UWB：值得關注的無線通信新技術

2019-11-03 09:25:10

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供稿：網友

張偉

　　導讀--UWB整合了業界已經成熟的技術如無線USB、無線1394等連接技術。

　　一、引言

　　目前一種新的無線通信技術引起了人們的廣泛關注，這就是所謂的"UWB(Ultra WideBand，超寬帶無線技術)"技術。正如其名稱一樣，UWB技術是一種使用1GHz以上帶寬的最先進的無線通信技術，被認為是未來五年電信熱門技術之一。但是UWB不是一個全新的技術，它實際上是整合了業界已經成熟的技術如無線USB、無線1394等連接技術，本文就是對UWB做一簡單的介紹。

　　二、什么是UWB？

　　UWB 的歷史淵源，可以追溯到一百年前波波夫和馬可尼發明越洋無線電報的時代。現代意義上的超寬帶UWB 無線技術，又稱脈沖無線電( Impulse Radio) 技術，出現于1960 年代。

　　與傳統通信技術不同的是，UWB 是一種無載波通信技術，即它不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用納秒級窄脈沖發射無線信號的技術，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。表1表示這三個概念

	信號帶寬/中心頻率
窄帶	≤1%
寬帶	%1≤…≤25%
超寬帶（UWB）	≥25%或帶寬≥500Mbps

　　從時域上講，超寬帶系統有別于傳統的通信系統。一般的通信系統是通過發送射頻載波進行信號調制，而UWB 是利用起、落點的時域脈沖(幾十n s) 直接實現調制，超寬帶的傳輸把調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的時間，來決定帶寬所占據的頻率范圍。由于UWB 發射功率受限，進而限制了其傳輸距離，據資料表明，UWB 信號的有效傳輸距離在10m 以內，故而在民用方面，UWB 普遍地定位于個人局域網范疇。

　　三、UWB的技術特點

　　由于UWB與傳統通信系統相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點：

　　(1)系統結構的實現比較簡單：當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統收發器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發射器。同時在接收端，UWB接收機也有別于傳統的接收機，不需要中頻處理，因此，UWB系統結構的實現比較簡單。

　　(2)高速的數據傳輸：民用商品中，一般要求UWB 信號的傳輸范圍為10m以內，再根據經過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/ s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現在已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳

　　(3)功耗低：UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數，系統耗電可以做到很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB 設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/ 100 左右，是藍牙設備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統無線設備有著很大的優越性。

　　(4)安全性高：作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由于UWB 信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內，對一般通信系統，UWB 信號相當于白噪聲信號，并且大多數情況下，UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。

　　(5)多徑分辨能力強：由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～ 30 dB 的多徑環境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。

　　(6)定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS 定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內；與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級，此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。

　　(7)工程簡單造價便宜：在工程實現上，UWB比其它無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本將很低。

　　四、百舸爭先競風流

　　如前所述，現代意義上的超寬帶UWB 數據傳輸技術，又稱脈沖無線電( IR ， Impulse Radio) 技術，出現于1960年代，當時主要研究受時域脈沖響應控制的微波網絡的瞬態動作。通過Harmuth 、Ross 和Robbins 等先行公司的研究， UWB 技術在70 年代獲得了重要的發展，其中多數集中在雷達系統應用中，包括探地雷達系統。到80 年代后期，該技術開始被稱為"無載波"無線電，或脈沖無線電。美國國防部在1989 年首次使用了"超帶寬"這一術語。為了研究UWB在民用領域使用的可行性，自1998 年起，美國聯邦通信委員會( FCC) 對超寬帶無線設備對原有窄帶無線通信系統的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業界意見，在有美國軍方和航空界等眾多不同意見的情況下，FCC 仍開放了UWB 技術在短距離無線通信領域的應用許可。這充分說明此項技術所具有的廣闊應用前景和巨大的市場誘惑力。

　　2003年12月，在美國新墨西哥州的阿爾布克爾市舉行的IEEE有關UWB標準的大討論。那時關于UWB技術有兩種相互競爭的標準，一方是以Intel與德州儀器為首支持的MBOA標準，一方是以摩托羅位為首的DS-UWB標準，雙方在這場討論中各不相讓，兩者的分歧體現在UWB技術的實現方式上，前者采用多頻帶方式，后者為單頻帶方式。目前，這兩個陣營均表示將單獨推動各自的技術。雖然標準塵埃未定，但摩托羅拉已有了追隨者，三星在今年國際消費電子展上展示了全球第一套可同時播放三個不同的HSDTV視頻流的無線廣播系統，就采用了摩托羅拉公司的Xtreme　Spectrum芯片，該芯片組是摩托羅拉的第二代產品，目前已有樣片提供，其數據傳輸速度最高可達114Mbps，而功耗不超過200mw。在另一陣營中，Intel公司近期在其開發商論壇上展示了該公司第一個采用90nm技術工藝處理的UWB芯片；同時，該公司還首次展示多家公司聯合支持的、采用UWB芯片的、應用范圍超過10M的480Mbps無線USB技術。在今年5月中旬由IEEE802.15.3a工作組主持召開的標準大討論會議上對這種技術進行投票選舉UWB標準，MBOA獲得60%的支持，DS-UWB獲取40%的支持，兩者都沒有達到成為標準必須達到75%選票的要求。因此標準之爭還要持續下去。

　　美國在UWB的積極投入，引起歐盟和日本的重視，也紛紛開展研究計劃。由Wisair、Phil
　　在UWB的專業IC設計公司已有數家，如Time Domain，Wisair，Discrete　Time　Communications.最具代表性的Xtreme Spectrum在2003年夏天被摩托羅拉并購，該公司在2002年7月推出芯片組Trinity及其參考用電路板，芯片組由MAC、LNA、RF、Baseband所組成，耗電量為200mW，使用3.1G至7.5GHz頻段，速度為100Mbps。為了爭奪未來的家庭無線網絡市場，許多廠商都已推出了自己的網絡產品，如Intel 的Digital Media Adapter，Sony 的RoomLink(這兩種適配器應用的是802.11)，Xtreme Spectrum 則推出了基于UWB 技術的TRINITY 芯片組和一些消費電子產品。而Microsoft 推出了WindowsXP Media Center Edition 以確保PC 成為智能網絡的樞紐。

　　五、與其它短距離無線技術的比較

　　從UWB的技術參數來看，UWB的傳輸距離只有10M左右，因此我們只拿常見的短距離無線技術與UWB作一對比，從中更能顯示出UWB的杰出的優點。常見的短距離無線技術由IEEE802.11a、藍牙、HomeRF。

　　(1)IEEE802.11a與UWB

　　IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網標準之一，物理層速率在54Mbps，傳輸層速率在25Mbps，它的通信距離可能達到100M，而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內)，IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大，UWB可以達到上千兆，是IEEE802.11a的幾十倍；超過這個距離范圍(即大于10M)，由于UWB發射功率受限，UWB就性能就差很多(目前從演示的產品來看，UWB的有效距離已擴展到20M左右)。因此從總體來看，10M以內，802.11a無法與UWB相比；但是在10M以外，UWB無法與802.11a相比。另外與UWB相比，802.11a的功耗相當大。

　　(2)藍牙(Bluetooth)與UWB

　　藍牙技術是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯合推出的一項無線網絡技術。隨后成立的藍牙技術特殊興趣組織(SIG)來負責該技術的開發和技術協議的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍牙的傳輸距離為10cm～10m。它采用2.4GHz ISM頻段和調頻、跳頻技術，速率為1Mbps。從技術參數上來看，UWB的優越性是比較明顯的，有效距離差不多，功耗也差不多，但UWB的速度卻快得多，是藍牙速度的幾百倍。從目前的情況來看，藍牙唯一比UWB優越的地方就是藍牙的技術已經比較成熟，但是隨著UWB的發展，這種優勢就不會再是優勢，因此有人在UWB剛出現時，把UWB看成是藍芽的殺手，不是沒有道理的。

　　(3)HomeRF與UWB

　　HomeRF 是專門針對家庭住宅環境而開發出來的無線網絡技術，借用了802. 11 規范中支持TCP/ IP傳輸的協議；而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標準。HomeRF 定義的工作頻段為2. 4GHz ，這是不需許可證的公用無線頻段。HomeRF 使用了跳頻空中接口，每秒跳頻50 次，即每秒鐘信道改換50 次。收發信機最大功率為100mW ，有效范圍約50m，其速率為 1Mbps至2Mbps。寫UWB相比，各有優勢：HomeRF的傳輸距離遠，但速率太低；UWB傳輸距離只有HomeRF的五分之一，但速度卻是HomeRF的幾百倍甚至上千倍。

　　總而言之，這些流行的短距離無線通信標準各有千秋，這些技術之間存在著相互競爭，但在某些實際應用領域內它們又相互補充。單純地說"UWB或取代某種技術"這是一種不負責任的說法，就好像飛機又快又穩，也沒有取代自行車一樣，各有各的應用領域。下面通過圖表的形式把四者的區別羅列如下：

	UWB	藍芽	802.11a	HomeRF
速率（bps）	最高達1G	＜1M	54M	1~2M
距離（米）	＜10	10	10~100	50
功率	1毫瓦以下	1~100毫瓦	1瓦以上	1瓦以下
應用范圍	探距離多媒體	家庭或辦公室	電腦和Internet網關	電腦、電話及移動設備