超寬帶（UWB）無線通信技術介紹

　　1、UWB的概念

　　超寬帶技術UWB（Ultra Wideband）是一種無線載波通信技術，即不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用納秒級窄脈沖發(fā)射無線信號的技術，適用于高速、近距離的無線個人通信。按照FCC的規(guī)定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。

　　從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬（信號帶寬與中心頻率之比）小于1%，相對帶寬在1%到25%之間的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。

　　從時域上講，超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進行信號調(diào)制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖（幾十納秒）直接實現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程中所持續(xù)的時間，來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。

　　2、UWB的主要技術特點

　　UWB是一種“特立獨行”的無線通信技術，它將會為無線局域網(wǎng)LAN和個人局域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。UWB解決了困擾傳統(tǒng)無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復雜度低、厘米級的定位精度等優(yōu)點。

　　UWB具有以下特點：

　　2.1　抗干擾性能強

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

　　2.2　傳輸速率高

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

　　2.3　帶寬極寬

　　UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾個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，開辟了一種新的時域無線電資源。

　　2.4　消耗電能小

　　通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時需要連續(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O和1發(fā)送出去，并且在需要時才發(fā)送脈沖電波，所以，消耗電能小。

　　2.5　保密性好

　　UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(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)的接收機無法接收。

　　2.6　發(fā)送功率非常小

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

　　3、UWB及其相關技術的比較

　　UWB技術與現(xiàn)有其它無線通信技術有著很大的不同，它將會為無線局域網(wǎng)（LAN）和個人局域網(wǎng)（PAN）的接入帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的解決方案。超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線電技術多年的諸如信道衰落、高速率時系統(tǒng)復雜、成本高和功耗大等重大難題，但是UWB通信不會很快取代現(xiàn)有的其它無線通信技術。

　　3.1　UWB與IEEE802.11a

　　IEEE802.11a是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準之一，它主要用來解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，工作在5GHzU-NII頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。采用正交頻分復用（OFDM）擴頻技術；可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時的通信距離可以達到100m，而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信。根據(jù)英特爾照FCC的規(guī)定而進行的演示結果顯示，對于10m以內(nèi)的距離，UWB可以發(fā)揮出高達數(shù)百Mbps的傳輸性能，但是在20m處反倒是IEEE802.11a/b的無線局域網(wǎng)網(wǎng)設備更好一些。因此在目前UWB發(fā)射功率受限的情況下，UWB只能用于10m以內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通信，而10m到100m的無線局域網(wǎng)通信，還需要由802.11來完成，當然與UWB相比，802.11的功耗大，傳輸速率低。

　　3.2　UWB與Bluetooth

　　自從2002年2月14日，F(xiàn)CC批準UWB用于民用無線通信以來，就不斷有人將UWB評論為藍牙（Bluetooth）的殺手，因為從性能價格比上看，Bluetooth是現(xiàn)有無線通信方式中最接近UWB的，但是從目前的情況看UWB不會取代Bluetooth。首先從應用領域來看，Bluetooth工作在無須申請的2.4GHz ISM頻段上，主要用來連接打印機、筆記本電腦等辦公設備。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距離可以達到10m以上。而UWB的通信速率在幾百Mbps，通信距離僅有幾米，因此二者的應用領域不盡相同。其次，從技術上看，經(jīng)過多年的發(fā)展，Bluetooth已經(jīng)具有較完善的通信協(xié)議。Bluetooth的核心協(xié)議包括物理層協(xié)議和鏈路接入?yún)f(xié)議，鏈路管理協(xié)議及服務發(fā)展協(xié)議等等，而UWB的工業(yè)實用協(xié)議還在制定中。還有，Bluetooth是一種短距離無線連接技術標準的代稱，藍牙的實質內(nèi)容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準，從這方面講，UWB可以看作是采用一種特殊無線電波來高速傳送數(shù)據(jù)的通信方式，嚴格地講，它不能構成一個完整的通信協(xié)議或標準。考慮到UWB高速、低功耗的特點，也許在下一代Bluetooth標準中，UWB可能被用做物理層的通信方式。最后，從市場角度分析，藍牙產(chǎn)品已經(jīng)成熟并得到推廣和使用，而UWB的研究還處在起步階段?；谝陨显颍谖磥淼膸啄陜?nèi)，UWB和Bluetooth更有可能既是競爭對手，又是合作朋友。

　　結合上述討論，可以用表1對三種短距離無線通信做個簡單的比較。

4、UWB的應用前景

　　UWB技術具有系統(tǒng)復雜度低，發(fā)射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入，非常適于建立一個高效的無線局域網(wǎng)（WLAN）或無線個域網(wǎng)（WPAN）。UWB最具特色的應用將是視頻消費娛樂方面的無線個人局域網(wǎng)（PANs）。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點使得UWB較適合家庭無線通信的需求?，F(xiàn)有的無線通信方式，802.11b和藍牙的速率太慢，不適合傳輸視頻數(shù)據(jù)；54 Mb/s速率的802.11a標準可以處理視頻數(shù)據(jù)，但費用昂貴。而UWB有可能在10m范圍內(nèi)，支持高達110 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟地完成視頻數(shù)據(jù)處理。

　　超寬帶系統(tǒng)同時具有無線通信和定位的功能，可方便地應用于智能交通系統(tǒng)中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費、車內(nèi)智能網(wǎng)絡、測速、監(jiān)視、分布式信息站等提供高性能、低成本的解決方案。UWB也可應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統(tǒng)中，諸如軍事、公安、消防、醫(yī)療、救援、測量、勘探和科研等領域，用做隱秘安全通信、救援應急通信、精確測距和定位、透地探測雷達、墻內(nèi)和穿墻成像、監(jiān)視和入侵檢測、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測等。UWB還可應用于傳感器網(wǎng)絡和智能環(huán)境，這種環(huán)境包括生活環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、辦公環(huán)境等，主要用于對各種對象（人和物）進行檢測、識別、控制和通信。

　　當然，UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術發(fā)展、成本、用戶使用習慣和市場成熟度等多方面的因素。

　　表1　幾種短距離無線通信比較

　　5、結論

　　超寬帶技術的采用對于解決當今在通信領域中的容量與有限的頻譜資源分配等問題提供了一條有效的途徑。在業(yè)界的推動下，UWB技術將日臻成熟，目前，已經(jīng)有一些公司推出了UWB芯片和相關產(chǎn)品。可以預料UWB技術將在未來高速信息網(wǎng)絡中發(fā)揮重要的作用。