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UWB：未來(lái)的短距離無(wú)線技術(shù)
今年年初，美國(guó)有線新聞網(wǎng)（CNN）公布了2004年最有影響的十大熱門(mén)技術(shù)，超寬帶無(wú)線技術(shù)（UWB）榮登榜首。UWB究竟是何方神圣？
其實(shí)，人們對(duì)短距離無(wú)線傳輸?shù)男枨笥性鰺o(wú)減，而目前的技術(shù)還不能滿足這種需求。未來(lái)的短距離無(wú)線技術(shù)需要考慮通信的普遍特性和 “任何人、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”的連接性。這要求新的無(wú)線通信系統(tǒng)是現(xiàn)在和未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)的綜合，包括局域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)（wlan）、無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WBAN）、自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad Hoc)和家用局域網(wǎng)，可以連接計(jì)算機(jī)和各種娛樂(lè)設(shè)備等，使用戶能夠管理各種信息，完全接入到各種數(shù)據(jù)。對(duì)各種不同的通信鏈路比如人-人、人-機(jī)、機(jī)-人、機(jī)-機(jī)等，短距離無(wú)線技術(shù)將起關(guān)鍵的作用。在此需求背景下，基于超寬帶的無(wú)線技術(shù)（UWB）開(kāi)始商業(yè)化，并受到廣泛關(guān)注。
UWB本來(lái)是為軍事目的而開(kāi)發(fā)的，而巨大的商機(jī)使FCC批準(zhǔn)其開(kāi)始民用化，并將3.1GHz～10.6GHz作為UWB頻帶。UWB被批準(zhǔn)民用后，眾多家電廠商和個(gè)人電腦廠商蜂擁而上，在產(chǎn)品研發(fā)上展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。
與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，UWB具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低等特點(diǎn)。UWB與WiMAX、Wi-Fi一樣，都是用于傳輸無(wú)線信號(hào)的技術(shù)。不過(guò)與Wi-Fi解決無(wú)線局域網(wǎng)的接入問(wèn)題和WiMAX解決無(wú)線城域網(wǎng)的問(wèn)題不同，UWB是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的短距無(wú)線傳輸技術(shù)，能以極高速率傳送數(shù)據(jù)，最適合需要高品質(zhì)服務(wù)的高速無(wú)線多媒體應(yīng)用。
在被軍方“禁錮”幾十年后，UWB走出了“深閨”，立即受到熱烈歡迎。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，終于在2004年走上“標(biāo)準(zhǔn)化”之路，距離實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越近。
超寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)（Ultra-Wideband Radio Technology, 簡(jiǎn)稱UWB-RT或UWB）被美國(guó)有線新聞網(wǎng)（CNN）評(píng)選為2004年最有影響的十大熱門(mén)技術(shù)之首，這讓很多人頗感意外。他們甚至還是第一次聽(tīng)到超寬帶（UWB）無(wú)線技術(shù)這一說(shuō)法，大部分人還不大了解什么是超寬帶？這是什么“秘密武器”，突然冒出來(lái)就擷據(jù)十大熱門(mén)技術(shù)之首？
什么是超寬帶？
目前人們普遍認(rèn)同美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）關(guān)于超寬帶設(shè)備帶寬的規(guī)定：-10dB的相對(duì)帶寬大于0.2或占用帶寬大于500MHz。因此對(duì)于中心頻率高于2.5GHz的超寬帶設(shè)備和信號(hào)，其最小-10dB占用帶寬必須大于500MHz，而中心頻率低于2.5GHz的超寬帶設(shè)備和信號(hào)，其最小-10dB相對(duì)帶寬至少為0.2。
超寬帶無(wú)線技術(shù)從信號(hào)形式來(lái)看，大體可分為兩大類：一類是基帶窄脈沖形式，窄脈沖序列攜帶信息，直接通過(guò)天線傳輸，不需要對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)制，采用時(shí)域信號(hào)處理方式，這種傳輸方式在中低速應(yīng)用時(shí)具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、抗多徑能力強(qiáng)、空間/時(shí)間分辨率高、具穿透性、不易被截獲/檢測(cè)、隱秘安全等優(yōu)點(diǎn)，是超寬帶技術(shù)早期發(fā)展首先采用的方式，在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
另一類是帶通載波調(diào)制方式，可以采用不同的無(wú)線傳輸技術(shù)，如OFDM、DS-CDMA等，有利于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率低功率傳輸，適用于短距離室內(nèi)高速率傳輸?shù)膽?yīng)用，是目前高速多媒體智能家庭/辦公室網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)選技術(shù)。
超寬帶無(wú)線技術(shù)優(yōu)勢(shì)何在？
● 頻帶寬，可實(shí)現(xiàn)極高速傳輸和極大的系統(tǒng)空間容量
超寬帶系統(tǒng)的工作頻帶極寬，一般從幾百M(fèi)Hz到幾個(gè)GHz，將來(lái)還要向更高帶寬發(fā)展。信息論告訴我們，通信系統(tǒng)的容量或最大可靠傳輸速率與所占用的帶寬成正比。頻帶極寬，意味著在一定信/擾比要求下，可實(shí)現(xiàn)極高速率的可靠傳輸；或者在一定傳輸速率下，可以在很低的信/擾比或信號(hào)功率譜密度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。目前研制的實(shí)驗(yàn)超寬帶短距系統(tǒng)傳輸速率已經(jīng)達(dá)到1Gbps以上，其空間通信容量（即每平方米面積可達(dá)到的通信容量）是無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等系統(tǒng)的10～1000倍以上。
● 功率低，功耗小
由于UWB可工作在極低的信/擾比門(mén)限，因此平均發(fā)射功率很低，如工作范圍在10米以內(nèi)，所需功率僅需幾十到幾百微瓦，其功率譜密度極低，甚至低于環(huán)境噪聲以下。這樣的信號(hào)極難被非授權(quán)方所截獲或檢測(cè)，具有極強(qiáng)的隱秘安全性。同時(shí)，這樣的信號(hào)也不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生不良的干擾，可以與之共享頻帶，實(shí)現(xiàn)共存，使稀缺的頻譜資源得到最大限度的利用，這是超寬帶技術(shù)受到重視的一個(gè)很重要的原因。
功率低又意味著低功耗，特別有利于用電池供電的手持式通信設(shè)備，使其不充電工作時(shí)間大大增加，甚至可達(dá)一年至幾年。低功率的另一個(gè)重要好處是大大降低了對(duì)人體的有害輻射，成為真正的“綠色”手持設(shè)備。
● 脈沖寬度極短，定位精度極高，抗多徑能力和多徑分辨力強(qiáng)
超寬帶脈沖系統(tǒng)一般工作在亞納秒級(jí)（<1ns），具有厘米級(jí)的距離分辨率，特別有利于雷達(dá)、定位和有定位功能的綜合移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。
寬度極短的脈沖信息又具有天然的抗多經(jīng)分辨力，抗多徑能力強(qiáng)，從而在各種無(wú)線環(huán)境中具有優(yōu)越的傳輸性能。
● 具有穿透性
超寬帶脈沖信號(hào)含有豐富的低頻分量，因而具有很強(qiáng)的穿透地表面、墻壁和其他物體的能力，可應(yīng)用于需要穿透物體進(jìn)行成像、檢測(cè)、監(jiān)視、測(cè)量和通信的場(chǎng)景。
● 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低
超寬帶系統(tǒng)不論是基帶脈沖的還是帶通調(diào)制載波的，射頻、模擬以及信號(hào)處理部件都相對(duì)較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，因而可以大大降低成本。
● 結(jié)構(gòu)通用
超寬帶通信、雷達(dá)、成像和定位系統(tǒng)可采用通用的硬件結(jié)構(gòu)和工作頻段，通過(guò)軟件改變其功能，便于用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有很大的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。
超寬帶無(wú)線技術(shù)主要用在哪兒？
2002年4月，F(xiàn)CC公布了超寬帶設(shè)備在三類民用領(lǐng)域應(yīng)用的初步規(guī)范，規(guī)定了工作頻段、功率限制、開(kāi)放范圍和使用對(duì)象。限定的三類民用超寬帶設(shè)備為:成像系統(tǒng)，包括透地探測(cè)雷達(dá)（GPRS）、墻內(nèi)、穿墻和醫(yī)用成像以及監(jiān)視設(shè)備；車輛雷達(dá)系統(tǒng)；通信和測(cè)量系統(tǒng)。這些設(shè)備的功率和頻譜都受到嚴(yán)格的限制，只能作用于短距離、小范圍。但FCC指出，今后經(jīng)過(guò)更充分的測(cè)試和研究，有可能有條件地逐步放寬對(duì)超寬帶設(shè)備應(yīng)用的限制。相信更多新的超寬帶應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)，造福于社會(huì)進(jìn)步和人類的幸福生活。
超寬帶技術(shù)在下列應(yīng)用領(lǐng)域已顯現(xiàn)出或估計(jì)會(huì)有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?
● 短距離（10米以內(nèi)）高速無(wú)線多媒體智能家域網(wǎng)/個(gè)域網(wǎng)。在家庭和辦公室中，各種計(jì)算機(jī)、外設(shè)和數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要，利用超寬帶無(wú)線技術(shù)，在小范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)（即需即用）地組成分布式自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同工作，相互連接，傳送高速多媒體數(shù)據(jù)，并可通過(guò)寬帶網(wǎng)關(guān)，接入高速互聯(lián)網(wǎng)或其他寬帶網(wǎng)絡(luò)。這一領(lǐng)域?qū)⑷诤嫌?jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)娛樂(lè)業(yè)，被視為具有超過(guò)移動(dòng)電話的最大市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?
● 智能交通系統(tǒng)。超寬帶系統(tǒng)同時(shí)具有無(wú)線通信和定位的功能，可方便地應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費(fèi)、車內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)、測(cè)速、監(jiān)視、分布式信息站等提供高性能、低成本的解決方案。
● 軍事、公安、消防、醫(yī)療、救援、測(cè)量、勘探和科研等領(lǐng)域。用做隱秘安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測(cè)距和定位、透地探測(cè)雷達(dá)、墻內(nèi)和穿墻成像、監(jiān)視和入侵檢測(cè)、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測(cè)等。
● 傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境。這種環(huán)境包括生活環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、辦公環(huán)境等，主要用于對(duì)各種對(duì)象（人和物）進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、控制和通信。
UWB從軍用起步
當(dāng)今的無(wú)線技術(shù)幾乎全部采用信息對(duì)正弦載波調(diào)制的帶通傳輸方式，但早在1942年和1945年，De Rose 和 Hoeppner就相繼分別申請(qǐng)了隨機(jī)脈沖系統(tǒng)和脈沖通信系統(tǒng)的專利。但因二戰(zhàn)和機(jī)密原因，被美國(guó)政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后學(xué)術(shù)界逐漸認(rèn)識(shí)到用做無(wú)線傳輸和雷達(dá)的信號(hào)，并不一定必須具有近似正弦函數(shù)的波形。脈沖信號(hào)在科研、儀器和檢測(cè)領(lǐng)域從20世紀(jì)60年代開(kāi)始應(yīng)用，并在70年代受到雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，應(yīng)用到雷達(dá)高精度測(cè)距和測(cè)角。
在20世紀(jì)80年代，通信領(lǐng)域的研究人員開(kāi)始研制超寬帶脈沖無(wú)線通信系統(tǒng)，但其性能和成本受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，未能得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)按摩爾定律的發(fā)展，每一年半速度和密度提高一倍，成本下降一半，到20世紀(jì)90年代中期使超寬帶無(wú)線技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域成為可能。它具有的優(yōu)越性日益受到重視。1994年美國(guó)政府批準(zhǔn)第一個(gè)非保密超寬帶通信系統(tǒng)項(xiàng)目，促進(jìn)了超寬帶技術(shù)和系統(tǒng)的研發(fā)，但仍停留在實(shí)驗(yàn)室里，因?yàn)镕CC沒(méi)有批準(zhǔn)超寬帶設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用。但這一期間，消費(fèi)者對(duì)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)和寬帶多媒體信息獲取的需求卻有爆炸性的增長(zhǎng)，超出了可用的無(wú)線系統(tǒng)傳輸能力。
1996年，無(wú)線產(chǎn)業(yè)界討論各種小范圍無(wú)線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的方案，包括IEEE 802.11、藍(lán)牙、Home RF、IEEE 802.15等。由于缺乏國(guó)際通用的可用頻率，這些標(biāo)準(zhǔn)都工作在2.4GHz“ISM”免授權(quán)頻段，難免互相干擾，而且都不能傳輸如HDTV等市場(chǎng)需要的高速寬帶多媒體業(yè)務(wù)。這使得業(yè)界不得不去尋求更好的無(wú)線技術(shù)，超寬帶技術(shù)就成為最佳選擇。
在此情況下，為探索超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，1998年9月FCC公開(kāi)向各界就開(kāi)放超寬帶技術(shù)應(yīng)用征求意見(jiàn)（Notice of Inquiry）;2000年6月，F(xiàn)CC又發(fā)布制定相關(guān)規(guī)定的建議（Notice of Proposed Rule Making）;2002年2月，F(xiàn)CC通過(guò)了超寬帶設(shè)備商業(yè)應(yīng)用的初步規(guī)范（First Report and Order），同年4月正式公布了此規(guī)范。2003年2月，F(xiàn)CC又對(duì)該規(guī)范進(jìn)行了確認(rèn)，局部放寬了對(duì)成像系統(tǒng)頻帶的限制，并稱在今后一年半內(nèi)繼續(xù)探討和完善超寬帶技術(shù)，并有可能進(jìn)一步放寬超寬帶技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方面的限制。
兩種標(biāo)準(zhǔn)方案與多方競(jìng)爭(zhēng)格局形成
目前美、歐有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織，如IEEE 802、ETSI等正在進(jìn)行超寬帶技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中IEEE 802.15 TG3a關(guān)于超寬帶技術(shù)應(yīng)用于高速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）低層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作成為全球業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。那些超寬帶技術(shù)的先創(chuàng)者們努力想把他們的技術(shù)變成IEEE802.15.3a高速WPAN物理層的基礎(chǔ)。目前主要集中在兩種方案的競(jìng)爭(zhēng)中。以Intel、TI為首的多帶OFDM聯(lián)盟（MBOA）所提出的多帶OFDM方案目前擁有多數(shù)支持者；而以Motorola為首的一些公司支持DS-CDMA方案，他們已開(kāi)發(fā)出芯片，正在被一些開(kāi)發(fā)商試用中。目前標(biāo)準(zhǔn)制定處于兩種標(biāo)準(zhǔn)僵持不下的狀態(tài)。
惠普、摩托羅拉等在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、微電子和超寬帶技術(shù)方面處于領(lǐng)先的九個(gè)業(yè)界巨頭于2002年9月成立了WiMedia聯(lián)盟（目前其成員已大大增加，包括Intel等MBOA的很多成員），致力于開(kāi)發(fā)和采納基于標(biāo)準(zhǔn)的、連接高速數(shù)據(jù)和多媒體設(shè)備的WPAN規(guī)范的制定。Wi Media對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的態(tài)度將會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方案的選定起重要作用。
另外IEEE 802.15 TG4a也于2004年3月成立，開(kāi)始進(jìn)行超寬帶技術(shù)應(yīng)用于低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）低層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是低速、超低功率、低成本的通信和高精度測(cè)距/定位設(shè)備。
與此同時(shí)，歐洲、日本等國(guó)的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)也不甘落后，紛紛啟動(dòng)了超寬帶領(lǐng)域的一系列研究項(xiàng)目，一個(gè)波瀾壯闊的超寬帶技術(shù)的研發(fā)熱潮正在世界范圍內(nèi)興起。超寬帶通信、雷達(dá)、成像和監(jiān)視設(shè)備在軍事上的應(yīng)用已有十幾年的歷史，但商用產(chǎn)品還不成熟。目前，一些公司已演示了他們開(kāi)發(fā)的穿地探測(cè)雷達(dá)、手持穿墻成像雷達(dá)、速率114Mbps的同時(shí)傳兩/三路HDTV的通信系統(tǒng)，以及一些高速超寬帶芯片。超寬帶高速WPAN商用產(chǎn)品預(yù)計(jì)于今年年底到明年年初將陸續(xù)推出。
我國(guó)超寬帶無(wú)線技術(shù)的研發(fā)尚處在起步階段，國(guó)家自然科學(xué)基金和“863”計(jì)劃已開(kāi)始支持這方面的研究和開(kāi)發(fā)工作，并已取得了初步進(jìn)展。我國(guó)應(yīng)該提出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超寬帶技術(shù)的理論和技術(shù)成果，以此為支撐制定自主的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推動(dòng)我國(guó)超寬帶產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，以便在激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得應(yīng)有的地位。超寬帶無(wú)線技術(shù)對(duì)我國(guó)通信界既是一個(gè)機(jī)遇，又是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們熱烈企盼國(guó)內(nèi)同行齊心協(xié)力、合作攻關(guān)，為趕超國(guó)際超寬帶無(wú)線技術(shù)的先進(jìn)水平，為我國(guó)新一代無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)化做出我們的努力。
小資料：UWB與Zigbee
對(duì)于藍(lán)牙很多業(yè)內(nèi)人士耳熟目祥。然而從1999年出現(xiàn)以來(lái)，藍(lán)牙一直受芯片價(jià)格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問(wèn)題的困擾。低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求令Zigbee應(yīng)運(yùn)而生，大幅簡(jiǎn)化藍(lán)牙的復(fù)雜規(guī)格，專注于低傳輸應(yīng)用。于是有專家甚至預(yù)言：Zigbee和UWB可能使藍(lán)牙尚未普及即成為歷史。
Zigbee和UWB同時(shí)被看好。不過(guò)，Zigbee與UWB最大的不同是其數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有10KB/s～250kKB/s，專注于低傳輸應(yīng)用；而UWB的傳輸速率則高達(dá)1Gbps，可以用于多媒體信息等高傳輸應(yīng)用。
另外，Zigbee也具有以下特性：
● 功耗低——在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用半年到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
● 成本低——因?yàn)閆igbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，又免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。
● 網(wǎng)絡(luò)容量大——每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，即每個(gè)Zigbee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。
● 時(shí)延短——通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。
● 安全——Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性。
● 有效范圍小——有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，完全可以能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
● 工作頻段靈活——使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。
摘自《計(jì)算機(jī)世界報(bào)》 第38、39期 B4、B5
