超宽带无线通信技术及应用

摘要　随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。超宽带（UWB）技术的出现，实现了短距离内超带宽、高速的数据传输。其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。本文介绍了UWB的主要技术特点，并把UWB与目前较为广泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距离无线通信技术进行了比较，最后对UWB的应用前景进行了分析与展望。

1、引言

无线通信技术是当前发展最迅速、最具活力的技术领域之一，在这个领域中，各种新技术、新方法层出不穷。其中，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，被列为未来通信的十大技术之一。

1990年3月，在美国新墨西哥州的Los Alamo国家实验室召开的超宽带雷达会议上提出了"超宽带（UWB）雷达"的概念。超宽带雷达是一种新体制的雷达，它定义为：分数带宽（FBW，Fractional Band-Width）大于25%的雷达为超宽带雷达。

式（1）中f1和fh由能量带宽定义给出。如果该波形的绝大部分能量（一般大于90%）都落入由这两个频率作为上下界的频段范围内，则称fh-f1为能量带宽。

2、超宽带性能特点

UWB是一种"特立独行"的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB具有以下特点：

2.1　抗干扰性能强

UWB信号，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。表1给出了目前几种主要的无线通信技术的主要性能指标参数。

表1　UWB与其他无线通信技术的比较

2.2　传输速率高

UWB的数据速率可以达到几十兆比特每秒到几百兆比特每秒，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

2.3　带宽极宽

UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几吉赫兹，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天。开辟了一种新的时域无线电资源。

2.4　频谱利用率高，系统容量大

因为不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激序列，因而UWB系统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，从而提高频谱利用率，带来了极大的系统容量。

2.5　发射功率低

由于UWB系统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1mW的发射功率实现几千米的通信。

2.6　保密性好

UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低。用传统的接收机无法接收。

3、UWB系统方案及一些技术问题

3.1　单频带系统

单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输，其信号带宽很大，多径分辨率很高，抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重，接收机的复杂度较高。此外，为解决共存性问题，避免与带内窄带系统的干扰，该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA。在单载波DS-CDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决了这一难题。

3.2　多频带系统

多频带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带。使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成通过射频载波搬移到不同子带，避开传统窄带系统使用频段。多频带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。其多址问题采用跳频技术来解决。相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段。并采用正交频分复用（OFDM）方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。

从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的。对无线电频率管理来说，有两个基本的原则：一是新的无线电技术不得对已有的无线电台（系统）造成有害干扰；二是受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CAMA因为使用整个3.1～10.6GHz频段，包括传统无线技术使用其中的一些频率，而MBOA使用多个频率子带可以很方便地避开这些频率。

3.3　UWB硬件系统

同传统结构相比，UWB收劫言机的结构相对简单，图1给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中，信息可被不同技术调制，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过相关接收后处理，再经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接收机来说，实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，成本低，而且UWB接收机可全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。

图1　UWB发射和接收机系统框图

4、UWB技术的应用

由于UWB通信利用了一个相当宽的带宽，就好像使用了整个频谱，并且它能够与其他的应用共存，因此UWB可以应用在很多领域，如个域网、智能交通系统、无线传感网、射频标识、成像应用。

4.1　UWB在个域网中的应用

UWB可以在限定的范围内（比如4m）以很高的数据速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）传输信息，这比蓝牙好很多。蓝牙的数据速率是1 Mbit/s，功率是1mW。UWB能够提供快速的无线外设访问来传输照片、文件、视频。因此UWB特别适合于个域网。通过UWB，可以在家里和办公室里方便地以无线的方式将视频摄像机中的内容下载到PC中进行编辑，然后送到TV中浏览，轻松地以无线的方式实现个人数字助理（PDA）、手机与PC数据同步、装载游戏和音频/视频文件到PDA、音频文件在MP3播放器与多媒体PC之间传送等。

4.2　UWB在智能交通信息中的应用

利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时，该雷达会提醒司机。在停车的时候，这种基于UWB的雷达是司机强有力的助手。利用UWB可还以建立智能交通管理系统，这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。例如，实现不停车的自动收费、汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取、站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等。

4.3　传感器联网

利用UWB低成本、低功耗的特点，可以将UWB用于无线传感网。在大多数的应用中，传感器被用在特定的局域场所。传感器通过无线的方式而不是有线的方式传输数据将特别方便。作为无线传感网的通信技术，它必须是低成本的；同时它应该是低功耗的，以免频繁地更换电池。UWB是无线传感网通信技术的最合适候选者。

4.4　成像应用

由于UWB具有好的穿透墙、楼层的能力，UWB可以应用于成像系统。利用UWB技术，可以制造穿墙雷达、穿地雷达。穿墙雷达可以用在战场上和警察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人；地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜寻幸存者。基于UWB的成像系统也可以用于避免使用X射线的医学系统。

由于UWB有着很多优点，它还可以用于智能标识、有线网络的无线延伸以及在军事方面用来实现超保密的通信系统。

5、结束语

超宽带技术的采用对于解决当今在通信领域中的容量与有限的频谱资源分配等问题提供了一条有效的途径。在业界的推动下。UWB技术将日臻成熟，目前，已经有一些公司推出了UWB芯片和相关产品。可以预料UWB技术将在未来高速信息网络中发挥重要的作用。