短距离无线传输新宠—UWB

2019-11-03 09:23:07

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供稿：网友

东南大学移动通信国家重点实验室毕光国

　　UWB：未来的短距离无线技术

　　今年年初，美国有线新闻网（CNN）公布了2004年最有影响的十大热门技术，超宽带无线技术（UWB）荣登榜首。UWB究竟是何方神圣？

　　其实，人们对短距离无线传输的需求有增无减，而目前的技术还不能满足这种需求。未来的短距离无线技术需要考虑通信的普遍特性和 “任何人、任何时间、任何地点”的连接性。这要求新的无线通信系统是现在和未来无线系统的综合，包括局域网、无线局域网（wlan）、无线个人局域网（WPAN）、无线个域网（WBAN）、自组织网络(Ad Hoc)和家用局域网，可以连接计算机和各种娱乐设备等，使用户能够管理各种信息，完全接入到各种数据。对各种不同的通信链路比如人-人、人-机、机-人、机-机等，短距离无线技术将起关键的作用。在此需求背景下，基于超宽带的无线技术（UWB）开始商业化，并受到广泛关注。

　　UWB本来是为军事目的而开发的，而巨大的商机使FCC批准其开始民用化，并将3.1GHz～10.6GHz作为UWB频带。UWB被批准民用后，众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上，在产品研发上展开竞争。

　　与其他无线通信技术相比，UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等特点。UWB与WiMAX、Wi-Fi一样，都是用于传输无线信号的技术。不过与Wi-Fi解决无线局域网的接入问题和WiMAX解决无线城域网的问题不同，UWB是一种极具竞争力的短距无线传输技术，能以极高速率传送数据，最适合需要高品质服务的高速无线多媒体应用。

　　在被军方“禁锢”几十年后，UWB走出了“深闺”，立即受到热烈欢迎。经过多年的发展，终于在2004年走上“标准化”之路，距离实际应用越来越近。

　　超宽带无线传输技术（Ultra-Wideband Radio Technology, 简称UWB-RT或UWB）被美国有线新闻网（CNN）评选为2004年最有影响的十大热门技术之首，这让很多人颇感意外。他们甚至还是第一次听到超宽带（UWB）无线技术这一说法，大部分人还不大了解什么是超宽带？这是什么“秘密武器”，突然冒出来就撷据十大热门技术之首？

　　什么是超宽带？

　　目前人们普遍认同美国联邦通信委员会（FCC）关于超宽带设备带宽的规定：-10dB的相对带宽大于0.2或占用带宽大于500MHz。因此对于中心频率高于2.5GHz的超宽带设备和信号，其最小-10dB占用带宽必须大于500MHz，而中心频率低于2.5GHz的超宽带设备和信号，其最小-10dB相对带宽至少为0.2。

　　超宽带无线技术从信号形式来看，大体可分为两大类：一类是基带窄脉冲形式，窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制，采用时域信号处理方式，这种传输方式在中低速应用时具有系统实现简单、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间分辨率高、具穿透性、不易被截获/检测、隐秘安全等优点，是超宽带技术早期发展首先采用的方式，在很多领域具有广泛的应用前景。

　　另一类是带通载波调制方式，可以采用不同的无线传输技术，如OFDM、DS-CDMA等，有利于实现高数据速率低功率传输，适用于短距离室内高速率传输的应用，是目前高速多媒体智能家庭/办公室网络应用中的优选技术。

　　超宽带无线技术优势何在？

　　● 频带宽，可实现极高速传输和极大的系统空间容量

　　超宽带系统的工作频带极宽，一般从几百MHz到几个GHz，将来还要向更高带宽发展。信息论告诉我们，通信系统的容量或最大可靠传输速率与所占用的带宽成正比。频带极宽，意味着在一定信/扰比要求下，可实现极高速率的可靠传输；或者在一定传输速率下，可以在很低的信/扰比或信号功率谱密度下实现可靠传输。目前研制的实验超宽带短距系统传输速率已经达到1Gbps以上，其空间通信容量（即每平方米面积可达到的通信容量）是无线局域网、蓝牙等系统的10～1000倍以上。

　　● 功率低，功耗小

　　由于UWB可工作在极低的信/扰比门限，因此平均发射功率很低，如工作范围在10米以内，所需功率仅需几十到几百微瓦，其功率谱密度极低，甚至低于环境噪声以下。这样的信号极难被非授权方所截获或检测，具有极强的隐秘安全性。同时，这样的信号也不会对其他系统产生不良的干扰，可以与之共享频带，实现共存，使稀缺的频谱资源得到最大限度的利用，这是超宽带技术受到重视的一个很重要的原因。

　　功率低又意味着低功耗，特别有利于用电池供电的手持式通信设备，使其不充电工作时间大大增加，甚至可达一年至几年。低功率的另一个重要好处是大大降低了对人体的有害辐射，成为真正的“绿色”手持设备。

　　● 脉冲宽度极短，定位精度极高，抗多径能力和多径分辨力强

　　超宽带脉冲系统一般工作在亚纳秒级（<1ns），具有厘米级的距离分辨率，特别有利于雷达、定位和有定位功能的综合移动通信业务。

　　宽度极短的脉冲信息又具有天然的抗多经分辨力，抗多径能力强，从而在各种无线环境中具有优越的传输性能。

　　● 具有穿透性

　　超宽带脉冲信号含有丰富的低频分量，因而具有很强的穿透地表面、墙壁和其他物体的能力，可应用于需要穿透物体进行成像、检测、监视、测量和通信的场景。

　　● 实现结构简单、成本低

　　超宽带系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的，射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单，容易实现全数字化的结构，因而可以大大降低成本。

　　● 结构通用

　　超宽带通信、雷达、成像和定位系统可采用通用的硬件结构和工作频段，通过软件改变其功能，便于用软件无线电技术实现，具有很大的灵活性和经济性。

　　超宽带无线技术主要用在哪儿？

　　2002年4月，FCC公布了超宽带设备在三类民用领域应用的初步规范，规定了工作频段、功率限制、开放范围和使用对象。限定的三类民用超宽带设备为:成像系统，包括透地探测雷达（GPRS）、墙内、穿墙和医用成像以及监视设备；车辆雷达系统；通信和测量系统。这些设备的功率和频谱都受到严格的限制，只能作用于短距离、小范围。但FCC指出，今后经过更充分的测试和研究，有可能有条件地逐步放宽对超宽带设备应用的限制。相信更多新的超宽带应用领域将会出现，造福于社会进步和人类的幸福生活。

　　超宽带技术在下列应用领域已显现出或估计会有很大的发展潜力：

　　● 短距离（10米以内）高速无线多媒体智能家域网/个域网。在家庭和办公室中，各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用超宽带无线技术，在小范围内动态（即需即用）地组成分布式自组织（Ad Hoc）网络，协同工作，相互连接，传送高速多媒体数据，并可通过宽带网关，接入高速互联网或其他宽带网络。这一领域将融合计算机、通信和消费娱乐业，被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。

　　● 智能交通系统。超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。

　　● 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。

　　● 传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用于对各种对象（人和物）进行检测、识别、控制和通信。

　　UWB从军用起步

　　当今的无线技术几乎全部采用信息对正弦载波调制的带通传输方式，但早在1942年和1945年，De Rose 和 Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。但因二战和机密原因，被美国政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后学术界逐渐认识到用做无线传输和雷达的信号，并不一定必须具有近似正弦函数的波形。脉冲信号在科研、仪器和检测领域从20世纪60年代开始应用，并在70年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注，应用到雷达高精度测距和测角。

　　在20世纪80年代，通信领域的研究人员开始研制超宽带脉冲无线通信系统，但其性能和成本受到当时技术条件的限制，未能得到快速发展和广泛应用。随着集成电路技术按摩尔定律的发展，每一年半速度和密度提高一倍，成本下降一半，到20世纪90年代中期使超宽带无线技术进入民用领域成为可能。它具有的优越性日益受到重视。1994年美国政府批准第一个非保密超宽带通信系统项目，促进了超宽带技术和系统的研发，但仍停留在实验室里，因为FCC没有批准超宽带设备的商业应用。但这一期间，消费者对访问网络和宽带多媒体信息获取的需求却有爆炸性的增长，超出了可用的无线系统传输能力。

　　1996年，无线产业界讨论各种小范围无线网标准的方案，包括IEEE 802.11、蓝牙、Home RF、IEEE 802.15等。由于缺乏国际通用的可用频率，这些标准都工作在2.4GHz“ISM”免授权频段，难免互相干扰，而且都不能传输如HDTV等市场需要的高速宽带多媒体业务。这使得业界不得不去寻求更好的无线技术，超宽带技术就成为最佳选择。

　　在此情况下，为探索超宽带技术在民用领域应用的可行性，1998年9月FCC公开向各界就开放超宽带技术应用征求意见（Notice of Inquiry）;2000年6月，FCC又发布制定相关规定的建议（Notice of Proposed Rule Making）;2002年2月，FCC通过了超宽带设备商业应用的初步规范（First Report and Order），同年4月正式公布了此规范。2003年2月，FCC又对该规范进行了确认，局部放宽了对成像系统频带的限制，并称在今后一年半内继续探讨和完善超宽带技术，并有可能进一步放宽超宽带技术应用标准方面的限制。

　　两种标准方案与多方竞争格局形成

　　目前美、欧有关标准化组织，如IEEE 802、ETSI等正在进行超宽带技术的标准化工作。其中IEEE 802.15 TG3a关于超宽带技术应用于高速无线个域网（WPAN）低层协议的标准化工作成为全球业界关注的焦点。那些超宽带技术的先创者们努力想把他们的技术变成IEEE802.15.3a高速WPAN物理层的基础。目前主要集中在两种方案的竞争中。以Intel、TI为首的多带OFDM联盟（MBOA）所提出的多带OFDM方案目前拥有多数支持者；而以Motorola为首的一些公司支持DS-CDMA方案，他们已开发出芯片，正在被一些开发商试用中。目前标准制定处于两种标准僵持不下的状态。

　　惠普、摩托罗拉等在无线网络、消费电子、微电子和超宽带技术方面处于领先的九个业界巨头于2002年9月成立了WiMedia联盟（目前其成员已大大增加，包括Intel等MBOA的很多成员），致力于开发和采纳基于标准的、连接高速数据和多媒体设备的WPAN规范的制定。Wi Media对标准的态度将会对标准方案的选定起重要作用。

　　另外IEEE 802.15 TG4a也于2004年3月成立，开始进行超宽带技术应用于低速无线个域网（WPAN）低层协议的标准化工作，目标是低速、超低功率、低成本的通信和高精度测距/定位设备。

　　与此同时，欧洲、日本等国的研究机构、大学和企业也不甘落后，纷纷启动了超宽带领域的一系列研究项目，一个波澜壮阔的超宽带技术的研发热潮正在世界范围内兴起。超宽带通信、雷达、成像和监视设备在军事上的应用已有十几年的历史，但商用产品还不成熟。目前，一些公司已演示了他们开发的穿地探测雷达、手持穿墙成像雷达、速率114Mbps的同时传两/三路HDTV的通信系统，以及一些高速超宽带芯片。超宽带高速WPAN商用产品预计于今年年底到明年年初将陆续推出。

　　我国超宽带无线技术的研发尚处在起步阶段，国家自然科学基金和“863”计划已开始支持这方面的研究和开发工作，并已取得了初步进展。我国应该提出有自主知识产权的超宽带技术的理论和技术成果，以此为支撑制定自主的相关标准和规范，推动我国超宽带产业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。超宽带无线技术对我国通信界既是一个机遇，又是一个挑战。我们热烈企盼国内同行齐心协力、合作攻关，为赶超国际超宽带无线技术的先进水平，为我国新一代无线通信产业化做出我们的努力。

　　小资料：UWB与Zigbee

　　对于蓝牙很多业内人士耳熟目祥。然而从1999年出现以来，蓝牙一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。于是有专家甚至预言：Zigbee和UWB可能使蓝牙尚未普及即成为历史。

　　Zigbee和UWB同时被看好。不过，Zigbee与UWB最大的不同是其数据传输速率低，只有10KB/s～250kKB/s，专注于低传输应用；而UWB的传输速率则高达1Gbps，可以用于多媒体信息等高传输应用。

　　另外，Zigbee也具有以下特性：

　　● 功耗低——在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用半年到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

　　● 成本低——因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，又免收专利费，所以大大降低了成本。

　　● 网络容量大——每个Zigbee网络最多可支持255个设备，即每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。

　　● 时延短——通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

　　● 安全——Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。

　　● 有效范围小——有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，完全可以能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

　　● 工作频段灵活——使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

　　
摘自《计算机世界报》第38、39期 B4、B5

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