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，通信速度可以達到幾百Mbit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級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。一個是傳輸帶寬，另一個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FCC的定義：信號帶寬大于1.5G或者信號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，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個脈沖。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相對于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當于噪聲，對傳統(tǒng)的無線電波影響相當小。UWB的技術(shù)特點顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

UWB的技術(shù)優(yōu)勢及不足

    1.技術(shù)優(yōu)勢

    （1）傳輸速率高理論上，一個寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實現(xiàn)高達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。如果一個脈沖代表一個數(shù)位，那么，理論上UWB可達1 Gbit/s的速率，這樣在實際中實現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

    （2）發(fā)射功率低，功耗小因為不使用載波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量。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提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對其它設(shè)備造成干擾而對UWB做出的技術(shù)指標要求）。雖然現(xiàn)在實際上使用芯片實現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進步，這項指標隨之會降下來。

    （3）UWB通信的保密性強 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，被檢測的概率也很低，這一點在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

    （4）UWB通信采用調(diào)時序列，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信號幅度隨機變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點適合于高速移動環(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)時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，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（FCC）批準了UWB用于短距離無線通信的申請。

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作一對比，從中更能顯示出UWB的杰出的優(yōu)點。常見的短距離無線技術(shù)由IEEE802.11a、藍牙、HomeRF。

    (1)IEEE802.11a與UWB

　　 IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網(wǎng)標準之一，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可以達到上千兆，是IEEE802.11a的幾十倍；超過這個距離范圍(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的功耗相當大。

    (2)藍牙(Bluetooth)與UWB

　　藍牙技術(shù)是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨后成立的藍牙技術(shù)特殊興趣組織(SIG)來負責(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，是藍牙速度的幾百倍。從目前的情況來看，藍牙唯一比UWB優(yōu)越的地方就是藍牙的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是隨著UWB的發(fā)展，這種優(yōu)勢就不會再是優(yōu)勢，因此有人在UWB剛出現(xiàn)時，把UWB看成是藍芽的殺手，不是沒有道理的。

    (3)HomeRF與UWB

　　HomeRF 是專門針對家庭住宅環(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) 標準。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：HomeRF的傳輸距離遠，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準各有千秋，這些技術(shù)之間存在著相互競爭，但在某些實際應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它們又相互補充。單純地說“或取代某種技術(shù)”這是一種不負責(zé)任的說法，就好像飛機又快又穩(wěn)，也沒有取代自行車一樣，各有各的應(yīng)用領(lǐng)域。