UWB技术的应用研究及技术挑战

超宽带（UWB）技术为拥挤的无线电频谱带来了新的应用理念，其创新的使用模式和用有线链接无法实现的产品特性正在吸引着全球的目光。这种短距离的传输技术具有耗电量低、安全性高、高速传输、不易产生干扰、低成本的芯片结构等优点，更重要的是他可以帮助家庭和办公室中的各种信息设备摆脱有线的束缚而实现互联互通。目前，许多国家正在致力于超宽带技术的研究开发，尽管还没有成熟产品进入市场消费阶段，但将推动超宽带与大部分消费电子、移动设备和个人电脑的连接嵌入。UWB技术在1994年以前主要限于军方使用，限制了UWB的软件和硬件开发。由于UMB使用许多专用频段，美国联邦通信委员会（FCC）直到2001年才正式开放UWB技术的广泛研究，此后全球对UWB的研究进入高速探讨阶段。

1 UWB频谱效率

一种发射信号的相对带宽大于0.2，或者传输时带宽至少为500 MHz的设备才能算超宽带。相对带宽定义为2（fH-fL）／（fH+fL），其中fH，fL分别为-10 dB时的上界频率和下界频率。在物理层，UWB通信扩展少量的等效全向辐射功率（EIRP），根据FCC的定义，低于0.56 mW，与其中心频率相比，穿过很宽的频带。这可以从其功率谱密度中计算出，在3.01～10.6 GHz，为75 nW／MHz。UWB的这个定义不仅有高的时间分辨率，也有比窄带系统低的衰落边际。

UWB是新一代的无线电通信技术，其中心频率达到500 MHz。按照FCC的规定3.1～10.6 GHz之间的7.5 GHz的带宽频率都将作为通信设备所使用的频率范围。UWB之所以拥有如此大的带宽，是因为UWB是与手机和无线LAN等现有无线通信完全不同的调制方式。现有的无线通信使用不同的载波频率把信号调制到不同的频带上，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，他使用“脉冲”信号进行信息传输。所谓脉冲信号，就是指产生和消失时间极其短暂的瞬间信号，其产生和消失时间仅为数百微秒至数纳秒以下。如果将这种脉冲按传统的傅里叶分析，则可以将其分解成多种频率的正弦波（每一种正弦波的能量不同）。如果减小脉冲的宽度，那么频带宽度将增加。在使用脉冲传送信号时，脉冲宽度越小，单位时间内传送的信号就越多。反过来说，带宽越宽就能够传送更多的脉冲。不仅速度可以提高，而且还能有效地降低耗电量。由于加电时间极其短暂，因此平均耗电量很低。

脉冲频率是一个能够确定中心频率带传输能量的重要参数，同时脉冲的波形也可以确定在一段频率范围内需要多少能量。在传统的无线电技术结构中，数据能够通过若干次脉冲而被调制，其中包括振幅、相位等。单脉冲架构也采用了相关较为简单的无线电构思方案，为了更好地管理一个频宽，在此基础上还稍增加了一些灵活性。为了更加随意地控制这段频宽，单脉冲技术还加入了如下功能：能够随时针对不同地区的需要进行自动调整，具备动态检测干扰信号的技术，能够终止使用产生冲突的频率，能够在指定区域下共享频宽，自动为无需高带宽的设备使用窄带频宽。

UWB设备可以分为很多类，如图像系统，车载雷达系统，通信，测量系统等。他们都需要很高的频谱效率，通过采用适当的技术标准，UWB可以使用现有的无线设备使用的频谱，而不会引起干扰，从而可以更好地利用频谱。在WBAN／WPAN网络的节点之间，应用Ad Hoc的概念，如使用多跳路由，UWB设备可以降低发射功率和覆盖范围，这使得在同样的区域内，可以有大量的设备运行，极大地增加了频谱利用率和容量。由于一个系统的最大传输范围与速率成反比，要在任何时候，任何地点进行覆盖，成本会随着数据速率增加。因此，短距离无线系统覆盖的区域很小，基于UWB-RT的技术，将会是未来高空间容量网络的一个选择。

2 UWB的优点

与其他无线通信技术相比，UWB技术的特点有：传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。UWB通过改变脉冲的幅度、间距或者持续时间来传递信息。与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比，UWB不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，提高频谱利用率。

UWB不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积小，系统的结构比较简单。UWB信号的处理也比较简单，只需使用很少的射频或微波器件，射频设计简单，系统的频率自适应能力强。可以将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基和控制器，就可以构成一部UWB通信设备。因此，他的成本可以大大降低。

由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1 GHz以上，他的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。

UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落的能力。UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。

由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1 mW的发射功率实现几公里的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。

UWB旨在面向距离在30英尺左右的高速无线网络连接，在与家庭娱乐设备相连接时可取代USB电缆。IEEE（电器和电子工程师协会）已经成立了被称为IEEE802.15.3a技术标准的工作组，但在采用MBOA的技术还是由摩托罗拉和其他厂商支持的“直接序列”的技术问题上处于僵持局面。为了完成两种超级无线宽带技术规范，并将他们提供给诸如英特尔、德州仪器、惠普、索尼，以及Staccato和Alereon等专业的UWB厂商等成员企业，MBOA已经建立了“特殊利益集团”，从2005年中期开始生产相应批量的芯片。为了确保整个系统的顺利进行，以便使其技术与其他软件层的兼容性更好，这一特殊利益集团除了完成和推广OFDM规格之外还将与其他标准机构进行合作。支持“直接序列”UWB的Freescale公司对MBOA标准的前景提出了质疑。“直接序列”技术旨在超短距离通讯，Freescale公司第一代芯片能够以10 m以上的距离提供1 Gb／s的数据传输速率。

3 UWB-RT的应用

随着UWB-RT商业化的开始应用，这项技术为支持高速应用和低速智能设备的短距离无线通信系统的部署提供了可能性。FCC定义的UWB天线系统，使用简单的调制和编码机制，在短距离内可达到的信息速率大于100Mb／s。UWB在信息速率和覆盖范围之间可以做一个折衷。

大量的应用场景适合使用UWB，主要包括：高速无线个人网（HDR-WPAN）；无线以太网接口链路（WEIL）；智能天线区域网（1WAN）；室外点对点网络（OPPN）；传感器，定位和识别网络（SPIN）。前三种情况假定UWB设备网络部署在居民区或者办公区，主要传送用于娱乐的无线视频／音频和控制信号。第四种情况提供室外点对点连接，而第五种考虑工业和商业环境。

（3） 智能天线区域网（IWAN）

IWAN的特征是：在室内或者办公室等有高密度设备的地方，覆盖范围为30 m。设备的要求是：低成本、低功率消耗，如1～10 mW，给用户提供家庭／办公室的智能分布网。设备的功能有：准确定位、跟踪，支持环境敏感的设备，在当前的窄带短距离网络中不太容易实现。

（4） 室外点对点网络（OPPN）

UWB设备部署在室外，主要适用于PDA上行和信息交换，新闻文本，图片和视频的下载。采用何种标准将决定OPPN结构使用集中式还是分布式的，这是一个需要进一步研究的课题。欧洲即将采用的UWB标准将严格限制支持室外的UWB设备的部署。然而，这种情况可能会改变，因为UWB管制的使用也将不断进步，如同过去其他无线业务所经历的一样。

（5） 传感器，定位和识别网（SPIN）

SPIN系统的特征是：设备密度高，每层几百个，主要在工厂或者仓库，发送带有定位信息的低速数据包。SPIN设备使用范围较大，如果为主从拓扑，在单独设备和主站之间可达100 m。在工业应用中，SPIN需要高级链路可靠性和自适应的系统特征，以对动态改变的接口和传播环境作出反应。UWB将起到的一个重要作用是：根据用户需求提供有效的业务。场景机制的划分和各种网络的发展，包括上面分析的各种情况，是远远不能满足用户的期望的。一个宏伟的目标是，在不同场景下，实现各种网络的无缝共存和互操作性。因此，设计有效的连接，自动漫游机制和数据链路的自适应，是将来一个重要的研究课题。

4 技术挑战

基于窄带载波调制的短距离无线系统，不能提供高速数据速率来传输视频或者准确的移动终端位置信息，不能支持位置敏感的应用，但是今天的市场很需要有这种能力的系统，这也是UWB的一个研究目标。在UWB设备之间的相互干扰和可达到的QoS级方面，仍然有很多未解决的问题。考虑位置敏感的应用，有必要决定一个给定的应用所需的准确性，这个质量级在可变信道和网络负载条件下能否维持仍然没有定论。

在调制和编码技术领域也存在挑战。最初，UWB-RT用于军事通信，获得高容量不是一个主要目标。然而，在商用系统中，用户容量是首先要考虑的。编码和调制是能够改善系统多用户容量的最有效方法之一，设计自适应的调制方法和信道编码机制来提高系统容量。尽管在UWB中，平均EIRP是很低的，短时间内的峰值功率可能很大，因此，要求能够优化传输技术（如自适应功率控制）。为适应不同的信号传播环境，各种高级技术，如UWB-MIMO，能够提供所需的高可靠性和自适应能力。与窄带系统不同，UWB系统受到更少的信号衰落，因为很窄的脉冲在不同路径上传播，引起大量独立衰落的信号成分，可以加以区分，由于高时间分辨率，导致很大的多径分集。UWB-MIMO系统也可抗时域ISI和ICI，因为接收信号有很好的自相关和互相关特性，能简单适应脉冲重复频率到主要的信道时延扩展。

此外，尽管UWB系统有抵抗多径影响的能力，但系统性能同样受到多径效应的影响。极端情况下信号传播会引起室内环境中大量的多径，导致传播时延持续10 mS至几百ms，这引起的ISI限制了系统的最大数据速率，除非有一种有效的方法可以用来减轻这些影响。在快速脉冲调制技术（如PPM），实现有效均衡的成本很高，这个问题在使用低脉冲重复频率系统中较轻。系统复杂性是另外一个挑战，UWB需要多个并行检测器或者高阶调制。

另外一个挑战来自于物理层UWB设备的天线设计和实施。一般来说，便携式通信设备要求很小和不易受损的天线，可以集成到设备中，能够在不同的环境下有效工作。有效天线的设计和实施，是UWB系统设计中的一个巨大挑战。

另外一个问题是，来自于其他无线信号对UWB接收机的带内干扰的影响。近处干扰问题引起了学术界的极大兴趣，UWB设备发射功率谱密度很小，UWB接收机中容易受到噪声影响和干扰。当一个区域有大量集中的UWB设备同时工作时，也有相同的问题，还有多径传播的不利影响和设备间干扰现象，以及要考虑在接收机和网络层如何发起和维持同步。

最后，除了非线性模电设计技术外，还需进一步研发在UWB系统使用新的、先进的半导体技术，如MEMS，SOI等。这些技术可以提供有效的方案解决速度和同步时延，功率消耗等问题，他们的成功研发对UWB-RT的未来开发和应用是至关重要的。

5 UWB研究现状

现在有许多公司在进行UWB技术的研究开发工作。美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，他采用双相调制技术和IEEE 802.15.3 MAC协议，传输速率达到100 Mb/s。

Intel在2000年成立了UWB研究实验室，其实验室产品在2～3年内能达到100 Mb/s的数据速率。Intel认为UWB在短距离内可以达到400～500 Mb/s，因此Intel称UWB为无线USB。Time Domain公司利用UWB PPM技术，开发了两代PulsON芯片，第三代PulsON商用产品也即将问世。

2003年1月，Philips和GA签订了一个备忘录，利用Philips在BiCOMS的优势和GA的UMB技术联合开发速率达480 Mb／s的UWB芯片组，并支持IEEE 802.15.3a标准。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了传输速率达400 Mb／s的UWB芯片组。

新加坡的Cellonics公司开发了基于非线性动态理论的新技术，他只需要使用一个电感器和一个二极管就可以实现数字调制解调器，不需要混频器、振荡器和锁相环。该技术可以改善UWB接收器设计中的相关接收，而且简单、成本低，功耗也低。

美国Discrete Time公司开发了多频段UWB技术，他采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲。与单频段UWB相比，多频段UWB系统的每频段内可以用较低的速率发送信息，这降低了UWB的成本，具有较好的自适应性，可以与802.11a共存。

目前有不少技术公司都对UWB技术加大了开发力度。但由于之前UWB技术民用化的政策还没有得到批准，许多UWB技术公司目前主要是通过向美国军方出售UWB技术来维持生计。如Time Domain公司2002年在获得了的军方合同以后，其全年总销售收入达到了750万美元，比他在2001年所取得的500万美元的销售额有所增长。该公司最近已经在开始销售他的第一批UWB芯片集产品。在FCC批准了UWB技术民用市场之后，在硬件方面，美国Multispectral Solutions公司已经达到了即将开始提供UWB芯片组工业样品的阶段。在操作系统的支持方面，如果继续使用现有的软件，那么制造商的负担也许并不大，这是因为UWB只不过是相当于接口最下层的物理层规格。比如，英特尔将UWB定位于“无线 USB2.0”。实际上，尽管还面临着如何认证与个人电脑连接的设备等无线技术所特有的问题，但是只需提供用于控制终端产品的设备驱动程序，基本上就可以直接沿用上层程序。与此同时，飞利浦电子与美国通用原子公司（GeneralAtomics，GA）已经开始联手进行UWB芯片组的开发工作了。飞利浦将接受GA的包括多频带技术“关键子频带”在内的UWB相关技术，使用面向RF的BiCMOS技术开发RF芯片。GA的关键子频带技术是将UWB的频带分割成15个子频带进行信号传输的技术。由此我们可以看到，未来UWB的市场前景还是十分广阔的，UWB必将成为今后的主流无线互联标准呈现在我们面前。

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