超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展

摘要　UWB（ultra wideband）是超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的縮寫(xiě)，是目前使用1 GHz以上帶寬的最先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。超寬帶無(wú)線通信技術(shù)以其高速率、低功耗、隱蔽性好、定位精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)、探測(cè)與成像系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，正在迅速成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一。本文從UWB的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，闡述了其技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)和前景。

1、技術(shù)概述和特點(diǎn)分析

UWB技術(shù)最初是1960年美國(guó)作為軍用雷達(dá)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，早期主要用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了脈沖檢測(cè)器等設(shè)備的開(kāi)發(fā)，而且該技術(shù)具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、厘米級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。但在隨后的30多年間，UWB技術(shù)發(fā)展很緩慢，一方面是因?yàn)檐姺降南拗谱尩谌�方無(wú)法開(kāi)發(fā)支持UWB的軟件和硬件，此外，UWB技術(shù)對(duì)其他頻帶帶來(lái)的干擾，也阻礙了它的發(fā)展步伐。2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用，進(jìn)而將UWB技術(shù)推向了市場(chǎng)前端。

目前的UWB技術(shù)根據(jù)底層UWB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)形式不同，可分為兩大類。一類是基于窄脈沖式的沖激類UWB，即不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。這樣提出的UWB設(shè)計(jì)方案稱為直接序列CDMA UWB（DS-CDMA UWB）方案。這個(gè)方案頻譜利用率高，可進(jìn)行高精度定位和跟蹤，抵抗多徑衰落能力強(qiáng)，但頻譜共享的靈活性較差，不利于與其他窄帶系統(tǒng)共存。另外一類是基于調(diào)制載波擴(kuò)頻式的載波類UWB，提出的設(shè)計(jì)方案叫多載波OFDM UWB（MB-OFDM UWB）方案，它采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息，提高了頻譜的靈活性，但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），容易產(chǎn)生對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，因此解決干擾問(wèn)題是該方案目前最大的難題。兩種技術(shù)形成了鮮明對(duì)立的兩大陣營(yíng)，使得制訂面向UWB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組已經(jīng)解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來(lái)負(fù)責(zé)UWB高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜�球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。

與其他無(wú)線技術(shù)相比，UWB具有以下幾個(gè)技術(shù)特性。

其一是高帶寬、高傳輸速率。按照UWB的技術(shù)設(shè)計(jì)，UWB使用的帶寬在1 GHz以上，高達(dá)幾個(gè)GHz，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s，這樣的理論速度高于藍(lán)牙100倍，特別適合局域網(wǎng)或者個(gè)域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間的快速共享數(shù)據(jù)庫(kù)以及傳送數(shù)據(jù)。

其次是強(qiáng)大的抗干擾性能，UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能量還原出來(lái)，在解擴(kuò)過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。另外，由于UWB的脈沖非常短（0.1～1.5 ns），頻譜非常寬（數(shù)GHz，可超過(guò)10 GHz），能避免多路徑傳輸?shù)男盘?hào)干擾。

第三是低功耗，UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1 mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)通信，另外，CDMA-UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按“0”和“1”發(fā)送出去，并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波，大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源的工作時(shí)間。

2、UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

從理論上分析，UWB技術(shù)優(yōu)勢(shì)很明顯，但該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)度并不快，而且經(jīng)歷了幾次挫折。2006年1月中旬，在美國(guó)夏威夷召開(kāi)的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)組會(huì)議上，802.15.3a工作組被宣布解散。該標(biāo)準(zhǔn)工作組成立于2002年，但經(jīng)過(guò)4年的討論，MB-OFDM和DS-CDMA兩個(gè)技術(shù)主導(dǎo)方案一直無(wú)法彼此妥協(xié)。Intel和Motorola等一些巨頭之間進(jìn)行了針?shù)h相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，使得UWB技術(shù)的商用步伐大為延緩，無(wú)法達(dá)成一致意見(jiàn)，各個(gè)公司在技術(shù)的開(kāi)發(fā)上仍然自行其事，也就意味著來(lái)自Intel業(yè)界同盟的筆記本電腦中的UWB與來(lái)自Motorola同盟的電視產(chǎn)品中的UWB之間無(wú)法兼容。Intel同盟注重于電腦和無(wú)線消費(fèi)品市場(chǎng)，包括照相機(jī)和MP3播放器等，相對(duì)來(lái)說(shuō)Motorola同盟的產(chǎn)品更多集中于電視、DVD和機(jī)頂盒市場(chǎng)。期間業(yè)界雖曾提出過(guò)融合了兩種技術(shù)方案的折中方案，但最終還是未能克服廠商之間的意見(jiàn)對(duì)立，物理層傳輸標(biāo)準(zhǔn)草案始終無(wú)法出臺(tái)。至此，IEEE有關(guān)高速UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作暫告一個(gè)段落，UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作分道而行。

以Freescale公司為代表支持DS-CDMA技術(shù)的UWB論壇目前有77家會(huì)員，其中有十幾家高校和研究所，占了近15%。UWB論壇和Freescale在UWB技術(shù)使用方面主推以個(gè)人電腦為中心的解決方案，將它看作是連接計(jì)算機(jī)、外設(shè)USB接口的替代技術(shù)。

以Intel、TI（德州儀器）等公司為代表支持MB-OFDM的WiMedia聯(lián)盟已有170多個(gè)成員，幾乎集中了所有的大型跨國(guó)公司和集團(tuán)，并且得到無(wú)線USB和無(wú)線1394的支持，這點(diǎn)非常重要，因?yàn)閁WB未來(lái)一個(gè)最主要的應(yīng)用方向就是家庭網(wǎng)絡(luò)，希望通過(guò)UWB技術(shù)把家庭電器連接成微微網(wǎng)（Piconet），使無(wú)線設(shè)備在WiMedia層匯聚，轉(zhuǎn)變成可在物理層上傳輸?shù)男盘?hào)。

2006年藍(lán)牙SIG選擇與WiMedia聯(lián)盟的MB-OFDM技術(shù)合作，共同致力于下一代新型藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。新型藍(lán)牙技術(shù)將集成UWB技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)兩者的特點(diǎn)，通過(guò)UWB高速數(shù)據(jù)傳輸滿足手持設(shè)備、多媒體設(shè)備和電視等對(duì)同步傳輸高速數(shù)據(jù)的要求，與此同時(shí)，結(jié)合了藍(lán)牙技術(shù)的低功率特點(diǎn)，迎合了某些設(shè)備對(duì)低功耗的要求，例如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、無(wú)線耳機(jī)等。目前有數(shù)量超過(guò)50億的藍(lán)牙設(shè)備在市場(chǎng)上應(yīng)用，而兩大技術(shù)的結(jié)合使移動(dòng)設(shè)備具有高速數(shù)據(jù)傳輸和低功耗兩大特點(diǎn)，符合市場(chǎng)對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的要求，使得在短距離通信中實(shí)現(xiàn)高速率低功率傳輸成為可能。兩者的結(jié)合勢(shì)必能夠推動(dòng)UWB技術(shù)被全球管制機(jī)構(gòu)所接受。2007年，兩個(gè)組織已經(jīng)開(kāi)始著手開(kāi)始UWB無(wú)線電認(rèn)證，第一步是針對(duì)UWB物理層技術(shù)的認(rèn)證。已有Alereon、Realtek、Staccato、Tzero、WiQuest和Wisair 6家芯片廠商通過(guò)了認(rèn)證，這標(biāo)志著多家芯片廠商將實(shí)現(xiàn)互操作。下一步將是基于MAC層的認(rèn)證，但實(shí)現(xiàn)MAC層或更高層協(xié)議認(rèn)證難度仍然相當(dāng)大。

但是兩種新技術(shù)的融合標(biāo)準(zhǔn)制定并不是那么順利。到2007年8月，原訂于2007年第二季度出爐的藍(lán)牙及超寬帶技術(shù)整合標(biāo)準(zhǔn)，被宣布將延遲到2008年發(fā)布，使得預(yù)先希望采用此技術(shù)的手機(jī)、PDA等手持設(shè)備面市時(shí)間有可能延遲到2009年后。不過(guò)對(duì)于這樣的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)度，業(yè)界均認(rèn)為是比較正常的，畢竟一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的出爐時(shí)間都要花上一兩年的時(shí)間。目前標(biāo)準(zhǔn)制訂所面對(duì)的主要挑戰(zhàn)來(lái)自于如何確保整合后的新技術(shù)可在向下兼容市場(chǎng)上逾5億個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的同時(shí)，還能維持高速的傳輸速度。如果標(biāo)準(zhǔn)順利通過(guò)并被各種設(shè)備采納，按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，新產(chǎn)品將能突破藍(lán)牙720 kbit/s傳輸速率的限制，速度可達(dá)480 Mbit/s以上，滿足高質(zhì)量多媒體影音應(yīng)用的要求，而且僅在需要傳送影音檔案時(shí)，才會(huì)啟用UWB技術(shù)。

但是無(wú)論如何，2006～2007年間WiMedia與藍(lán)牙的合作令標(biāo)準(zhǔn)化的工作似乎邁出了解開(kāi)UWB標(biāo)準(zhǔn)僵局的重要一步。按照目前藍(lán)牙的普及程度（目前芯片價(jià)格已經(jīng)降低到大眾產(chǎn)品普及階段）以及用戶的接受程度分析（一步到位提供家庭網(wǎng)絡(luò)的可能性比較小，但是在幾個(gè)設(shè)備間提供藍(lán)牙接口鏈接是可能的），MB-OFDM方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展稍微領(lǐng)先一步。

3、UWB的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

隨著全球各地區(qū)對(duì)UWB技術(shù)管制的逐步解禁，產(chǎn)業(yè)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都在不斷宣布其在2007年的發(fā)展計(jì)劃，運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)始關(guān)注UWB技術(shù)發(fā)展，表明UWB產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。但目前，全球允許UWB技術(shù)商用化的國(guó)家還只有美國(guó)。2006年，歐盟射頻頻譜委員會(huì)批準(zhǔn)了歐洲的UWB規(guī)劃，為在2007年2月在歐洲采用這一技術(shù)鋪平了道路。歐盟這一舉措被認(rèn)為是一個(gè)“積極的監(jiān)管主張”，它意味著歐盟委員會(huì)將正式放開(kāi)對(duì)UWB的管制。日本也繼美國(guó)之后放寬了限制，主要是針對(duì)超寬帶無(wú)線系統(tǒng)的無(wú)線基站設(shè)備，指定的頻帶帶寬為3.4～4.8 GHz，以及7.25～10.25 GHz。其中，要求3.4～4.8 GHz頻段設(shè)備必須具備避免對(duì)其他無(wú)線服務(wù)造成干擾的技術(shù)。隨著全球?qū)�UWB技術(shù)管制的逐步放開(kāi)（盡管這些國(guó)家放開(kāi)的頻率范圍之間有所交疊，但仍然各有不同），要求UWB芯片和設(shè)備開(kāi)發(fā)商必須生產(chǎn)出具有高度靈活性的產(chǎn)品，這使得芯片開(kāi)發(fā)的周期和成本增加。因此，制定一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。

2006年基于MB-OFDM UWB技術(shù)的雙頻率超寬帶收發(fā)CMOS芯片方案已開(kāi)發(fā)成功。其中，Alereon宣布已研發(fā)成功支持6 GHz以上頻段的UWB芯片，這一聲明將極大地刺激UWB芯片市場(chǎng)，因?yàn)槟壳按蟛糠值貐^(qū)管制機(jī)構(gòu)放開(kāi)的UWB使用頻段都在6 GHz以上。2007年UWB芯片廠商將致力于支持多個(gè)頻段的MAC、PHY和RF模塊兼容的UWB芯片。2007年基于UWB技術(shù)的產(chǎn)品包括UWB天線、UWB移動(dòng)終端、UWB機(jī)頂盒以及面向家庭設(shè)備的UWB設(shè)備都陸續(xù)上市，而內(nèi)置UWB技術(shù)的解決方案將率先應(yīng)用于打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及其他需與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的產(chǎn)品中，隨后將陸續(xù)應(yīng)用于各類消費(fèi)電子產(chǎn)品中，滿足市場(chǎng)對(duì)UWB技術(shù)的應(yīng)用需求。

對(duì)于未來(lái)UWB的應(yīng)用前景，業(yè)界普遍預(yù)期比較高，認(rèn)為UWB技術(shù)將成為最具創(chuàng)新能力和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，將取代目前電腦各設(shè)備之間的有線連接。我國(guó)的華為公司在UWB技術(shù)開(kāi)發(fā)方面投入比較高，在UWB領(lǐng)域申請(qǐng)的專利占了14%的比例，在所有的廠商中排名第三，專利領(lǐng)域主要集中在OFDM技術(shù)方面。

在中國(guó)，UWB的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展跟國(guó)際上相比還是要落后一些，關(guān)注的技術(shù)主要集中在OFDM技術(shù)上，因?yàn)樵摷夹g(shù)不僅僅用于UWB系統(tǒng)，在未來(lái)的3G演進(jìn)技術(shù)中也同樣發(fā)揮重要的作用。此外，隨著家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益受到重視，UWB技術(shù)也在這個(gè)領(lǐng)域得到認(rèn)知，但還不夠充分，產(chǎn)業(yè)鏈和IT企業(yè)更多地還是認(rèn)同藍(lán)牙技術(shù)為首選。

但UWB產(chǎn)業(yè)是否會(huì)得到快速的市場(chǎng)推動(dòng)還要取決于各國(guó)對(duì)UWB的相關(guān)管制要求。例如日本目前在就UWB的使用規(guī)定進(jìn)行修訂工作。按照日本現(xiàn)行管制政策，UWB僅能用于室內(nèi)且必須減輕對(duì)其他無(wú)線系統(tǒng)的干擾，對(duì)UWB的使用有嚴(yán)格的限制。在新一輪討論中，是否仍將UWB限制在室內(nèi)或汽車(chē)內(nèi)使用，以及降干擾技術(shù)采用的方式等都將被納入議題。用于通信的UWB使用的頻段包括3400～4 800 MHz低頻段和7250～10250 MHz的高頻段，其中在低頻段需要降干擾技術(shù)。不過(guò)，通過(guò)采取限期措施，截至2008年12月31日，4200～4800 MHz頻段可以在不具備降干擾技術(shù)的情況下使用�？倓�(wù)省預(yù)計(jì)會(huì)在限期措施失效之前，通過(guò)某種形式指明新技術(shù)應(yīng)用的方向。除此之外，3400～4800 MHz頻段有可能被用于第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）。4G使用的頻段于2007年秋天在ITU-R主辦的WRC07上確定。

4、UWB的應(yīng)用

UWB現(xiàn)階段主要應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)和精確定位，未來(lái)UWB將廣泛應(yīng)用于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于UWB設(shè)備具有很強(qiáng)的穿透能力，UWB探測(cè)成像系統(tǒng)可以使警察、消防員和救援人員在緊急情況下迅速找到藏在墻后或者是被埋在廢墟中的人；同時(shí)，還可以協(xié)助公共安全部門(mén)在攻堅(jiān)之前，偵測(cè)歹徒的動(dòng)向，在反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中可發(fā)揮不可估量的作用；此外，也可以用于提高建筑和家庭維修行業(yè)的安全性。因此，基于UWB技術(shù)的新型探測(cè)成像設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)前景。UWB定位系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)的室內(nèi)外精確跟蹤能力，定位精度可以到幾個(gè)厘米，在室內(nèi)精確定位方面將會(huì)對(duì)GPS起到一個(gè)很好的補(bǔ)充作用。

UWB技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的目標(biāo)就是消滅家電之間的連接線，利用其高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，替代藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭中所有電器之間的無(wú)線連接，組建小型數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)代家庭對(duì)未來(lái)高效數(shù)字化生活的需求。目前UWB技術(shù)正被整合進(jìn)家庭影院和便攜式產(chǎn)品，完成高速無(wú)線視頻和音頻信號(hào)的收發(fā)。Motorola、Intel、TI、ST（意法半導(dǎo)體）以及日韓一些廠商已推出UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品。

5、未來(lái)趨勢(shì)分析

從技術(shù)上看UWB有比較廣闊的發(fā)展前景，但是其發(fā)展也面臨著許多挑戰(zhàn)，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要研究解決，諸如需要更好地理解UWB傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多徑傳播等問(wèn)題；進(jìn)行高速脈沖收發(fā)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微控制器噪聲的處理等。UWB應(yīng)用的逐步推廣無(wú)疑會(huì)大大促進(jìn)技術(shù)的成熟，有了UWB，未來(lái)的數(shù)字家庭已經(jīng)不遙遠(yuǎn)。

從技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的角度看，UWB技術(shù)屬于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的一項(xiàng)主要技術(shù)，跟RFID等短距離通信技術(shù)類似，但在應(yīng)用層面上，RFID通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別，與UWB技術(shù)有著明顯的應(yīng)用隔離。

WiMAX和WiFi技術(shù)則在覆蓋范圍上明顯高于UWB技術(shù)，所以未來(lái)的無(wú)線接入技術(shù)發(fā)展應(yīng)該呈現(xiàn)一個(gè)百花齊放的形式，借助WiMAX組成城域網(wǎng)，通過(guò)WLAN形成熱點(diǎn)覆蓋后，將UWB形成的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接，可以形成一個(gè)真正的無(wú)縫無(wú)線通信世界。