤；“1”表示环一上的站点，“2”表示环二上的站点，“A、B、C、D、E”是给共用光缆段几个站点编的号；A-E站之间两个环使用的4芯光纤为同一根光缆。） 假设由于环改和网络建设以及其他设备的使用的需要，需更多根纤芯，此段光缆已经没有冗余纤芯，而且增设光缆非常困难，那么我们可以换个角度从设备角度考虑，将A，B，C，D，E四站设备进行扩容，B，C，D将SL1光板扩为SL4，A，E增加SL4光板一块。 这样在A站——E站之间通过2芯纤芯建立一条有4个VC4的高速通道，环一可利用A站——B站的第1个VC4，环二可利用A站——B站的第2个VC4，剩余第3和第4个VC4可应用环间通信或站间数据传输，也可以做其他环路的中继。 （2）环上节点的选择。以我们联通来说，网络发展到今天，有相当一部分基站建设的目的已经不是单纯覆盖无信号区，而是兼顾话务分担和提高覆盖质量等。那么我们就可以考虑在上述讲到的拆分子环的时候，考虑将无线信号覆盖相对重叠或者可以兼顾的节点（典型的如同一县城或镇上的几个站点）安排在不同的接入环上，这样可以避免骨干节点万一失效后大面积区域的信号丢失。 （3）尽量将市区及某些县城内拥有或规划了较多数据业务的节点安排在同一子环，其目的在于方便环网升级，而又不造成资源的浪费，提高设备利用率。因为联通目前的主营业务还是移动业务，大部分的节点特别是村镇节点，一般只有1-4条2M业务供给移动业务，若由于环网上某个节点的数据业务过多造成整环资源紧张而要将环速率升级的话，那么势必造成大部分节点设备及端口资源浪费。 此外，还应考虑结合光缆线路的优化进行链路成环改造以及微波的合理调整和使用等。 2、通路组织的优化 通路组织优化应在充分分析现网上通路组织情况及新增电路需求的基础上，对本区内业务电路的流量、流向进行归纳，做出通道安排的远期规划，而后按规划通路调整通路组织和运营电路。其原则需注意以下几点： （1）高阶通道可根据业务的类别（如话音、数据等）进行通道分配，也可以根据业务的流向或局向（即电路的落地点）归类进行通道分配； （2）对高阶通道的占用尽量按短路由规划、并考虑通道利用的均衡，减小通道分配负荷的不平衡度； （3）对数据业务电路的通路规划，应考虑数据业务的动态特性，采用共享通路方式兼顾基本带宽和动态峰值带宽分配； （4）通路优化的同时应对中心局房电路落地支路安排、DDF的成端安排进行优化。尽量使通路规划统一，传输通道整齐有序，减少由于规划凌乱造成的没必要的低阶交叉资源浪费。 3、同步方案的优化 主要指根据同步时钟的传送要求，对网络主、备用同步链路时钟信号的传送、倒换等进行优化，设定SSM字节，避免出现同步环路。另外应减小同步链路长度尤其是主用情况下的链路长度，保证同步定时传送的可靠、精准。同步链路节点应控制在20个以内，尽量不超过16个。 传输设备的优化 1、设备的选择 为降低工程造价，一个本地传输网上应用的设备不宜局限在一个厂家的设备，需引入不同的设备厂商的竞争。但也不宜过多，品种太多又不利于网络管理，一般限制在1～2个厂家。多厂家设备的应用环境通常有两种配置情况：一个是横向划分，即分区域应用多厂家设备；另一个是纵向划分，即分层面应用多厂家设备。根据目前传输设备的特点，多层面网络中不同层面上的设备尽量统一才能实现一个完整的网络功能，因此按横向划分应用不同厂家设备是比较好的。 2、核心点落地的方式 一般核心节点传输设备有大量的电路需要落地，目前多数厂家已经可以提供对支路板件的1:N保护，但从负荷、风险分担的角度讲，在核心节点的传输设备一般采用光、电分离的方式配置，即主子架完成群路、支路等光接口接入和核心控制、交叉功能，E1支路等电接口采用专用的扩展子架来完成上下。为提高电路保生存性，对扩展子架与主机架的连接可进行保护。如图所示，为10Gbit/s设备下的扩展子架的可供选择的两种保护方式。 3、MSTP功能的引入 随着城域业务的多样化，单纯以传输TDM业务为主的SDH设备已经成为城域网进一步发展的瓶颈，这是因为：SDH设备进行的是固定的电路分配，无法进行带宽的灵活分配；只能提供单一的业务接口，无法承载新兴业务，对日益增加的数据业务无法提供很好的支持。由此，多业务传送平台——MSTP开始得到广泛推广。 目前各厂家提供的MSTP设备中有一类是在传统SDH设备的基础上，通过在支路槽位上增加数据业务处理卡(如以太板，ATM板，RPR板)的方式来实现对数据业务的支持，这种方式在数据业务初期业务量还很小的时候是比较灵活的，可以很快地提供带宽。但是由于传统SDH设计的限制，其支路槽位背板带宽很小，多个以太网业务只能共享100M带宽，无法适应高带宽的数据业务需求。另一种是完全针对多业务设计的全新的MSTP设备，由于充分考虑数据业务的需求，采用最新的总线技术，设备不再象传统SDH一样区分群路和支路槽位，它能够为数据业务提供足够的背板带宽保证。另外，这种系统还可以灵活地集成WDM以及数据处理能力，真正适应数据业务的大量应用。 在我们的优化改造中，要结合数据业务的种类、数量、速率来对上述两种设计做出选择，一般在需求量不是非常大的中小城市本地汇聚层和接入层还是考虑嵌套在现有的SDH设备上比较合理。为了增加投资比，更高的设备利用率，可以在接入层使用合适的低速率以太网板接入需求业务，然后几个节点汇聚到骨干节点后再接入镶嵌或者单建的高速数据通道，如下图示： 这里指的高速数据通道可以是嵌套在SDH设备的百兆以太网功能板，也可以是诸如ATM、华为公司的MD5500设备或者单独组网的MSTP设备所提供。 从安全运行角度来讲，设备本身的1+1、1：n保护已经比较完善，对设备的优化，主要是考虑网络可控性和资源利用率。 光缆线路的优化 光缆线路是光传输网络的最基础的传输媒质，为传输系统提供物理上的光通路。所以光缆线路优化要求根据网络组织的优化，以通路规划的思路，以业务为导向，考虑经济、工程实施性等因素，进行光纤线路的优化。对不合理的纤芯配置进行调整，以提高光纤的利用率。 出入局单路由改造 所谓环网，不应当只是逻辑上的，还应该是物理上的，少了任何一个条件网络都不同程度上等同于无保护链。特别是对核心层、汇聚层的节点，虽然采用DNI（双节点保护）方式可以尽可能的减小骨干节点所带接入环全阻的可能性，但是考虑到资源利用率以及投资，毕竟不是所有节点都能实现DNI保护，而且对骨干节点本身的业务来说，节点失效造成的影响也不容忽视，因此一定要尽量实现光缆出入局双路由。另外在不可能实现的时候（地理位置、施工条件等不可解决原因），就尽量采用组网上的便利来可以达到最短时间内保障抢通恢复业务。比如与前面讲到的网络拓扑优化相结合，利用不同接入环上某中继段途径其他骨干节点ODF的条件，迅速地采取《SDH骨干节点应急预案》将障碍节点下挂的子环分流改挂到途径骨干节点来抢代通业务。 2、市区光缆的优化应考虑依托现有管道资源更换大芯数光缆，建议以96芯为主，另外选取适当的位置设置室外光缆交接箱。虽然目前依靠WDM等设备的功能可以尽量节约光纤芯数的使用，但是考虑综合业务的发展和需求，城域网对光纤的使用需求还是很大的。而目前城市建设规划新管道施工难度很大，再加之管道建设费用为光缆建设的投资重头，所以应提前考虑如何减小管道利用率的压力。 3、对于数据业务比较集中，又是有很多数据接入点汇聚的节点基站，应将原分期分批建设入局的4芯、8芯等小芯数光缆的使用情况进行整理，整合更换为大芯数光缆。一是节约入局管道管孔占用，二是美观、方便管理。 总之，传输网优化应以分析业务电路的需求为切入点，针对传输网络的四个考量，对现网指标进行评估。然后根据现网存在问题和业务需求确定网络优化目标，根据目标针对传输网的组成三要素分别进行优化，使传输网络更加安全稳定，使资源潜力得到充分发挥。 本文限于篇幅和个人水平仅就本地传输网优化的一些思路作以探讨，其中的个别细节指标、技术方法等仍需作进一步研究。 参考文献： ⑴ 吴杰、韦炜 《本地传输网优化方案》 《电信工程技术与标准化》期刊，2006年8期 ⑵ 周珊月，刘锐 《本地传输网网络架构优化分析》 《邮电设计技术》期刊，2005年3期 ⑶ 张帅普 《传输网络优化解决方案》 《通信管理与技术》期刊， 2004年第04期
