值得关注的一种新的无线通信技术---UWB

目前一种新的无线通信技术引起了人们的广泛关注，这就是所谓的"UWB(Ultra WideBand，超宽带无线技术)"技术。正如其名称一样，UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无线通信技术，被认为是未来五年电信热门技术之一。但是UWB不是一个全新的技术，它实际上是整合了业界已经成熟的技术如无线USB、无线1394等连接技术。
什么是UWB？
UWB是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术。
UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的通信方式使用连续的载波不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。
超宽带无线技术以极宽的频带换取高速、大容量、低功耗和低成本的优点。一个相同作用范围10米的超宽带无线通信系统，其速率可达到无线局域网802.11b的10倍，蓝牙(Bluetooth)的100倍，而其平均功率仅为上述系统的1/10～1/100，而且还具有更低的成本。图1显示出各种短距离无线通信系统的空间通信容量。可见超宽带通信系统的优势是非常显著的。但这并不能说超宽带系统可取代其他系统，而是要视具体情况而定。
与传统通信技术不同的是，UWB 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术， 适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定，从3. 1GHz 到10. 6GHz 之间的7. 5GHz 的带宽频率为UWB 所使用的频率范围。
UWB的起源
UWB 的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。
现代意义上的超宽带UWB 无线技术，又称脉冲无线电( Impulse Radio) 技术，出现于1960年代，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。通过Harmuth 、Ross 和Robbins 等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展， 其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到80 年代后期， 该技术开始被称为"无载波"无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989 年首次使用了"超带宽"这一术语。为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起， 美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。2002年2月美国通信协会（FCC）批准了UWB用于短距离无线通信的申请。
2003年12月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关UWB标准的大讨论。那时关于UWB技术有两种相互竞争的标准，一方是以Intel与德州仪器为首支持的MBOA标准，一方是以摩托罗位为首的DS-UWB标准，双方在这场讨论中各不相让，两者的分歧体现在UWB技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。目前，这两个阵营均表窘ザ劳贫髯缘募际酢Ｋ淙槐曜汲景Ｎ炊ǎν新蘩延辛俗匪嬲撸窃诮衲旯氏训缱诱股险故玖巳虻谝惶卓赏辈シ湃霾煌腍SDTV视频流的无线广播系统，就采用了摩托罗拉公司的Xtreme　Spectrum芯片，该芯片组是摩托罗拉的第二代产品，目前已有样片提供，其数据传输速度最高可达114Mbps，而功耗不超过200mw。在另一阵营中，Intel公司近期在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用90nm技术工艺处理的UWB芯片；同时，该公司还首次展示多家公司联合支持的、采用UWB芯片的、应用范围超过10M的480Mbps无线USB技术。在今年5月中旬由IEEE802.15.3a工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举UWB标准，MBOA获得60%的支持，DS-UWB获取40%的支持，两者都没有达到成为标准必须达到75%选票的要求。因此标准之争还要持续下去。
美国在UWB的积极投入，引起欧盟和日本的重视，也纷纷开展研究计划。由Wisair、Philips等六家公司和团体，成立了Ultrawaves组织，研究家庭内，UWB在AV设备高速传输的可行性研究。位于以色列的Wisair多次发表所开发的UWB芯片组。STMicro、Thales集团和摩托罗拉等10家公司和团体则成立了UCAN组织，利用UWB达成PWAN的技术，包括实体层、MAC层、路由与硬件技术等。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英国的Philips研究组织等45家以上的研究团体组成，研究UWB的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在2003年元月成立了UWB研究开发协会，计有40家以上的业者和大学参加，并在同年3月构筑UWB通信试验设备。多个研究机构可在不经过核准的情况下，先行从事研究。
我国在2001年9月初发布的"十五"国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将"超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术"作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。
在UWB的专业IC设计公司已有数家，如Time Domain，Wisair，Discrete　Time　Communications.最具代表性的Xtreme Spectrum在2003年夏天被摩托罗拉并购，该公司在2002年7月推出芯片组Trinity及其参考用电路板，芯片组由MAC、LNA、RF、Baseband所组成，耗电量为200mW，使用3.1G至7.5GHz频段，速度为100Mbps。为了争夺未来的家庭无线网络市场，许多厂商都已推出了自己的网络产品，如Intel 的Digital Media Adapter，Sony 的RoomLink(这两种适配器应用的是802.11)，Xtreme Spectrum 则推出了基于UWB 技术的TRINITY 芯片组和一些消费电子产品。而Microsoft 推出了WindowsXP Media Center Edition 以确保PC 成为智能网络的枢纽。
UWB的技术特点
由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：
(1) 系统结构的实现比较简单：
当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。
(2) 高速的数据传输：
民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
(3) 功耗低：
UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。
(4) 安全性高：
作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。UWB系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。
(5) 多径分辨能力强：
由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～ 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。
(6) 定位精确：
冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。
(7) 工程简单造价便宜：
在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。
UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。
当然，UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此UWB系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。
UWB通信与其它短距离无线通信技术的比较
UWB技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同，它将会为无线局域网（LAN）和个人局域网（PAN）的接入带来低功耗、高带宽并且相对简单的解决方案。超宽带技术解决了困扰传统无线电技术多年的诸如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等重大难题，但是UWB通信不会很快取代现有的其它无线通信技术。从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
（1）UWB与IEEE802.11a
IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可达到100M，工作在5GHzU-NII频带，采用正交频分复用（OFDM）扩频技术；可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务。它主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。
而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。根据英特尔照FCC的规定而进行的演示结果显示，对于10m以内的距离，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，但是在20m处反倒是IEEE802.11a/b的无线局域网网设备更好一些。因此在目前UWB发射功率受限的情况下，UWB只能用于10m以内的高速数据通信，而10m到100m的无线局域网通信，还需要由802.11来完成，当然与UWB相比，802.11的功耗大，传输速率低。　因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。
（2）UWB与Bluetooth
蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。
从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。
从性能价格比上看，Bluetooth是现有无线通信方式中最接近UWB的，但是UWB真的会取代Bluetooth吗？从目前的情况看，答案是否定的。首先从应用领域来看，Bluetooth工作在无须申请的2.4GHz ISM频段上，主要用来连接打印机、笔记本电脑等办公设备。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距离可以达到10m以上。而UWB的通信速率在几百Mbps，通信距离仅有几米，因此二者的应用领域不尽相同。其次，从技术上看，经过多年的发展，Bluetooth已经具有较完善的通信协议。Bluetooth的核心协议包括物理层协议和链路接入协议，链路管理协议及服务发展协议等等，而UWB的工业实用协议还在制定中，估计要等到2004年才可能初步确定。还有，Bluetooth是一种短距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，从这方面讲，UWB可以看作是采用一种特殊无线电波来高速传送数据的通信方式，严格地讲，它不能构成一个完整的通信协议或标准。考虑到UWB高速、低功耗的特点，也许在下一代Bluetooth标准中，UWB可能被用做物理层的通信方式。最后，从市场角度分析，蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用，而UWB的研究还处在起步阶段。基于以上原因，在未来的几年内，UWB和Bluetooth更有可能既是竞争对手，又是合作朋友。
（3）UWB与HomeRF
HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF工作在2.4GHz频带，采用扩频技术， 使用跳频空中接口，每秒跳频50 次，收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其速率为 1Mbps至2Mbps。能同步支持4条高质量语音信道，但是HomeRF的传输速率只有1M～2Mbps。由于HomeRF技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。与UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。家庭射频（HomeRF）标准是由HomeRF工作组开发的，同IEEE802.11一样，HomeRF的通信距离比UWB远，而传输速率比UWB低，在UWB发射功率受限的前提下，二者应该是各有千秋。
结合上述讨论，可以用表1对四种短距离无线通信做个简单的比较。
表1 4种短距离无线通信比较
IEEE802.11a
Bluetooth
HomeRF
UWB
传输速率
54Mbps
小于1Mbps
1-2Mbps
可高达500Mbps
通信距离
10m-100m
10m
50m
小于10m
发射功率
1瓦以上
1毫瓦-100毫瓦
1瓦以上
1毫瓦以下
空间容量
80Kbps/m
30Kbps/m2
50Kbps/m2
1000Kbps/m2
应用范围
无线局域网
计算机等家庭和办公室设备互连
家庭语音和数据流
近距离多媒体
终端类型
笔记本，台式电脑，掌上电脑和因特网网关
笔记本，移动电话，掌上电脑，移动设备
笔记本，无绳电话，无线音响，移动设备
无线电视，DVD高速因特网
网关
主要支持公司
Cisco,Lucent,3Com Ericsson,Nokia
Motorola
Apple,Dell Compaq
Intel,Motorola,Sony,Sharp
总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。
UWB的应用
鉴于UWB信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独特的优点和用途。UWB的用途主要分为军事和民用两个方面。
在军事上UWB可以用于低截获率（LPI/D）的内部无线通信系统、LPI/D地波通信、LPI/D高度计、战场手持和网络LPI/D电台、UWB雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地址目标等等。
在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位、无线标签和工业射频监控等。
从应用领域来分：
在通信领域，UWB可以提供高速率的无线通信。
在雷达方面，UWB雷达具有高分辨力（ns级）。当前的隐身技术采用的是隐射涂料和隐身特殊结构，但都只能在一个不大的频带内有效，在超宽频带内，目标就会原形毕露。UWB雷达还具有很强的穿透能力，UWB信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质，因此军事上UWB雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。
在定位方面，UWB可以提供很高的定位精度。UWB使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一两厘米。也就是说，同一个UWB设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。
UWB的重要应用领域：
一是家庭无线通信。
虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用，但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法，如果要提高通信速率，必须要提高数字信号处理器的处理速度，这势必要增加系统的成本和功耗，高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先，为了满足无线数字视频的要求，家庭无线互连产品需要更高的通信速率，以无线高清晰数字电视（WHDTV）为例，如果采用MPFG2HD数据格式，则视频数据流的速率高达25Mbps；其次，要想家庭无线通信产品走向千家万户，系统成本必须很低，市场调查表明，如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出30%，将很难被众多的消费者所接受；还有，家庭无线通信产品中用到嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电，因此它们的功耗必须很低。也就是说，家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点，按照传统的无线电设计方案，无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。
二是是家庭数字娱乐中心。
在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是"旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。举例来说，你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遥控你的PC，让它控制你的信息家电，让它们有条不紊地工作，你也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。
UWB的发展前景
如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。
同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于待开发状态，通过UWB技术的研究，可以充分发挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在UWB技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。
随着消费电子的高速发展，数字电视、音频和视频接收机、DVD、卡拉OK、MP3播放器和数码相机等娱乐设备必将进入千家万户。可以想象，在不久的将来，采用UWB技术，无须架设电缆，仅仅需要小小的网关和收发器，就可以组建一个真正的无线家庭剧院。根据市场调查，整个美国的家庭无线网络市场在2004年将达到35亿美元，2006年将达到49亿美元，而中国和亚洲的市场潜力更大。市场分析表明，除了无线局域网和蓝牙等产品已经占领和即将占邻的部分市场外，还有很大一部分的家庭无线通信市场尚未开发，这意味着UWB将会在家庭无线通信领域大有作为。目前，众多的OEM生产商正盼着UWB通信标准和相关产品早日成熟并投入实用。