超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)介紹

　　1、UWB的概念

　　超寬帶技術(shù)UWB（Ultra Wideband）是一種無線載波通信技術(shù)，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(shù)，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(shù)特點

　　UWB是一種“特立獨行”的無線通信技術(shù)，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(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對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(fù)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(shè)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(lán)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(dá)到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，有望高于藍(lán)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(dá)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(shè)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(yīng)用面就廣。

　　3、UWB及其相關(guān)技術(shù)的比較

　　UWB技術(shù)與現(xiàn)有其它無線通信技術(shù)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(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線電技術(shù)多年的諸如信道衰落、高速率時系統(tǒng)復(fù)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(shù)。

　　3.1　UWB與IEEE802.11a

　　IEEE802.11a是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)用（OFDM）擴頻技術(shù)；可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時的通信距離可以達(dá)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(jié)果顯示，對于10m以內(nèi)的距離，UWB可以發(fā)揮出高達(dá)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(shè)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(dāng)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(zhǔn)UWB用于民用無線通信以來，就不斷有人將UWB評論為藍(lán)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)備。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距離可以達(dá)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(yīng)用領(lǐng)域不盡相同。其次，從技術(shù)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(wù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱，藍(lán)牙的實質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，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(yán)格地講，它不能構(gòu)成一個完整的通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到UWB高速、低功耗的特點，也許在下一代Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)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(lán)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?，在未來的幾年內(nèi)，UWB和Bluetooth更有可能既是競爭對手，又是合作朋友。

　　結(jié)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(yīng)用前景

　　UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)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(yīng)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。現(xiàn)有的無線通信方式，802.11b和藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(yīng)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(luò)、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(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)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(lǐng)域，用做隱秘安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測距和定位、透地探測雷達(dá)、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(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dāng)然，UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術(shù)發(fā)展、成本、用戶使用習(xí)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(jié)論

　　超寬帶技術(shù)的采用對于解決當(dāng)今在通信領(lǐng)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(shù)將日臻成熟，目前，已經(jīng)有一些公司推出了UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品。可以預(yù)料UWB技術(shù)將在未來高速信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用。