短距離無線傳輸新寵—UWB

2019-11-03 09:23:07

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供稿：網友

東南大學移動通信國家重點實驗室畢光國

　　UWB：未來的短距離無線技術

　　今年年初，美國有線新聞網（CNN）公布了2004年最有影響的十大熱門技術，超寬帶無線技術（UWB）榮登榜首。UWB究竟是何方神圣？

　　其實，人們對短距離無線傳輸的需求有增無減，而目前的技術還不能滿足這種需求。未來的短距離無線技術需要考慮通信的普遍特性和 “任何人、任何時間、任何地點”的連接性。這要求新的無線通信系統是現在和未來無線系統的綜合，包括局域網、無線局域網（wlan）、無線個人局域網（WPAN）、無線個域網（WBAN）、自組織網絡(Ad Hoc)和家用局域網，可以連接計算機和各種娛樂設備等，使用戶能夠管理各種信息，完全接入到各種數據。對各種不同的通信鏈路比如人-人、人-機、機-人、機-機等，短距離無線技術將起關鍵的作用。在此需求背景下，基于超寬帶的無線技術（UWB）開始商業化，并受到廣泛關注。

　　UWB本來是為軍事目的而開發的，而巨大的商機使FCC批準其開始民用化，并將3.1GHz～10.6GHz作為UWB頻帶。UWB被批準民用后，眾多家電廠商和個人電腦廠商蜂擁而上，在產品研發上展開競爭。

　　與其他無線通信技術相比，UWB具有傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低等特點。UWB與WiMAX、Wi-Fi一樣，都是用于傳輸無線信號的技術。不過與Wi-Fi解決無線局域網的接入問題和WiMAX解決無線城域網的問題不同，UWB是一種極具競爭力的短距無線傳輸技術，能以極高速率傳送數據，最適合需要高品質服務的高速無線多媒體應用。

　　在被軍方“禁錮”幾十年后，UWB走出了“深閨”，立即受到熱烈歡迎。經過多年的發展，終于在2004年走上“標準化”之路，距離實際應用越來越近。

　　超寬帶無線傳輸技術（Ultra-Wideband Radio Technology, 簡稱UWB-RT或UWB）被美國有線新聞網（CNN）評選為2004年最有影響的十大熱門技術之首，這讓很多人頗感意外。他們甚至還是第一次聽到超寬帶（UWB）無線技術這一說法，大部分人還不大了解什么是超寬帶？這是什么“秘密武器”，突然冒出來就擷據十大熱門技術之首？

　　什么是超寬帶？

　　目前人們普遍認同美國聯邦通信委員會（FCC）關于超寬帶設備帶寬的規定：-10dB的相對帶寬大于0.2或占用帶寬大于500MHz。因此對于中心頻率高于2.5GHz的超寬帶設備和信號，其最小-10dB占用帶寬必須大于500MHz，而中心頻率低于2.5GHz的超寬帶設備和信號，其最小-10dB相對帶寬至少為0.2。

　　超寬帶無線技術從信號形式來看，大體可分為兩大類：一類是基帶窄脈沖形式，窄脈沖序列攜帶信息，直接通過天線傳輸，不需要對正弦載波進行調制，采用時域信號處理方式，這種傳輸方式在中低速應用時具有系統實現簡單、成本低、功耗小、抗多徑能力強、空間/時間分辨率高、具穿透性、不易被截獲/檢測、隱秘安全等優點，是超寬帶技術早期發展首先采用的方式，在很多領域具有廣泛的應用前景。

　　另一類是帶通載波調制方式，可以采用不同的無線傳輸技術，如OFDM、DS-CDMA等，有利于實現高數據速率低功率傳輸，適用于短距離室內高速率傳輸的應用，是目前高速多媒體智能家庭/辦公室網絡應用中的優選技術。

　　超寬帶無線技術優勢何在？

　　● 頻帶寬，可實現極高速傳輸和極大的系統空間容量

　　超寬帶系統的工作頻帶極寬，一般從幾百MHz到幾個GHz，將來還要向更高帶寬發展。信息論告訴我們，通信系統的容量或最大可靠傳輸速率與所占用的帶寬成正比。頻帶極寬，意味著在一定信/擾比要求下，可實現極高速率的可靠傳輸；或者在一定傳輸速率下，可以在很低的信/擾比或信號功率譜密度下實現可靠傳輸。目前研制的實驗超寬帶短距系統傳輸速率已經達到1Gbps以上，其空間通信容量（即每平方米面積可達到的通信容量）是無線局域網、藍牙等系統的10～1000倍以上。

　　● 功率低，功耗小

　　由于UWB可工作在極低的信/擾比門限，因此平均發射功率很低，如工作范圍在10米以內，所需功率僅需幾十到幾百微瓦，其功率譜密度極低，甚至低于環境噪聲以下。這樣的信號極難被非授權方所截獲或檢測，具有極強的隱秘安全性。同時，這樣的信號也不會對其他系統產生不良的干擾，可以與之共享頻帶，實現共存，使稀缺的頻譜資源得到最大限度的利用，這是超寬帶技術受到重視的一個很重要的原因。

　　功率低又意味著低功耗，特別有利于用電池供電的手持式通信設備，使其不充電工作時間大大增加，甚至可達一年至幾年。低功率的另一個重要好處是大大降低了對人體的有害輻射，成為真正的“綠色”手持設備。

　　● 脈沖寬度極短，定位精度極高，抗多徑能力和多徑分辨力強

　　超寬帶脈沖系統一般工作在亞納秒級（<1ns），具有厘米級的距離分辨率，特別有利于雷達、定位和有定位功能的綜合移動通信業務。

　　寬度極短的脈沖信息又具有天然的抗多經分辨力，抗多徑能力強，從而在各種無線環境中具有優越的傳輸性能。

　　● 具有穿透性

　　超寬帶脈沖信號含有豐富的低頻分量，因而具有很強的穿透地表面、墻壁和其他物體的能力，可應用于需要穿透物體進行成像、檢測、監視、測量和通信的場景。

　　● 實現結構簡單、成本低

　　超寬帶系統不論是基帶脈沖的還是帶通調制載波的，射頻、模擬以及信號處理部件都相對較簡單，容易實現全數字化的結構，因而可以大大降低成本。

　　● 結構通用

　　超寬帶通信、雷達、成像和定位系統可采用通用的硬件結構和工作頻段，通過軟件改變其功能，便于用軟件無線電技術實現，具有很大的靈活性和經濟性。

　　超寬帶無線技術主要用在哪兒？

　　2002年4月，FCC公布了超寬帶設備在三類民用領域應用的初步規范，規定了工作頻段、功率限制、開放范圍和使用對象。限定的三類民用超寬帶設備為:成像系統，包括透地探測雷達（GPRS）、墻內、穿墻和醫用成像以及監視設備；車輛雷達系統；通信和測量系統。這些設備的功率和頻譜都受到嚴格的限制，只能作用于短距離、小范圍。但FCC指出，今后經過更充分的測試和研究，有可能有條件地逐步放寬對超寬帶設備應用的限制。相信更多新的超寬帶應用領域將會出現，造福于社會進步和人類的幸福生活。

　　超寬帶技術在下列應用領域已顯現出或估計會有很大的發展潛力：

　　● 短距離（10米以內）高速無線多媒體智能家域網/個域網。在家庭和辦公室中，各種計算機、外設和數字多媒體設備根據需要，利用超寬帶無線技術，在小范圍內動態（即需即用）地組成分布式自組織（Ad Hoc）網絡，協同工作，相互連接，傳送高速多媒體數據，并可通過寬帶網關，接入高速互聯網或其他寬帶網絡。這一領域將融合計算機、通信和消費娛樂業，被視為具有超過移動電話的最大市場發展潛力。

　　● 智能交通系統。超寬帶系統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中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費、車內智能網絡、測速、監視、分布式信息站等提供高性能、低成本的解決方案。

　　● 軍事、公安、消防、醫療、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、墻內和穿墻成像、監視和入侵檢測、醫用成像、貯藏罐內容探測等。

　　● 傳感器網絡和智能環境。這種環境包括生活環境、生產環境、辦公環境等，主要用于對各種對象（人和物）進行檢測、識別、控制和通信。

　　UWB從軍用起步

　　當今的無線技術幾乎全部采用信息對正弦載波調制的帶通傳輸方式，但早在1942年和1945年，De Rose 和 Hoeppner就相繼分別申請了隨機脈沖系統和脈沖通信系統的專利。但因二戰和機密原因，被美國政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后學術界逐漸認識到用做無線傳輸和雷達的信號，并不一定必須具有近似正弦函數的波形。脈沖信號在科研、儀器和檢測領域從20世紀60年代開始應用，并在70年代受到雷達信號處理領域研究人員的關注，應用到雷達高精度測距和測角。

　　在20世紀80年代，通信領域的研究人員開始研制超寬帶脈沖無線通信系統，但其性能和成本受到當時技術條件的限制，未能得到快速發展和廣泛應用。隨著集成電路技術按摩爾定律的發展，每一年半速度和密度提高一倍，成本下降一半，到20世紀90年代中期使超寬帶無線技術進入民用領域成為可能。它具有的優越性日益受到重視。1994年美國政府批準第一個非保密超寬帶通信系統項目，促進了超寬帶技術和系統的研發，但仍停留在實驗室里，因為FCC沒有批準超寬帶設備的商業應用。但這一期間，消費者對訪問網絡和寬帶多媒體信息獲取的需求卻有爆炸性的增長，超出了可用的無線系統傳輸能力。

　　1996年，無線產業界討論各種小范圍無線網標準的方案，包括IEEE 802.11、藍牙、Home RF、IEEE 802.15等。由于缺乏國際通用的可用頻率，這些標準都工作在2.4GHz“ISM”免授權頻段，難免互相干擾，而且都不能傳輸如HDTV等市場需要的高速寬帶多媒體業務。這使得業界不得不去尋求更好的無線技術，超寬帶技術就成為最佳選擇。

　　在此情況下，為探索超寬帶技術在民用領域應用的可行性，1998年9月FCC公開向各界就開放超寬帶技術應用征求意見（Notice of Inquiry）;2000年6月，FCC又發布制定相關規定的建議（Notice of Proposed Rule Making）;2002年2月，FCC通過了超寬帶設備商業應用的初步規范（First Report and Order），同年4月正式公布了此規范。2003年2月，FCC又對該規范進行了確認，局部放寬了對成像系統頻帶的限制，并稱在今后一年半內繼續探討和完善超寬帶技術，并有可能進一步放寬超寬帶技術應用標準方面的限制。

　　兩種標準方案與多方競爭格局形成

　　目前美、歐有關標準化組織，如IEEE 802、ETSI等正在進行超寬帶技術的標準化工作。其中IEEE 802.15 TG3a關于超寬帶技術應用于高速無線個域網（WPAN）低層協議的標準化工作成為全球業界關注的焦點。那些超寬帶技術的先創者們努力想把他們的技術變成IEEE802.15.3a高速WPAN物理層的基礎。目前主要集中在兩種方案的競爭中。以Intel、TI為首的多帶OFDM聯盟（MBOA）所提出的多帶OFDM方案目前擁有多數支持者；而以Motorola為首的一些公司支持DS-CDMA方案，他們已開發出芯片，正在被一些開發商試用中。目前標準制定處于兩種標準僵持不下的狀態。

　　惠普、摩托羅拉等在無線網絡、消費電子、微電子和超寬帶技術方面處于領先的九個業界巨頭于2002年9月成立了WiMedia聯盟（目前其成員已大大增加，包括Intel等MBOA的很多成員），致力于開發和采納基于標準的、連接高速數據和多媒體設備的WPAN規范的制定。Wi Media對標準的態度將會對標準方案的選定起重要作用。

　　另外IEEE 802.15 TG4a也于2004年3月成立，開始進行超寬帶技術應用于低速無線個域網（WPAN）低層協議的標準化工作，目標是低速、超低功率、低成本的通信和高精度測距/定位設備。

　　與此同時，歐洲、日本等國的研究機構、大學和企業也不甘落后，紛紛啟動了超寬帶領域的一系列研究項目，一個波瀾壯闊的超寬帶技術的研發熱潮正在世界范圍內興起。超寬帶通信、雷達、成像和監視設備在軍事上的應用已有十幾年的歷史，但商用產品還不成熟。目前，一些公司已演示了他們開發的穿地探測雷達、手持穿墻成像雷達、速率114Mbps的同時傳兩/三路HDTV的通信系統，以及一些高速超寬帶芯片。超寬帶高速WPAN商用產品預計于今年年底到明年年初將陸續推出。

　　我國超寬帶無線技術的研發尚處在起步階段，國家自然科學基金和“863”計劃已開始支持這方面的研究和開發工作，并已取得了初步進展。我國應該提出有自主知識產權的超寬帶技術的理論和技術成果，以此為支撐制定自主的相關標準和規范，推動我國超寬帶產業化的發展，以便在激烈的國際市場競爭中取得應有的地位。超寬帶無線技術對我國通信界既是一個機遇，又是一個挑戰。我們熱烈企盼國內同行齊心協力、合作攻關，為趕超國際超寬帶無線技術的先進水平，為我國新一代無線通信產業化做出我們的努力。

　　小資料：UWB與Zigbee

　　對于藍牙很多業內人士耳熟目祥。然而從1999年出現以來，藍牙一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。低功耗、低成本的無線網絡要求令Zigbee應運而生，大幅簡化藍牙的復雜規格，專注于低傳輸應用。于是有專家甚至預言：Zigbee和UWB可能使藍牙尚未普及即成為歷史。

　　Zigbee和UWB同時被看好。不過，Zigbee與UWB最大的不同是其數據傳輸速率低，只有10KB/s～250kKB/s，專注于低傳輸應用；而UWB的傳輸速率則高達1Gbps，可以用于多媒體信息等高傳輸應用。

　　另外，Zigbee也具有以下特性：

　　● 功耗低——在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用半年到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。

　　● 成本低——因為Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，又免收專利費，所以大大降低了成本。

　　● 網絡容量大——每個Zigbee網絡最多可支持255個設備，即每個Zigbee設備可以與另外254臺設備相連接。

　　● 時延短——通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。

　　● 安全——Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性。

　　● 有效范圍小——有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，完全可以能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

　　● 工作頻段靈活——使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執照頻段。

　　
摘自《計算機世界報》第38、39期 B4、B5

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