摘要：UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無(wú)線通信技術(shù),本文介紹UWB的主要特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用,詳細(xì)比較了UWB通信與IEEE802.11、Bluetooth和HomeRF等現(xiàn)有短距離無(wú)線通信的異同,并對(duì)UWB在家庭無(wú)線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

    關(guān)鍵詞：UWB IEEE802.11 Bluetooth HomeRF

超寬帶（Ultra-wideband,UWB）技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末,此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展,人們對(duì)高速無(wú)線通信提出了更高的要求,超宛帶技術(shù)又被重新提出,并倍受關(guān)注。UWB是指信號(hào)帶寬大于500MHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。與常見(jiàn)的通信方式使用連續(xù)的載波不同,UWB采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息,通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz,因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps。在高速通信的同時(shí),UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小,僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一,對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲,因此從理論上講,UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)備共享帶寬。所以,UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式,它有望在無(wú)線通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前,Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在進(jìn)行UWB無(wú)線設(shè)備的開(kāi)發(fā)和推廣。

1 UWB的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用

鑒于UWB信號(hào)是持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖串,占用帶寬大,因此它有一些十分獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和用途。在通信領(lǐng)域,UWB可以提供高速率的無(wú)線通信。在雷達(dá)方面,UWB雷達(dá)具有高分辨力（ns級(jí)）。當(dāng)前的隱身技術(shù)采用的是隱射涂料和隱身特殊結(jié)構(gòu),但都只能在一個(gè)不大的頻帶內(nèi)有效,在超寬頻帶內(nèi),目標(biāo)就會(huì)原形畢露。UWB雷達(dá)還具有很強(qiáng)的穿透能力,UWB信號(hào)能穿透樹(shù)葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì),因此軍事上UWB雷達(dá)可用來(lái)探測(cè)地雷,民用上可以查找地下金屬管道、探測(cè)高速公路地基等。在定位方面,UWB可以提供很高的定位精度。UWB使用極微弱的同步脈沖可以辨別出隱藏的物體或墻體后運(yùn)動(dòng)著的物體,定位誤差只有一兩厘米。也就是說(shuō),同一個(gè)UWB設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通信、雷達(dá)和定位三大功能。

UWB無(wú)線通信除了帶寬大,通信速率高之外,還有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先,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(méi)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。其次,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(wú)載波的基帶通信,UWB通信系統(tǒng)幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng),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(shuō),低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的UWB通信正是人類所期望的夢(mèng)幻般的無(wú)線通信方式。

當(dāng)然,UWB通信也存在不足,主要問(wèn)題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很大,UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)其他無(wú)線通信系統(tǒng),因此UWB系統(tǒng)的頻率許可問(wèn)題一直在爭(zhēng)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,但是由于它的脈沖持續(xù)時(shí)間很短,它的瞬時(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。但是學(xué)術(shù)界的種種爭(zhēng)論并不影響UWB的開(kāi)發(fā)和使用,2002年2月美國(guó)通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無(wú)線通信的申請(qǐng)。

UWB的用途有很少,主要分為軍事和民用兩個(gè)方面。在軍事上UWB可以用于低截獲率（LPI/D）的內(nèi)部無(wú)線通信系統(tǒng)、LPI/D地波通信、LPI/D高度計(jì)、戰(zhàn)場(chǎng)手持和網(wǎng)絡(luò)LPI/D電臺(tái)、UWB雷達(dá)、防撞雷達(dá)、警戒雷達(dá)、無(wú)線標(biāo)簽、接近引信、高精度定位系統(tǒng)、無(wú)人駕駛飛行器和地面戰(zhàn)車及其通信鏈路、探測(cè)地雷、檢測(cè)地址目標(biāo)等等。在民用方面,UWB可用于20Mbps以上的高速無(wú)線局域網(wǎng)、高度計(jì)、民航防撞雷達(dá)、汽車防撞感應(yīng)器、高精度定位、無(wú)線標(biāo)簽和工業(yè)射頻監(jiān)控等。

2 UWB通信與其它短距離無(wú)線通信的比較

UWB技術(shù)與現(xiàn)有其它無(wú)線通信技術(shù)有著很大的不同,它將會(huì)為無(wú)線局域網(wǎng)（LAN）和個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的接入帶來(lái)低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線電技術(shù)多年的諸如信道衰落、高速率時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高和功耗大等重大難題,但是UWB通信不會(huì)很快取代現(xiàn)有的其它無(wú)線通信技術(shù)。

雖然UWB通信中所須的頻帶寬度相當(dāng)大,從500MHz直至幾GHz。如英特爾的樣機(jī)使用的就是從2GHz頻帶至6GHz頻帶之間的4GHz帶寬。但實(shí)際上并不存在如此之寬的空閑頻帶,無(wú)論采取什么辦法,UWB通信使用的頻帶與現(xiàn)有無(wú)線通信使用的頻帶必定會(huì)發(fā)生重疊,為了避免UWB通信對(duì)其它系統(tǒng)的干擾,UWB用戶人事科有必須申請(qǐng)頻率許可。2002年2月FCC準(zhǔn)許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的條件就是：“在發(fā)送功率低于美國(guó)放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下,可將3.1GHz～10.6GHz的頻帶用于對(duì)地下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達(dá)以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測(cè)躡和無(wú)線數(shù)據(jù)通信"。發(fā)射功率的大小決定了傳輸距離,按照FCC的規(guī)定,UWB通信在近期內(nèi)將只可能用于極短距離的無(wú)線通信,這就意味著在一定時(shí)期內(nèi)UWB將會(huì)與現(xiàn)有短距離無(wú)線技術(shù)共同生存,共同發(fā)展。

（1）UWB與IEEE802.11a

IEEE802.11a是IEEE最初制定的一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一,它主要用來(lái)解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無(wú)線接入,工作在5GHzU-NII頻帶,物理層速率54Mbps,傳輸層速率25Mbps。采用正交頻分復(fù)用（OFDM）擴(kuò)頻技術(shù);可提供25Mbps的無(wú)線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無(wú)線幀結(jié)構(gòu)接口,以及TDD/TDMA的空中接口,支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。IEEE802.11a用作無(wú)線局域網(wǎng)時(shí)的通信距離可以達(dá)到100m,而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信。根據(jù)英特爾照FCC的規(guī)定而進(jìn)行的演示結(jié)果顯示,對(duì)于10m以內(nèi)的距離,UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百M(fèi)bps的傳輸性能,但是在20m處反倒是IEEE802.11a/b的無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)設(shè)備更好一些。因此在目前UWB發(fā)射功率受限的情況下,UWB只能用于10m以內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通信,而10m到100m的無(wú)線局域網(wǎng)通信,還需要由802.11來(lái)完成,當(dāng)然與UWB相比,802.11的功耗大,傳輸速率低。

（2）UWB與Bluetooth

自從2002年2月14日,FCC頂住多方面的壓力批準(zhǔn)UWB用于無(wú)線通信以來(lái),就不斷有人將UWB評(píng)論為藍(lán)牙（Bluetooth）的殺手,因?yàn)閺男阅軆r(jià)格比上看,Bluetooth是現(xiàn)有無(wú)線通信方式中最接近UWB的,但是UWB真的會(huì)取代Bluetooth嗎？從目前的情況看,答案是否定的。首先從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看,Bluetooth工作在無(wú)須申請(qǐng)的2.4GHz ISM頻段上,主要用來(lái)連接打印機(jī)、筆記本電腦等辦公設(shè)備。它的通信速率通常在1Mbps以下,通信距離可以達(dá)到10m以上。而UWB的通信速率在幾百M(fèi)bps,通信距離僅有幾米,因此二者的應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同。其次,從技術(shù)上看,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,Bluetooth已經(jīng)具有較完善的通信協(xié)議。Bluetooth的核心協(xié)議包括物理層協(xié)議和鏈路接入?yún)f(xié)議,鏈路管理協(xié)議及服務(wù)發(fā)展協(xié)議等等,而UWB的工業(yè)實(shí)用協(xié)議還在制定中,估計(jì)要等到2004年才可能初步確定。還有,Bluetooth是一種短距離無(wú)線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱,藍(lán)牙的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無(wú)線電空中接口及其控制軟件的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn),從這方面講,UWB可以看作是采用一種特殊無(wú)線電波來(lái)高速傳送數(shù)據(jù)的通信方式,嚴(yán)格地講,它不能構(gòu)成一個(gè)完整的通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)�？紤]到UWB高速、低功耗的特點(diǎn),也許在下一代Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)中,UWB可能被用做物理層的通信方式。最后,從市場(chǎng)角度分析,藍(lán)牙產(chǎn)品已經(jīng)成熟并得到推廣和使用,而UWB的研究還處在起步階段�；�于以上原因,在未來(lái)的幾年內(nèi),UWB和Bluetooth更有可能既是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,又是合作朋友。

（3）UWB與HomeRF

家庭射頻（HomeRF）標(biāo)準(zhǔn)是由HomeRF工作組開(kāi)發(fā)的,旨在家庭范圍內(nèi),使計(jì)算機(jī)與其他電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的開(kāi)放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF是IEEE802.11與DECT的結(jié)合,使用這種技術(shù)能降低語(yǔ)音數(shù)據(jù)成本。HomeRF采用了擴(kuò)頻技術(shù),工作在2.4GHz頻帶,能同步支持4條高質(zhì)量語(yǔ)音信道,但是HomeRF的傳輸速率只有1M～2Mbps。由于HomeRF技術(shù)沒(méi)有完全公開(kāi),目前只有幾十家小企業(yè)支持,在抗干擾等方面相對(duì)應(yīng)其他技術(shù)而言尚有欠缺,因此它的應(yīng)用前景還不是十分明朗。同IEEE802.11一樣,HomeRF的通信距離比UWB遠(yuǎn),而傳輸速率比UWB低,在UWB發(fā)射功率受限的前提下,二者應(yīng)該是各有千秋。

結(jié)合上述討論,可以用表1對(duì)四種短距離無(wú)線通信做個(gè)簡(jiǎn)單的比較。

表1 4種短距離無(wú)線通信比較