UWB超寬帶傳輸技術(shù)及其應(yīng)用簡析

    UWB（Ultra WideBand）是一種短距離的無線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1 GHz以上帶寬，通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。FCC規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1 GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個(gè)是傳輸帶寬，另一個(gè)是采用不采用載波方式。從傳輸帶寬看，按照美國聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的定義：信號(hào)帶寬大于1.5G或者信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號(hào)，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個(gè)脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數(shù)Hz～數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對(duì)于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當(dāng)于噪聲，對(duì)傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點(diǎn)顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足

    1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

    （1）傳輸速率高理論上，一個(gè)寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號(hào)功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit/s-500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級(jí)。如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位，那么，理論上UWB可達(dá)1 Gbit/s的速率，這樣在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

    （2）發(fā)射功率低，功耗小因?yàn)椴皇褂幂d波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時(shí)提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對(duì)其它設(shè)備造成干擾而對(duì)UWB做出的技術(shù)指標(biāo)要求）。雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，這項(xiàng)指標(biāo)隨之會(huì)降下來。

    （3）UWB通信的保密性強(qiáng) UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測(cè)的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

    （4）UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落 多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動(dòng)環(huán)境下使用。

    更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。可以說，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式[4]。

    2.不足之處

    當(dāng)然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)，因此，UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續(xù)時(shí)間很短，瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)很大，這甚至?xí)�影響到民航等許多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請(qǐng)。

與其他技術(shù)的比較

    從UWB的技術(shù)參數(shù)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(shù)與UWB作一對(duì)比，從中更能顯示出UWB的杰出的優(yōu)點(diǎn)。常見的短距離無線技術(shù)由IEEE802.11a、藍(lán)牙、HomeRF。

    (1)IEEE802.11a與UWB

　　 IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到100M，而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內(nèi))，IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大，UWB可以達(dá)到上千兆，是IEEE802.11a的幾十倍；超過這個(gè)距離范圍(即大于10M)，由于UWB發(fā)射功率受限，UWB就性能就差很多(目前從演示的產(chǎn)品來看，UWB的有效距離已擴(kuò)展到20M左右)。因此從總體來看，10M以內(nèi)，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(dāng)大。

    (2)藍(lán)牙(Bluetooth)與UWB

　　藍(lán)牙技術(shù)是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨后成立的藍(lán)牙技術(shù)特殊興趣組織(SIG)來負(fù)責(zé)該技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)協(xié)議的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍(lán)牙的傳輸距離為10cm～10m。它采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，速率為1Mbps。從技術(shù)參數(shù)上來看，UWB的優(yōu)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(lán)牙速度的幾百倍。從目前的情況來看，藍(lán)牙唯一比UWB優(yōu)越的地方就是藍(lán)牙的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是隨著UWB的發(fā)展，這種優(yōu)勢(shì)就不會(huì)再是優(yōu)勢(shì)，因此有人在UWB剛出現(xiàn)時(shí)，把UWB看成是藍(lán)芽的殺手，不是沒有道理的。

    (3)HomeRF與UWB

　　HomeRF 是專門針對(duì)家庭住宅環(huán)境而開發(fā)出來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借用了802. 11 規(guī)范中支持TCP/ IP傳輸?shù)膮f(xié)議；而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標(biāo)準(zhǔn)。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(fā)信機(jī)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(yōu)勢(shì)：HomeRF的傳輸距離遠(yuǎn)，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(biāo)準(zhǔn)各有千秋，這些技術(shù)之間存在著相互競爭，但在某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它們又相互補(bǔ)充。單純地說“或取代某種技術(shù)”這是一種不負(fù)責(zé)任的說法，就好像飛機(jī)又快又穩(wěn)，也沒有取代自行車一樣，各有各的應(yīng)用領(lǐng)域。