UWB——種前沿寬帶無線技術(shù)

　　一、UWB概述

　　超寬帶UWB由Ultra Wideband縮寫而成，它是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展，認(rèn)為它將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。

　　超寬帶和其它的"窄帶"或者是"寬帶"主要有兩方面的區(qū)別：一、超寬帶的帶寬，按照美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的定義信號(hào)帶寬大于1.5GHz，或信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25％為超寬帶；信號(hào)帶寬與中心頻率之比在1％～25％之間為寬帶，小于1％為窄帶，可見UWB的帶寬明顯大于目前所有通信技術(shù)的帶寬。二、超寬帶的無載波傳輸方式。傳統(tǒng)的"窄帶"和"寬帶"都是采用無線電頻率（RF）載波來傳送信號(hào)，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。相反的，超寬帶以基帶傳輸。實(shí)現(xiàn)方式是發(fā)送脈沖無線電（IR）信號(hào)傳送聲音和圖像數(shù)據(jù)，每秒可發(fā)送多至10億個(gè)代表0和1的脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)的時(shí)域極窄（0.1至1.5納秒），頻域極寬（數(shù)Hz到數(shù)GHz，可超過10GHz），其中的低頻部分可以實(shí)現(xiàn)穿墻通信。UWB脈沖信號(hào)的發(fā)射功率都十分低，僅僅相當(dāng)于一些背景噪音，不會(huì)對(duì)其他窄帶信號(hào)產(chǎn)生任何干擾。由于UWB系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，因而被截獲概率很小，被檢測(cè)概率也很低，與窄帶系統(tǒng)相比，有較好的電磁兼容和頻譜利用率。此外，傳統(tǒng)的無線通信在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)出載波，要消耗不少電能。而UWB是發(fā)出脈沖電波——直接按照0或1發(fā)送出去。由于只在需要時(shí)發(fā)送脈沖電波，因而大大減少了耗電量（僅為傳統(tǒng)無線技術(shù)的1/100）。

　　UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。這兩種技術(shù)是目前TG3a（IEEE 802.15.3a Task Group，IEEE 802.15.3a任務(wù)組）所討論的兩個(gè)競(jìng)爭提議的基礎(chǔ)。UWB使用的電波帶寬為數(shù)GHz，與帶寬20MHz左右的無線LAN相比，UWB利用的帶寬高出數(shù)百倍。與普通二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)信號(hào)波形相比，UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。不要說BPSK等信號(hào)，即使與通常的擴(kuò)頻信號(hào)(2.4GHz頻段無線LAN的幾十MHz帶寬)相比，也是超寬帶寬(數(shù)GHz帶寬)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號(hào)(2.4GHz無線LAN低于10mW/MHz)，UWB信號(hào)也低得多(低于10nW/MHz)。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。而且由于脈沖的時(shí)間寬度極小，能把多路徑分得更小，能實(shí)現(xiàn)RAKE接收(匯集接收許多方向的電波)。通信速度為數(shù)百M(fèi)～1Gbit/秒，與高速有線LAN旗鼓相當(dāng)。

　　二、UWB的歷史與發(fā)展

　　UWB并不是一件新生事物，它已經(jīng)有幾十年的歷史了，但是過去它僅僅應(yīng)用在軍事雷達(dá)和定位設(shè)備中。2002年2月14日，這項(xiàng)無線技術(shù)首次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的批準(zhǔn)用于民用通信，正式將3.1G-10.6GHz頻帶向作為室內(nèi)通信用途的UWB開放，從而引起了世界各國的廣泛關(guān)注，F(xiàn)CC準(zhǔn)許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的條件是“在發(fā)送功率低于美國放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz(功率為1mW/MHz)的條件下，可將3.1GHz-10.6Ghz的頻帶用于對(duì)低下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達(dá)以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測(cè)距和無線數(shù)據(jù)通信”。自1998年起，F(xiàn)CC對(duì)超寬帶無線設(shè)備對(duì)原有窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業(yè)界意見，在有美國軍方和航空界等眾多不同意見的情況下，F(xiàn)CC仍開放了UWB技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用許可，這充分說明此項(xiàng)技術(shù)所具有的廣闊應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)誘惑力。

　　在UWB技術(shù)的競(jìng)爭發(fā)展中出現(xiàn)了兩個(gè)提議，第一個(gè)提議為多頻帶OFDM聯(lián)盟MBOA（MultiBand OFDM Alliance，MBOA）提出的。MBOA由包括多數(shù)世界上最大的半導(dǎo)體、消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)制造商在內(nèi)的40個(gè)供應(yīng)商組成的聯(lián)盟。MBOA的提議將UWB頻帶分為最少三個(gè)波段，使用OFDM在這三個(gè)頻段內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)的窄通道和通道之間的“躍距”。按照MBOA的共同創(chuàng)立者之一、UWB新興企業(yè)Staccato通訊公司的市場(chǎng)副總裁Mark Bowles的說法，如果將頻帶分解為500MHz的塊，將會(huì)簡化無線電的結(jié)構(gòu)并可以使用CMOS技術(shù)。OFDM據(jù)稱在捕獲無線電能量方面極有效率，特別是當(dāng)能量在不同的表面反射并異相進(jìn)入接收天線引起干涉時(shí)特別有效。第二個(gè)提議被稱作直接排序（Direct Sequencing，DS），是基于Motorola獲得的Xtreme Spectrum所創(chuàng)建的技術(shù)。這種方式使用被稱為直接序列擴(kuò)展頻譜的技術(shù)，可以使很多傳輸共享相同的頻率范圍。這使很多小批量（被稱為piconets）的UWB設(shè)備互相連接更為容易。支持者認(rèn)為比起MBOA的提議，這種方式將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的許可頻帶內(nèi)的用戶造成更少的干擾。

　　三、UWB的特點(diǎn)

　　UWB是一種“特立獨(dú)行”的無線通信技術(shù)，它將會(huì)為無線局域網(wǎng)LAN和個(gè)人局域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡單的無線通信技術(shù)。UWB解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、厘米級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。UWB具有以下特點(diǎn)：

　　1． 抗干擾性能強(qiáng)

　　UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能量還原出來，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。

　　2． 傳輸速率高

　　UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s，有望高于藍(lán)牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

　　3． 帶寬極寬

　　UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達(dá)幾個(gè)GHz。超寬帶系統(tǒng)容量大，并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天，開辟了一種新的時(shí)域無線電資源。

　　4． 消耗電能小

　　通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波，因此，要消耗一定電能。而UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按0和1發(fā)送出去，并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波，所以，消耗電能小。

　　5． 保密性好

　　UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收。

　　6． 發(fā)送功率非常小

　　UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長系統(tǒng)電源工作時(shí)間。況且，發(fā)射功率小，其電磁波輻射對(duì)人體的影響也會(huì)很小。這樣，UWB的應(yīng)用面就廣。

　　四、UWB的應(yīng)用

　　近年來，對(duì)移動(dòng)信息通信系統(tǒng)的大容量、高可靠和高品質(zhì)化的要求迅速增大，多種多樣的服務(wù)正在出現(xiàn)。在寬帶無線通信系統(tǒng)已引入了寬帶CDMA的IMT2000及其下行寬帶流的HDR，在無線LAN中已開發(fā)了2.4GHz頻段采用SS(擴(kuò)頻)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳頻)的藍(lán)牙，5.2GHz頻段采用OFDM(正交頻分復(fù)用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可說是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。這些方式都使用寬帶的調(diào)制方式，也能實(shí)現(xiàn)高速無線傳輸。而不用載波、用占用非常寬的頻帶的脈沖信號(hào)進(jìn)行無線傳輸?shù)腢WB方式，由于高頻器件、信號(hào)處理技術(shù)的研究開發(fā)已增加了實(shí)現(xiàn)性。具有傳感功能的UWB技術(shù)在目前使用藍(lán)牙等技術(shù)的近距離無線市場(chǎng)中，可實(shí)現(xiàn)更高速的基帶無線通信。

　　在企業(yè)中UWB可能會(huì)成為筆記本電腦和PDA與外設(shè)連接并以一種特別方式共享多媒體的主要途徑。

　　UWB技術(shù)的主要應(yīng)用包括室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測(cè)、位置測(cè)定、雷達(dá)等。尤其是以下應(yīng)用：

　　●數(shù)據(jù)速度：低速(幾十kbps)~超高速(數(shù)百M(fèi)bps)

　　●通信范圍：幾米(約5米)

　　●“第3代”藍(lán)牙發(fā)展或無線PAN(個(gè)人局域網(wǎng))

　　●IEEE802.15(無線PAN)

　　●把TG3(達(dá)到20Mbps)規(guī)范高速化

　　●家庭內(nèi)為主要的數(shù)據(jù)傳輸

　　●近距離100Mbps以上的無線傳輸

　　●無線USB2.0

　　●數(shù)據(jù)速率：480Mbps(USB2.0)

　　●美國XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技術(shù)方案

　　在數(shù)據(jù)通信方面，超寬帶技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)是多跳無線網(wǎng)絡(luò)，不依賴固定基礎(chǔ)設(shè)施，能夠快速配置和自組織地工作。其中每一臺(tái)主機(jī)既作為終端，也作為一個(gè)路由器。

　　在2004年雅典奧運(yùn)會(huì)上，韓國移動(dòng)電話商(Cosmote)推出了三項(xiàng)最新技術(shù)，其中之一即為超寬帶無線技術(shù)，它能有效地將個(gè)人電腦、機(jī)頂盒或者DVD播放機(jī)的高質(zhì)量視頻信號(hào)傳輸?shù)酱笃聊簧�，為用戶提供奧運(yùn)會(huì)比賽時(shí)間、場(chǎng)地、結(jié)果、獎(jiǎng)牌榜、天氣預(yù)報(bào)和娛樂活動(dòng)，以及運(yùn)動(dòng)員小傳等。

　　五、發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

　　目前，英特爾公司正在進(jìn)行研究和開發(fā)，以便將UWB集成到個(gè)人電腦芯片組中。由于脈沖發(fā)生的電路結(jié)構(gòu)簡單，相對(duì)來說比較容易在芯片組中集成。因?yàn)閁WB是在筆記本電腦與外圍設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線接口連接的物理層技術(shù)，所以英特爾將UWB定位于"無線USB2.0"，將其作為10m以內(nèi)的近距離高速無線傳輸接口使用，目前已達(dá)到100Mbit/s，實(shí)現(xiàn)了最初的目標(biāo)，下一個(gè)目標(biāo)則是500Mbit/s。

　　NEC和東芝在國際學(xué)會(huì)“2004年天線傳播國際專題討論會(huì)(ISAP\'04)”上公開了正在開發(fā)的UWB天線。NEC公司已將無線LAN用外置式天線模塊產(chǎn)品化。東芝展示3種小型UWB天線，分別為筆記本電腦用天線和便攜式設(shè)備用天線。

　　雖然現(xiàn)代UWB技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但仍然還面臨很多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括：

　　●前向糾錯(cuò)編碼的設(shè)計(jì)、低復(fù)雜度的信道補(bǔ)償算法、快速捕獲和同步方法、容量分析；

　　●高速脈沖收發(fā)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、超寬帶天線、板上微控制器噪聲的處理等；

　　●多址方案的設(shè)計(jì)，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；

　　●信道建摸，需要更好的理解傳播信道的特點(diǎn)；

　　●多徑衰落的處理，需要考慮RAKE接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性；

　　●新的調(diào)制技術(shù)，如M-PAM ；

　　隨著這些技術(shù)的發(fā)展，UWB 將可能成為新一代WLAN和WPAN的技術(shù)基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)超高速寬帶無線接入，為用戶提供諸如視頻分發(fā)和視頻會(huì)議這類需要很高QoS的服務(wù)。

來源：中寬網(wǎng)