全面解析UWB无载波通信技术及市场前景

UWB（ultra wideband）是超宽带无线技术的缩写。UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无载波无线通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/秒以上。由于原来的无线通信在通信时需要连续发出载波（电波），自然要消耗电能。而UWB是发出瞬间尖波形电波－也就是所谓的脉冲电波－直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送出脉冲电波，因而大大减少了耗电量。

 

UWB定位为室内通信用途，美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）已经将3.1G～10.6GHz频带向UWB通信开放。IEEE802委员会也已将UWB作为PAN（personal area network）的基础技术候选对象来探讨。

 

 

UWB(Ultra-Wideband)超宽带，一开始是使用脉冲无线电技术，此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案，由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 (RF) 的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

 

为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

 

 

UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲，因此这种通信方式占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。

 

 

(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，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，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。

 

(2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

 

(3)功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

 

(4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

 

(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～ 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

 

(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。

 

(7)工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

 

 

从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。

 

(1)IEEE802.11a与UWB

IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。

 

(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB

蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。

 

(3)HomeRF与UWB

HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频50 次，即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。

 

总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下：

 

 

UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。

 

在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体；在民用方面，自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ；汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements　system) 。下面对两个重要应用展开论述。

 

UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1. 3～1. 7 GHz ，相对带宽为27 % ，符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务，其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。

 

UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是"旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。举例来说，你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遥控你的PC，让它控制你的信息家电，让它们有条不紊地工作，你也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。

 

 

如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802.11b、802.15 等无线通信相比， UWB可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出，2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。