UWB技術(shù)的應(yīng)用研究及技術(shù)挑戰(zhàn)

超寬帶（UWB）技術(shù)為擁擠的無線電頻譜帶來了新的應(yīng)用理念，其創(chuàng)新的使用模式和用有線鏈接無法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品特性正在吸引著全球的目光。這種短距離的傳輸技術(shù)具有耗電量低、安全性高、高速傳輸、不易產(chǎn)生干擾、低成本的芯片結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是他可以幫助家庭和辦公室中的各種信息設(shè)備擺脫有線的束縛而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。目前，許多國(guó)家正在致力于超寬帶技術(shù)的研究開發(fā)，盡管還沒有成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)消費(fèi)階段，但將推動(dòng)超寬帶與大部分消費(fèi)電子、移動(dòng)設(shè)備和個(gè)人電腦的連接嵌入。UWB技術(shù)在1994年以前主要限于軍方使用，限制了UWB的軟件和硬件開發(fā)。由于UMB使用許多專用頻段，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）直到2001年才正式開放UWB技術(shù)的廣泛研究，此后全球?qū)WB的研究進(jìn)入高速探討階段。

1 UWB頻譜效率

一種發(fā)射信號(hào)的相對(duì)帶寬大于0.2，或者傳輸時(shí)帶寬至少為500 MHz的設(shè)備才能算超寬帶。相對(duì)帶寬定義為2（fH-fL）／（fH+fL），其中fH，fL分別為-10 dB時(shí)的上界頻率和下界頻率。在物理層，UWB通信擴(kuò)展少量的等效全向輻射功率（EIRP），根據(jù)FCC的定義，低于0.56 mW，與其中心頻率相比，穿過很寬的頻帶。這可以從其功率譜密度中計(jì)算出，在3.01～10.6 GHz，為75 nW／MHz。UWB的這個(gè)定義不僅有高的時(shí)間分辨率，也有比窄帶系統(tǒng)低的衰落邊際。

UWB是新一代的無線電通信技術(shù)，其中心頻率達(dá)到500 MHz。按照FCC的規(guī)定3.1～10.6 GHz之間的7.5 GHz的帶寬頻率都將作為通信設(shè)備所使用的頻率范圍。UWB之所以擁有如此大的帶寬，是因?yàn)閁WB是與手機(jī)和無線LAN等現(xiàn)有無線通信完全不同的調(diào)制方式?，F(xiàn)有的無線通信使用不同的載波頻率把信號(hào)調(diào)制到不同的頻帶上，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，他使用“脈沖”信號(hào)進(jìn)行信息傳輸。所謂脈沖信號(hào)，就是指產(chǎn)生和消失時(shí)間極其短暫的瞬間信號(hào)，其產(chǎn)生和消失時(shí)間僅為數(shù)百微秒至數(shù)納秒以下。如果將這種脈沖按傳統(tǒng)的傅里葉分析，則可以將其分解成多種頻率的正弦波（每一種正弦波的能量不同）。如果減小脈沖的寬度，那么頻帶寬度將增加。在使用脈沖傳送信號(hào)時(shí)，脈沖寬度越小，單位時(shí)間內(nèi)傳送的信號(hào)就越多。反過來說，帶寬越寬就能夠傳送更多的脈沖。不僅速度可以提高，而且還能有效地降低耗電量。由于加電時(shí)間極其短暫，因此平均耗電量很低。

脈沖頻率是一個(gè)能夠確定中心頻率帶傳輸能量的重要參數(shù)，同時(shí)脈沖的波形也可以確定在一段頻率范圍內(nèi)需要多少能量。在傳統(tǒng)的無線電技術(shù)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)能夠通過若干次脈沖而被調(diào)制，其中包括振幅、相位等。單脈沖架構(gòu)也采用了相關(guān)較為簡(jiǎn)單的無線電構(gòu)思方案，為了更好地管理一個(gè)頻寬，在此基礎(chǔ)上還稍增加了一些靈活性。為了更加隨意地控制這段頻寬，單脈沖技術(shù)還加入了如下功能：能夠隨時(shí)針對(duì)不同地區(qū)的需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，具備動(dòng)態(tài)檢測(cè)干擾信號(hào)的技術(shù)，能夠終止使用產(chǎn)生沖突的頻率，能夠在指定區(qū)域下共享頻寬，自動(dòng)為無需高帶寬的設(shè)備使用窄帶頻寬。

UWB設(shè)備可以分為很多類，如圖像系統(tǒng)，車載雷達(dá)系統(tǒng)，通信，測(cè)量系統(tǒng)等。他們都需要很高的頻譜效率，通過采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，UWB可以使用現(xiàn)有的無線設(shè)備使用的頻譜，而不會(huì)引起干擾，從而可以更好地利用頻譜。在WBAN／WPAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間，應(yīng)用Ad Hoc的概念，如使用多跳路由，UWB設(shè)備可以降低發(fā)射功率和覆蓋范圍，這使得在同樣的區(qū)域內(nèi)，可以有大量的設(shè)備運(yùn)行，極大地增加了頻譜利用率和容量。由于一個(gè)系統(tǒng)的最大傳輸范圍與速率成反比，要在任何時(shí)候，任何地點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，成本會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率增加。因此，短距離無線系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域很小，基于UWB-RT的技術(shù)，將會(huì)是未來高空間容量網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)選擇。

2 UWB的優(yōu)點(diǎn)

與其他無線通信技術(shù)相比，UWB技術(shù)的特點(diǎn)有：傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低。UWB通過改變脈沖的幅度、間距或者持續(xù)時(shí)間來傳遞信息。與窄帶收發(fā)信機(jī)和藍(lán)牙收發(fā)信機(jī)相比，UWB不需要產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，可以直接發(fā)射沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，提高頻譜利用率。

UWB不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。UWB信號(hào)的處理也比較簡(jiǎn)單，只需使用很少的射頻或微波器件，射頻設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的頻率自適應(yīng)能力強(qiáng)?？梢詫⒚}沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)芯片上，再加上時(shí)間基和控制器，就可以構(gòu)成一部UWB通信設(shè)備。因此，他的成本可以大大降低。

由于UWB信號(hào)采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，其射頻帶寬可以達(dá)到1 GHz以上，他的發(fā)射功率譜密度很低，信號(hào)隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號(hào)之中，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收和識(shí)別，必須采用與發(fā)端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)的安全性。

UWB信號(hào)的衰落比較低，有很強(qiáng)的抗多徑衰落的能力。UWB信號(hào)的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號(hào)發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強(qiáng)的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術(shù)都高。

由于UWB信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1 mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源的使用時(shí)間，非常適合移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用。有研究表明，使用超寬帶的手機(jī)待機(jī)時(shí)間可以達(dá)6個(gè)月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對(duì)人體的傷害。

UWB旨在面向距離在30英尺左右的高速無線網(wǎng)絡(luò)連接，在與家庭娛樂設(shè)備相連接時(shí)可取代USB電纜。IEEE（電器和電子工程師協(xié)會(huì)）已經(jīng)成立了被稱為IEEE802.15.3a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的工作組，但在采用MBOA的技術(shù)還是由摩托羅拉和其他廠商支持的“直接序列”的技術(shù)問題上處于僵持局面。為了完成兩種超級(jí)無線寬帶技術(shù)規(guī)范，并將他們提供給諸如英特爾、德州儀器、惠普、索尼，以及Staccato和Alereon等專業(yè)的UWB廠商等成員企業(yè)，MBOA已經(jīng)建立了“特殊利益集團(tuán)”，從2005年中期開始生產(chǎn)相應(yīng)批量的芯片。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的順利進(jìn)行，以便使其技術(shù)與其他軟件層的兼容性更好，這一特殊利益集團(tuán)除了完成和推廣OFDM規(guī)格之外還將與其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作。支持“直接序列”UWB的Freescale公司對(duì)MBOA標(biāo)準(zhǔn)的前景提出了質(zhì)疑?！爸苯有蛄小奔夹g(shù)旨在超短距離通訊，F(xiàn)reescale公司第一代芯片能夠以10 m以上的距離提供1 Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 UWB-RT的應(yīng)用

隨著UWB-RT商業(yè)化的開始應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)為支持高速應(yīng)用和低速智能設(shè)備的短距離無線通信系統(tǒng)的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單的調(diào)制和編碼機(jī)制，在短距離內(nèi)可達(dá)到的信息速率大于100Mb／s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以做一個(gè)折衷。

大量的應(yīng)用場(chǎng)景適合使用UWB，主要包括：高速無線個(gè)人網(wǎng)（HDR-WPAN）；無線以太網(wǎng)接口鏈路（WEIL）；智能天線區(qū)域網(wǎng)（1WAN）；室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（OPPN）；傳感器，定位和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)（SPIN）。前三種情況假定UWB設(shè)備網(wǎng)絡(luò)部署在居民區(qū)或者辦公區(qū)，主要傳送用于娛樂的無線視頻／音頻和控制信號(hào)。第四種情況提供室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。

（3） 智能天線區(qū)域網(wǎng)（IWAN）

IWAN的特征是：在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設(shè)備的地方，覆蓋范圍為30 m。設(shè)備的要求是：低成本、低功率消耗，如1～10 mW，給用戶提供家庭／辦公室的智能分布網(wǎng)。設(shè)備的功能有：準(zhǔn)確定位、跟蹤，支持環(huán)境敏感的設(shè)備，在當(dāng)前的窄帶短距離網(wǎng)絡(luò)中不太容易實(shí)現(xiàn)。

（4） 室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（OPPN）

UWB設(shè)備部署在室外，主要適用于PDA上行和信息交換，新聞文本，圖片和視頻的下載。采用何種標(biāo)準(zhǔn)將決定OPPN結(jié)構(gòu)使用集中式還是分布式的，這是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的課題。歐洲即將采用的UWB標(biāo)準(zhǔn)將嚴(yán)格限制支持室外的UWB設(shè)備的部署。然而，這種情況可能會(huì)改變，因?yàn)閁WB管制的使用也將不斷進(jìn)步，如同過去其他無線業(yè)務(wù)所經(jīng)歷的一樣。

（5） 傳感器，定位和識(shí)別網(wǎng)（SPIN）

SPIN系統(tǒng)的特征是：設(shè)備密度高，每層幾百個(gè)，主要在工廠或者倉(cāng)庫(kù)，發(fā)送帶有定位信息的低速數(shù)據(jù)包。SPIN設(shè)備使用范圍較大，如果為主從拓?fù)?，在單?dú)設(shè)備和主站之間可達(dá)100 m。在工業(yè)應(yīng)用中，SPIN需要高級(jí)鏈路可靠性和自適應(yīng)的系統(tǒng)特征，以對(duì)動(dòng)態(tài)改變的接口和傳播環(huán)境作出反應(yīng)。UWB將起到的一個(gè)重要作用是：根據(jù)用戶需求提供有效的業(yè)務(wù)。場(chǎng)景機(jī)制的劃分和各種網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，包括上面分析的各種情況，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的期望的。一個(gè)宏偉的目標(biāo)是，在不同場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的無縫共存和互操作性。因此，設(shè)計(jì)有效的連接，自動(dòng)漫游機(jī)制和數(shù)據(jù)鏈路的自適應(yīng)，是將來一個(gè)重要的研究課題。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)

基于窄帶載波調(diào)制的短距離無線系統(tǒng)，不能提供高速數(shù)據(jù)速率來傳輸視頻或者準(zhǔn)確的移動(dòng)終端位置信息，不能支持位置敏感的應(yīng)用，但是今天的市場(chǎng)很需要有這種能力的系統(tǒng)，這也是UWB的一個(gè)研究目標(biāo)。在UWB設(shè)備之間的相互干擾和可達(dá)到的QoS級(jí)方面，仍然有很多未解決的問題?？紤]位置敏感的應(yīng)用，有必要決定一個(gè)給定的應(yīng)用所需的準(zhǔn)確性，這個(gè)質(zhì)量級(jí)在可變信道和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下能否維持仍然沒有定論。

在調(diào)制和編碼技術(shù)領(lǐng)域也存在挑戰(zhàn)。最初，UWB-RT用于軍事通信，獲得高容量不是一個(gè)主要目標(biāo)。然而，在商用系統(tǒng)中，用戶容量是首先要考慮的。編碼和調(diào)制是能夠改善系統(tǒng)多用戶容量的最有效方法之一，設(shè)計(jì)自適應(yīng)的調(diào)制方法和信道編碼機(jī)制來提高系統(tǒng)容量。盡管在UWB中，平均EIRP是很低的，短時(shí)間內(nèi)的峰值功率可能很大，因此，要求能夠優(yōu)化傳輸技術(shù)（如自適應(yīng)功率控制）。為適應(yīng)不同的信號(hào)傳播環(huán)境，各種高級(jí)技術(shù)，如UWB-MIMO，能夠提供所需的高可靠性和自適應(yīng)能力。與窄帶系統(tǒng)不同，UWB系統(tǒng)受到更少的信號(hào)衰落，因?yàn)楹苷拿}沖在不同路徑上傳播，引起大量獨(dú)立衰落的信號(hào)成分，可以加以區(qū)分，由于高時(shí)間分辨率，導(dǎo)致很大的多徑分集。UWB-MIMO系統(tǒng)也可抗時(shí)域ISI和ICI，因?yàn)榻邮招盘?hào)有很好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，能簡(jiǎn)單適應(yīng)脈沖重復(fù)頻率到主要的信道時(shí)延擴(kuò)展。

此外，盡管UWB系統(tǒng)有抵抗多徑影響的能力，但系統(tǒng)性能同樣受到多徑效應(yīng)的影響。極端情況下信號(hào)傳播會(huì)引起室內(nèi)環(huán)境中大量的多徑，導(dǎo)致傳播時(shí)延持續(xù)10 mS至幾百ms，這引起的ISI限制了系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率，除非有一種有效的方法可以用來減輕這些影響。在快速脈沖調(diào)制技術(shù)（如PPM），實(shí)現(xiàn)有效均衡的成本很高，這個(gè)問題在使用低脈沖重復(fù)頻率系統(tǒng)中較輕。系統(tǒng)復(fù)雜性是另外一個(gè)挑戰(zhàn)，UWB需要多個(gè)并行檢測(cè)器或者高階調(diào)制。

另外一個(gè)挑戰(zhàn)來自于物理層UWB設(shè)備的天線設(shè)計(jì)和實(shí)施。一般來說，便攜式通信設(shè)備要求很小和不易受損的天線，可以集成到設(shè)備中，能夠在不同的環(huán)境下有效工作。有效天線的設(shè)計(jì)和實(shí)施，是UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

另外一個(gè)問題是，來自于其他無線信號(hào)對(duì)UWB接收機(jī)的帶內(nèi)干擾的影響。近處干擾問題引起了學(xué)術(shù)界的極大興趣，UWB設(shè)備發(fā)射功率譜密度很小，UWB接收機(jī)中容易受到噪聲影響和干擾。當(dāng)一個(gè)區(qū)域有大量集中的UWB設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，也有相同的問題，還有多徑傳播的不利影響和設(shè)備間干擾現(xiàn)象，以及要考慮在接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)層如何發(fā)起和維持同步。

最后，除了非線性模電設(shè)計(jì)技術(shù)外，還需進(jìn)一步研發(fā)在UWB系統(tǒng)使用新的、先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，如MEMS，SOI等。這些技術(shù)可以提供有效的方案解決速度和同步時(shí)延，功率消耗等問題，他們的成功研發(fā)對(duì)UWB-RT的未來開發(fā)和應(yīng)用是至關(guān)重要的。

5 UWB研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在有許多公司在進(jìn)行UWB技術(shù)的研究開發(fā)工作。美國(guó)XtremeSpectrun公司能夠提供在各種設(shè)備之間無線傳輸音頻、視頻的UWB芯片組，他采用雙相調(diào)制技術(shù)和IEEE 802.15.3 MAC協(xié)議，傳輸速率達(dá)到100 Mb/s。

Intel在2000年成立了UWB研究實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品在2～3年內(nèi)能達(dá)到100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。Intel認(rèn)為UWB在短距離內(nèi)可以達(dá)到400～500 Mb/s，因此Intel稱UWB為無線USB。Time Domain公司利用UWB PPM技術(shù)，開發(fā)了兩代PulsON芯片，第三代PulsON商用產(chǎn)品也即將問世。

2003年1月，Philips和GA簽訂了一個(gè)備忘錄，利用Philips在BiCOMS的優(yōu)勢(shì)和GA的UMB技術(shù)聯(lián)合開發(fā)速率達(dá)480 Mb／s的UWB芯片組，并支持IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了傳輸速率達(dá)400 Mb／s的UWB芯片組。

新加坡的Cellonics公司開發(fā)了基于非線性動(dòng)態(tài)理論的新技術(shù)，他只需要使用一個(gè)電感器和一個(gè)二極管就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，不需要混頻器、振蕩器和鎖相環(huán)。該技術(shù)可以改善UWB接收器設(shè)計(jì)中的相關(guān)接收，而且簡(jiǎn)單、成本低，功耗也低。

美國(guó)Discrete Time公司開發(fā)了多頻段UWB技術(shù)，他采用不同頻段發(fā)送信息而不是發(fā)射單個(gè)脈沖。與單頻段UWB相比，多頻段UWB系統(tǒng)的每頻段內(nèi)可以用較低的速率發(fā)送信息，這降低了UWB的成本，具有較好的自適應(yīng)性，可以與802.11a共存。

目前有不少技術(shù)公司都對(duì)UWB技術(shù)加大了開發(fā)力度。但由于之前UWB技術(shù)民用化的政策還沒有得到批準(zhǔn)，許多UWB技術(shù)公司目前主要是通過向美國(guó)軍方出售UWB技術(shù)來維持生計(jì)。如Time Domain公司2002年在獲得了的軍方合同以后，其全年總銷售收入達(dá)到了750萬美元，比他在2001年所取得的500萬美元的銷售額有所增長(zhǎng)。該公司最近已經(jīng)在開始銷售他的第一批UWB芯片集產(chǎn)品。在FCC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)民用市場(chǎng)之后，在硬件方面，美國(guó)Multispectral Solutions公司已經(jīng)達(dá)到了即將開始提供UWB芯片組工業(yè)樣品的階段。在操作系統(tǒng)的支持方面，如果繼續(xù)使用現(xiàn)有的軟件，那么制造商的負(fù)擔(dān)也許并不大，這是因?yàn)閁WB只不過是相當(dāng)于接口最下層的物理層規(guī)格。比如，英特爾將UWB定位于“無線 USB2.0”。實(shí)際上，盡管還面臨著如何認(rèn)證與個(gè)人電腦連接的設(shè)備等無線技術(shù)所特有的問題，但是只需提供用于控制終端產(chǎn)品的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，基本上就可以直接沿用上層程序。與此同時(shí)，飛利浦電子與美國(guó)通用原子公司（GeneralAtomics，GA）已經(jīng)開始聯(lián)手進(jìn)行UWB芯片組的開發(fā)工作了。飛利浦將接受GA的包括多頻帶技術(shù)“關(guān)鍵子頻帶”在內(nèi)的UWB相關(guān)技術(shù)，使用面向RF的BiCMOS技術(shù)開發(fā)RF芯片。GA的關(guān)鍵子頻帶技術(shù)是將UWB的頻帶分割成15個(gè)子頻帶進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)。由此我們可以看到，未來UWB的市場(chǎng)前景還是十分廣闊的，UWB必將成為今后的主流無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)在我們面前。

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