什么是超宽带无线通信技术？

　　1.什么是超宽带无线通信技术？

　　超宽带（UWB）技术是目前备受关注的一种新型短距离高速无线通信技术。多年来，这项技术一直在军事领域中使用。UWB在民用领域开放后，有望凭借其超高的传输速度和低功率、低成本等优势给短距离无线接入市场注入新的活力。

　　2.UWB的特点

　　应用于无线通信领域的UWB是一种低功率的无线电技术。按照2002年美国联邦通信委员会（FCC）在向民用领域开放UWB时的定义，超宽带技术指的是信号相对带宽（即信号带宽与中心频率之比）不小于0.2或绝对带宽不小于500 MHz，并使用指定的3.1 GHz～10.6 GHz频段的通信方式。与其他传统的无线通信技术相比较，UWB的技术特点主要有：

　　（1）传输速率高  

　　UWB系统使用上千兆赫兹的超宽频带，所以即使把发送信号功率谱密度控制得很低，也可以实现高达100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根据仙农信道容量公式，如使用7 GHz带宽，那么即使信噪比低至-10 dB，理论信道容量也能达到1 Gb/s［1］， 因此实际中实现100 Mb/s以上的速率是完全可能的。

　　（2）通信距离短  

　　由于随着传播距离的增加高频信号强度衰减太快，因此使用超宽频带的系统更适合于进行短距离通信。理论分析表明，当收发机之间的距离大于12 m时，UWB的信道容量低于传统的窄带系统。

　　（3）平均发射功率低 

　　 在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常可做到低于1 mW，这是通过牺牲带宽换取的。FCC规定UWB的发送功率谱密度必须低于美国放射噪音规定值-41.3 dBm/MHz，因此，从理论上来说相对于其他通信系统UWB信号所产生的干扰仅相当于一宽带白噪声。所带来的好处体现在两方面：一是可使UWB系统与同频段的现有窄带通信系统保持良好共存性，这对于提高无线频谱资源的利用率，缓解日益紧张的无线频谱资源大有好处;二是使得UWB信号隐蔽性好，不易被截获，保密性高。

　　（4）多径分辨率极高 

　　 由于UWB采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨力都很强，因此系统的多径分辨率极高（1 ns脉冲的多径分辨率为30 cm），接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。值得一提的是，窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物的能力，例如墙壁和地板，因此UWB具有比红外通信更为广泛的应用。

　　（5）适合于便携型应用 

　　 传统的UWB技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，由此带来的好处是设备的功耗小，成本低，灵活性高，适合于便携型无线应用。归根溯源，从频域上来看，UWB的诸多优点来自于其使用了上吉赫兹的传输带宽，远远高于现有的GSM、IS-95、3G等通信系统。因此，UWB的技术实现细节与传统的窄带通信方式有很大差别。

　　3.UWB的应用

　　凭借着短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势，UWB进军民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）上。现有的各种无线解决方案（例如3G、802.11、蓝牙等）的速率均低于100 Mb/s，UWB则在10 m左右的范围之内打破了这一限制。

　　这样一种小范围内的通信，特别是高速通信，通常是用有线连接来完成的，而UWB的应用将使得人们可以摆脱更多线缆的牵绊，通信因而变得更为方便。家中的台式电脑不再需要各种线缆分别连接显示器、打印机和扫描仪，摄像机向电视实时输送录像也代之以高速无线连接，这将会给人们的生活带来极大的便利。

　　人们也可以用同样的技术来帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物里面的人们，甚至防止汽车相撞。类似的应用将会层出不穷，远远超过人们目前的想象空间。

　　

就现在的发展趋势来推断，UWB的应用将主要集中在以下几个方面：

　　1、家居安全/互联家居

　　目前的报警系统需要用户来激活和停用系统。采用 UWB 之后，用户将获得无缝体验。主人不再需要使用钥匙来开门，或使用触摸板来解除安全系统报警。当主人把智能手机放在口袋里时，系统就会知道用户走近或离开家的时间。其他应用包括智能遥控和智能手机，主人只要指向想要控制的物体，并利用遥控的位置和方向来启用正确的功能，遥控器和智能手机就知道是哪个物体。

　　2、工业制造

　　UWB 可提供精确可靠的物体和人员位置信息，从而提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。工厂可利用 UWB 技术，在工人接近危险区域时发出警告，以提高安全性。如果发生紧急情况，UWB 可跟踪是否所有工人均已安全撤离。

　　UWB 还可用于“数字孪生”制造应用，这些应用使用物理对象或工艺的近实时数字图像来优化业务流程以提升绩效。（数字孪生是现实产品或资产的虚拟表示。它可用于管理制造商固定资产（如生产机器、生产线和工厂）的性能、有效性和质量。）UWB 标签可跟踪叉车和工具，以便实时查看工作进展，从而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶颈。

　　3、汽车工业

　　采用 UWB 技术的密钥卡可实现安全通信和距离测量，以防止车辆被盗。UWB 采用飞行时间 （TOF） 概念，并结合了 IEEE 802.15.4z 标准要求的其他安全措施，是经过验证的防中继攻击技术。

　　4、机器人

　　UWB 可以实现非常精确的机器人导航系统。例如，您可以让剪草机自动、高效、精确、安全地割草。或者，可以让自动导引车 （AGV） 将备件送到装配线上的特定工作站。个人运输机器人甚至可以跟着走，搬运任何需要移动的重型零件或设备。

　　5、运动行业

　　UWB 具有厘米级精度和低延迟，非常适合进行运动分析。可以跟踪运动员快速运动过程中的统计数据，并且无需担心测量不准确。UWB 已经用于许多专业体育项目，帮助防止队员受伤，提高运动员的成绩。

　　6、企业级

　　UWB 可实现可靠的社交距离解决方案，能够将工人安全运送到工作现场。由于其精确性、可靠性和实时性，UWB 成为企业应用的首选技术。UWB 还可用于实现感应式门禁，这样员工就不再需要刷卡进出。这不仅便利，而且还提高了医院等环境的安全性。

　　总之，UWB定位于各种消费类电子设备和终端间的高速无线连接。由于消费类电子设备很多，决定了UWB的应用将非常广泛。4.超宽带技术的优势超宽带技术作为无线个域网的技术之一，具有很多特点。第一，提高频段的利用率，超宽带利用了未被授权使用的频段，即3.1-10.6GHz频段，在不干扰其它无线通信时最大的利用了这段频段。

　　第二，传输数率高，根据香农定理，数据的最大传输率和信号带宽有如下关系：

　　

　　其中，C代表信道容量，BW表示带宽，传输速率和带宽成正比，因此对于超宽带系统，具有高数据传输率的潜能，取决于具体的超宽带协议。

　　第三，超宽带使用非常灵活，对于不同应用领域，有不同的参数和功能要求，如数据率，功耗，传输范围等参数，通信，定位等功能，超宽带能够提供多种应用需求而无需额外的硬件资源。

　　第四，高的时间分辨率，UWB发射的脉冲极窄，时间分辨率很高，因此在抗多径效应的方面表现优异，利用高的时间分辨率特点，应用在定位，测距领域时，具有高的定位精度或测距精度。

　　基于上述优点，使得超宽带在很多方面都有应用，在实现设备之间的通信时，还可应用于定位，雷达，汽车防撞，测距等军用民用上，因此超宽带技术成为了短距离无线通信技术的有力竞争者。

　　编辑：黄飞