UWB技术在医疗设备中的应用

医疗设备制造商可在各种无线应用中使用超宽带技术。

　　超宽带（UWB）是一项高带宽（480-1320Mb/秒）和短距离（10-50米）的无线传输技术，正逐渐在医疗应用中更多的使用。UWB最初只作为一种军事技术开发，直至1994年美国军方解密后才开始发展其商业用途。早期的UWB芯片组旨在取代主流个人电脑的USB电缆。但是，医疗应用的要求是不同的，因为传输实时视频和超声波图像要求低时间延迟和确定的数据吞吐量。阻碍UWB技术使用的另一个因素是，商业UWB芯片组供应商要求每年的订单量达到几十万以上。不过，现在已经有一些公司提供针对医疗市场的需求和产量的UWB芯片组。医疗设备制造商已经开始将UWB技术用于电子内窥镜、喉镜和超声波传感器。本文介绍如何将超宽带技术应用于电子内窥镜。

　　将UWB技术用于内窥镜的考虑因素

　　柔性光学内窥镜有一根长而细的管子，其可被导入病人体内。新式内窥镜在顶端包含了一个光源和一个微小的成像传感器。通过采用新型LED光源和微型CMOS摄像头，这种结构是可行的。内窥镜顶端的LED光源的功耗要远远低于传统高功率光源。因此，一组小小的电池就足以支持内窥镜工作几个小时。此外，可用铜导线取代昂贵的光管。还有另一个优势是图像可以显示在液晶显示器上，并在同一时间被记录下来。显示器的无线连接消除了内窥镜的物理限制，使得病人和医生在检查过程中更加舒适。

　　数字传输是一种理想的传输方式，因其能提供高清晰的画面质量和避免失真。由于医生是通过视频监视器来观察他对病人的操作，画面应实时出现在屏幕上---换而言之，延迟要尽可能短。因此，视频信号不能经过压缩电路或大规模的协议栈。UWB的高带宽、低延迟、低辐射和稳固性使得其成为用于内窥镜的理想无线传输技术。

　　超宽带无线电技术

　　以NTSC品质传输未经压缩的视频需要确定性的数据传送速率至少达到166 MB /秒，而传统技术根本没办法实现这样的数据传送速率。传统的无线技术采用一种取决于频道可用性的无线访问机制。这意味着接收范围内的其它设备可能会暂时减少数据带宽。若采用UWB技术，则在会话期间永久地保留一个通道。超宽带技术的协议开销很低，这对减少传输延迟非常重要。通过将数据分散到128个子载波可建立非常稳固的无线通道。接下来将对超宽带技术的其它优势和细节进行探讨。

　　UWB 无线通信层

　　早期的UWB研发基于不同的物理（PHY）和介质访问控制（MAC）层规范。在过去三年里，WiMedia联盟的MAC层和PHY层规范已被大多数超宽带实施者采用。与已制定的无线传输技术（如WLAN）不同的是，UWB 每个传输通道占用528MHz 的频带。相比之下，无线局域网（WLAN）通道的最大带宽为20 MHz。三个528MHz的频带组成一个频带组。UWB的整个频率范围为3.1~10.6 GHz，被分为5个频带组。现已有工作在频带群1和3的先进双频带收发器。

　　WiMedia-UWB所采用的是正交频分复用（OFDM）调制技术。每个528MH频带被分成128个子载波，每个子载波的波峰正好处在相邻子载波的零点位置（因而得名‘正交’，见图1，第27页）。传输信息被分配到这128个子载波，每个528MHz信道的最高速率为480 Mb /秒。

　　由于子载波分布在528MHz 的较大带宽范围，因此支持非常低的发射功率---37微瓦（相比之下，WLAN允许的发射功耗超过了300 mW）。适于信息传送的宽带和超低发射功率使得UWB在射频（RF）领域能很好的与其它射频共存。尽管发射功率只有37微瓦，但其传输距离可达到10米远，并可以穿过一堵25厘米厚的砖墙而不会影响信号传送。

图 1    WiMedia-UWB的每个528 MHz频带被分为128个子载波。

请注意，每个子载波的波峰在其相邻子载波的零点

　　媒体访问控制层

　　UWB无线通信层负责射频(RF)处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点网络（ad hoc network）。点对点网络不是一个预先规划好的网络，而是由距离很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。

　　如图2所示为由三个UWB设备构建的一个点对点网络。其中，设备A对设备C来说是不可见的。位于图中左侧的设备A即便不能“侦听”到设备C，也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为设备A可通过所谓的“信标”(beacon)来了解设备C。信标中包含有相邻近设备的相关信息，因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间，可以进行任何方向的直接传输数据。

　　UWB采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照时隙和帧来组织传输。UWB传输时隙组合构成超帧(见图4)。超帧分为信标段(BP)和数据传输段(DTP)。信标及有效数据占据超帧的256个媒体访问时隙，一个媒体访问时隙持续256μs，一个超帧持续65.5ms。所有能相互“侦听”到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通信通道。

图  2    对一个点对点网络中的三个UWB设备的描述

　　由于按时隙来组织通道，因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据。一个设备只需每隔65.5ms被唤醒来收听信标；如果该设备没有任何任务，将重新返回睡眠状态，类似于手机延长电池寿命的睡眠模式。这样就延长了电池供电系统的工作时间。

　　UWB的无线接口很像电缆：如果有多个通信成员而通道又有限，就必须对访问权限进行管理。当打算发送信息到某一通道时，该设备成员需要进行“侦听”以确定该通道是否已被别的设备占用。如果其发现该通道空闲，就发送信息。

　　当然，有可能两个设备同时侦听该通道，都发现它是空闲的，并同时向其发送信息，这就是所谓的“冲突”。发生“冲突”时，设备将尝试稍后再访问通道。这期间，每个设备在重试前都等待一个随机时长。优先级较高的设备可能比优先级较低的设备先进行重试。这种“竞争访问”机制是20世纪70年代随以太网发明的，也常用于WLAN。显然，如果要以最低延迟持续地传输一段视频流，这种方法就行不通了。

图3 超级帧被划分成 信标段（BP）和数据传送段（DTP）

　　为确保能无中断地传输视频流，UWB采用了分布式驻留协议(DRP)。由于UWB基于TDMA，网络成员可保留一些固定的时隙(媒体访问时隙)以保障和另一设备的通信。保留通道占用时隙的相关信息在信标时段传送。如果某一时隙被标记为“硬保留”，任何第三方都不可占用该时隙。这是保障视频传输要求的确定性数据传输速率所必须的。