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什么是 UWB (4)

撰写于:2012年8月23日
作者:silex Wi-Fi专家

前面虽然讲了三次与UWB有关的往事,而既然香农-哈特莱信息传递公式好不容易出现了,我想在这里稍微说明一下公式。

结合香农公式和弗里斯公式
香农(hartley)的信息传递公式如公式(1)所示,将其变形后就可以推导出根据提供的信息量C(bit/sec)和频带B(Hz)计算出所需信噪比的公式(2)。

公式(1) 香农的信息公式(基础形)

公式(2) 香农的信息公式(把S/N向左边变形)

那么在这里,请让以前在“无线LAN和通信距离”的系列中登场的弗里斯正式登场。公式(3)是将弗里斯公式变形后的距离放在左边,

公式(3) 弗里斯的传递公式(把距离向左边变形)

这里可以用香农公式的值代入允许传递损耗LP(dB)项。也就是说,如果用dB表示SNR,则SNR是接收信号电平S(dBm)减去背景噪声电平N(dBm)得到的值,其中S是从发送输出TxP(dBm)减去传递损耗LP(dB)的值。

公式(4) 根据TxP、SNR计算LP)

公式(4)是成立的。将从公式(2)导出的值代入公式(4)的SNR,并将其中导出的可允许传输损耗LP代入公式(3),则:波长λ、空间传输系数n、信息量C、频带B、传输输出TxP、背景噪声等级N的6个参数就可以算出理论上的通信极限距离。

适用于各种无线规格
以公式(3)和公式(4)为基础制作工作表,将包括UWB在内的各种无线标准的值套用到表(1)中。空间传递系数假设在障碍物多的室内是严格的3.0,噪声等级一律假设为- 90dbm,另外天线增益等也没有计算在内。香农公式和弗里斯公式表示的都是“理论上的极限值”,并不能表示实际的产品性能,所以请大家参考“不至于离谱的程度”。

表格(1) 从弗里斯公式和香农公式中试算的理论传递距离

无线 频率
(MHz)
速度比特率
(Mbps)
带宽
(MHz)
发射功率
(mW)
距离
(m)
UWB 4.9 480 500 0.04 10.0
BT BDR 2.4 1 1 2.5 62.8
BT EDR 2.4 3 1 2.5 32.8
Zigbee 2.4 0.25 0.5 1 64.0
802.11b 2.4 11 20 25 175
802.11g 2.4 54 20 25 76.6
802.11n 2.4 75 20 25 58.3
802.11a 5.2 54 20 25 45.8
802.11n 5.2 75 20 25 34.8
802.11ac 5.2 500 80 25 19.1
802.11ad 60 1000 500 10 8.08
这样看来,UWB“理论上”10m的速度应该可以达到480Mbps。将MB-OFDM UWB的产品规格定为“5m可达480Mbps”,是考虑到富余的情况吗?蓝牙的class - 2bdr (Basic Data Rate)在目录上是10m,但是这个估算出来的计算结果应该是60m左右。相反,以1mW的功率能够覆盖100m以上的Zigbee,在这个估算中得出的结果是和蓝牙差不多,也就是60m左右。需要注意的是,这只是理论上的估算值,并不代表实际无线产品的性能。

WiFi无线LAN 802.11b为175m, 11g为77m, 11a为46m,计算出的距离比实际使用感觉稍长一些。我们将话题中的“千兆无线LAN”802.11ac和802.11ad的估算也进行了排序,11ac作为2Gbps,在500Mbps / 80MHz模式下的理论距离19m、11ad作为500MHz频带单流1Gbps传输的理论距离10m,两者都是非常严格的数值。虽说是理论上的数值,但这个数字多少让人担心产品的实用性。

正如前面多次提到的,在无线通信系统中,传递距离与信息密度从根本上是相反的关系,要在保持距离性能的前提下提高信息密度并非易事。11b→11g的OFDM调制(频率利用效率的提高),11g→11n的MIMO(反向采用多路径的传输效率的提高),虽然反复进行了改良,但最终还是11ac/11ad能否打开UWB一直追求、最终未能实现的“超高速无线”这一市场的新天地呢?我个人认为,如果没有特殊情况,“超高速信息传输”还是有线连接更便宜、可靠,盲目追求无线传输速度是不现实的(无线LAN开发工程师所不具备的)。“难道?说不定?!”的突破值得思考。