带您了解UWB技术

什么是UWB？
    UWB（Ultra WideBand）是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。美国联邦通讯委员会（FCC）规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。

    超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面：一个是传输带宽，另一个是是否采用载波方式。从传输带宽看，按照FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25%的为超宽带。超宽带传输技术直接使用基带传输。其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数10亿个脉冲。然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB对传统的无线电波影响相当小。UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。

UWB的技术优势及不足
1.技术优势
（1）传输速率高
    理论上，一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带宽，因此，UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很低，仍可实现高达100Mbit/s-500Mbit/s的传输速率。在民用方面，UWB脉冲宽度一般为纳秒级。如果一个脉冲代表一个数位，那么，理论上UWB可达1Gbit/s的速率，这样在实际中实现100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

（2）发射功率低、功耗小
    因为不使用载波，UWB仅在发射窄脉冲时消耗少量能量。从而省略了发射连续载波的大量功耗。这使得UWB在通过缩小脉冲宽度的同时提高带宽，并且不增加功耗。这就打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽成正比的定律。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常低于1mW，这也是FCC为了避免对其它设备造成干扰而对UWB做出的技术指标要求。虽然现在实际上使用芯片实现后的整体电路能耗在300mW左右，但随着技术的不断成熟和进步，这项指标随之会降下来。

（3）UWB通信的保密性强
    UWB系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应用前景。

（4）UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落
    多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。
更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎实现了全数字化，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是人们所期望的理想无线通信方式。

2.不足之处
    当然，UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很高，UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统，因此，UWB系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是，由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。尽管如此，学术界的种种争论并不影响UWB的开发和应用。

超宽带技术的主要特点
（1）UWB的系统结构实现比较简单，设备集成更为简化。
（2）高速的数据传输。UWB以非常宽的频率来换取高速的数据传输，在10m范围内传输速率可达500Mbit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。
（3）低功耗，绝对的绿色环保产品。UWB发射功率严格小于0.56mW，功耗只相当于蜂窝手机的千分之一，不会影响人体的健康，并且可以大大延长电池的使用寿命。
（4）隐蔽性好、抗干扰能力强，安全性高。UWB系统的发射功率谱密度非常低，多数情况下其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非常困难，被截获概率小，安全性能高。
（5）多径分辨能力强。超带宽无线电发射的是持续时间极短的单脉冲，且占空比较低，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。
（6）穿透能力强，定位精确。超带宽无线电的带宽很宽，具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，可在室内和地下进行精确定位，定位精度可达厘米级。
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与其他技术的比较
    表1给出UWB与其他短距离无线通信的简单比较。从表中可见，除了在通信距离上UWB比其他三种短距离无线通信方式受限外，在传输速率、发射功率、空间容量、应用范围等方面，UWB都占有较大优势。

超宽带的应用综述
    UWB的用途主要可分为军事和民用两个方面。UWB技术原本是为军事目的而开发，但巨大的民用市场使得UWB被批准对民用开放后迅速成为民用通信的研究热点。
1.军事应用
（1）军事通信
    军事通信的要求呈现出大容量、低截获（LPI/D）、高速率的特征，UWB可以满足这些需求。

（2）军事雷达与导航
    UWB技术可以实现雷达、定位、通信三种功能相结合的产品，特别适合雷达高检测分辩率和小型化的要求，便于安装在小型飞机和移动战车上。另外，UWB技术在穿墙/地成像探测雷达、警戒雷达、高精度定位导航系统等领域有着广泛的应用价值，这些技术有的在美军中已处于实战配备前的阶段。

2.民用
    UWB在无线个域网、高速数据传输等方面市场广阔，前景诱人。其应用发展趋势将主要集中在以下几个方面。
（1）无线个人空间网络（WPAN）
    也被称作家庭网络，是UWB的主要发展方向之一。如今，家庭电子消费产品层出不穷，随着网络技术的发展，人们希望将家庭娱乐系统与Internet连到一起，可以在任何地方使用。因此，将Ad hoc网络技术、IEEE 1394接口标准与UWB传输技术相结合，把家庭娱乐设备、通信设备、计算机连接在一起构成家庭多媒体网络，非常有发展前景。

（2）无线Ad hoc网络
    UWB本身固有的优点可以显著提高无线Ad hoc网络的性能，扩展它的应用范围。UWB抗多径干扰的鲁棒性解决了困扰无线Ad hoc网络多年的难题；UWB的低发射功率使得基于UWB的无线Ad hoc网络可与现有网络共存，节省宝贵的频谱资源，提高了数据速率，从而使得大规模传感器网络的应用成为可能。

（3）无线USB（WUSB）
    WUSB技术是基于超宽带无线通信技术的全新通信标准，它通过USB接口和最先进的无线通信技术扩展了设备之间的连通性。在继承传统有线USB2.0标准所具有的较高传输速率优势的同时，充分利用UWB传输技术的灵活性和极高的自由度，能在3m的距离内实现480Mbit/s的等效带宽，兼顾了安全性、可靠性、降低功耗等特性。

（4）智能无线局域网
    智能无线局域网的基本要求是提供一个低成本、低功耗的智能传输网，UWB系统可以方便地应用于无线局域网，如智能交通系统中，提供高性能、低成本的解决方案。

（5）车载雷达系统
    基于超宽带技术的传感系统可提高传统近距离移动传感器的分辩率，依靠超宽带的高质量准确性和区分目标的功能，智能碰撞避免和巡航控制系统时代已为时不远了。

（6）室外对等网
    这种网络主要是用在室外满足掌上电脑（PDA）的数据交换、数字报亭报刊文摘的快速下载、音像制品的租售等，这些实用价值构成了UWB应用的一个巨大潜在市场。 
    当然UWB还在医疗、服务等领域有着诸多的应用，它的最终目标是与其他异类网络无缝共存、协同工作，实现随时随地的通信。

超宽带的应用前景及分析
    市场是新技术被广泛接受的最直接也是最终动力。超宽带技术要想得到长远的发展，必须对未来市场做出合理的判断，确定目标客户的数量和类型并进行细分，使业务不断增值。由于UWB技术在无线通信方面的创新性和利益性，使得它在商业多媒体设备和个人网络，特别是信息家电方面具有很大的市场潜力。

    具体到我国而言，有着强大的超宽带市场空间。主要体现在以下三个方面：
（1）随着消费电子产品的需求剧增，超宽带能更好地满足人们对数据传输提出的更高要求。如今，人们生活水平不断提高，手机、MP3、数码相机、笔记本电脑等时尚类产品已经日益成为生活中不可或缺的部分。超宽带技术的高速数据传输和低功耗正是其“杀手锏”，将使未来家庭电子产品消费者的生活更加健康、简便和快捷。

（2）计算机网络、无线和消费电子产品正走向融合，为超宽带的生存发展提供了契机。一方面，随着家庭电脑的普及、无线技术的不断完善与发展以及互联网使用成本的降低，越来越多的家庭将会选择安装无线网络；另一方面，数字技术促进了消费产品与通信、计算机技术和网络的融合，使我们在任何时间、任何地点都可以得到节目内容和服务。超宽带技术是一个很好的选择，我们有理由相信高速UWB WPAN完全可以满足未来家庭无线通信的需求——“数字家庭”。

（3）我国对超宽带技术的充分关注，为UWB技术在我国的发展和应用注入了新的动力。目前，国内众多高校和科研机构正在致力于超宽带技术的研究，他们从国外研究成果中汲取经验，促进我国在UWB技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。也必将有效的培育UWB技术在国内市场的拓展，促进其从科研走向应用的实际进程。
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超宽带技术发展的策略与方向
    虽然国内存在巨大的超宽带市场发展空间，但由于标准的争论，预计真正的超宽带市场将经过较长的一段时间才能逐渐形成并壮大。这正是我们的机遇，我国UWB研究的策略应遵循以下几点。
（1）尽快制定民用UWB无线通信使用频谱的规定，促进UWB技术在民用领域的发展。
（2）国内的相关研究机构和企业应该联合起来进行UWB的研发，尽量避免重复的投入，这样才有可能缩小与国际最先进水平的差距。
（3）在研究中，应该着重开发具有自主知识产权的技术，不应简单地重复别人的工作。
（4）在研究的基础上，应该围绕我们掌握的知识产权，结合国际上UWB技术标准，进行我国UWB技术标准的制定，为UWB的产业化铺平道路。
（5）在UWB的发展方向方面，我们应针对调制载波和基带窄脉冲方式这两类方案的特点，对它们分别进行研究、开发，并将它们应用到适当的领域。

    在信息技术飞速发展的今天，UWB必定会以其高速、安全、低成本等诸多优点，吸引越来越多研究者的注意，发展潜力及市场空间不可估量。必须承认国内对于UWB的研究多处在测试仿真和学习阶段，缺乏原创性的核心技术，这对我国这样一个消费大国来说是很不利的，因此我们必须花大力气在这些高新技术研究上，提高国家科技竞争实力。着眼于未来，UWB芯片将是使用量极大的常用芯片，必将广泛应用于计算机、消费电子和移动终端等便携设备，完全靠进口是不可想象的。因此，我国应该及早参考和借鉴国外研究成果，制订适合我国国情的标准法规，最终实现自主研发、本土生产。