UWB超寬帶無線電技術(shù)有那些優(yōu)勢

1.什么是超寬帶無線通信技術(shù)?超寬帶(UWB)技術(shù)是目前備受關(guān)注的一種新型短距離高速無線通信技術(shù)。多年來，這項技術(shù)一直在軍事領(lǐng)域中使用。UWB在民用領(lǐng)域開放后，有望憑借其超高的傳輸速度和低功率、低成本等優(yōu)勢給短距離無線接入市場注入新的活力。2.UWB的特點(diǎn)應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的UWB是一種低功率的無線電技術(shù)。按照2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在向民用領(lǐng)域開放UWB時的定義，超寬帶技術(shù)指的是信號相對帶寬(即信號帶寬與中心頻率之比)不小于0.2或絕對帶寬不小于500 MHz，并使用指定的3.1 GHz～10.6 GHz頻段的通信方式。與其他傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比較，UWB的技術(shù)特點(diǎn)主要有：(1)傳輸速率高??UWB系統(tǒng)使用上千兆赫茲的超寬頻帶，所以即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根據(jù)仙農(nóng)信道容量公式，如使用7 GHz帶寬，那么即使信噪比低至-10 dB，理論信道容量也能達(dá)到1 Gb/s[1]， 因此實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100 Mb/s以上的速率是完全可能的。(2)通信距離短??由于隨著傳播距離的增加高頻信號強(qiáng)度衰減太快，因此使用超寬頻帶的系統(tǒng)更適合于進(jìn)行短距離通信。理論分析表明，當(dāng)收發(fā)機(jī)之間的距離大于12 m時，UWB的信道容量低于傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)。(3)平均發(fā)射功率低??在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通?？勺龅降陀? mW，這是通過犧牲帶寬換取的。FCC規(guī)定UWB的發(fā)送功率譜密度必須低于美國放射噪音規(guī)定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來說相對于其他通信系統(tǒng)UWB信號所產(chǎn)生的干擾僅相當(dāng)于一寬帶白噪聲。所帶來的好處體現(xiàn)在兩方面：一是可使UWB系統(tǒng)與同頻段的現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)保持良好共存性，這對于提高無線頻譜資源的利用率，緩解日益緊張的無線頻譜資源大有好處;二是使得UWB信號隱蔽性好，不易被截獲，保密性高。(4)多徑分辨率極高??由于UWB采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨力都很強(qiáng)，因此系統(tǒng)的多徑分辨率極高(1 ns脈沖的多徑分辨率為30 cm)，接收機(jī)通過分集可以獲得很強(qiáng)的抗衰落能力，同時在進(jìn)行測距、定位、跟蹤時也能達(dá)到更高的精度。值得一提的是，窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透各種障礙物的能力，例如墻壁和地板，因此UWB具有比紅外通信更為廣泛的應(yīng)用。(5)適合于便攜型應(yīng)用??傳統(tǒng)的UWB技術(shù)使用基帶傳輸，無需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào)，由此帶來的好處是設(shè)備的功耗小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無線應(yīng)用。歸根溯源，從頻域上來看，UWB的諸多優(yōu)點(diǎn)來自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的GSM、IS-95、3G等通信系統(tǒng)。因此，UWB的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與傳統(tǒng)的窄帶通信方式有很大差別。3.UWB的應(yīng)用

憑借著短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率這一巨大優(yōu)勢，UWB進(jìn)軍民用市場之初就將其應(yīng)用定位在了無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個域網(wǎng)(WPAN)上。現(xiàn)有的各種無線解決方案(例如3G、802.11、藍(lán)牙等)的速率均低于100 Mb/s，UWB則在10 m左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制。

這樣一種小范圍內(nèi)的通信，特別是高速通信，通常是用有線連接來完成的，而UWB的應(yīng)用將使得人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。家中的臺式電腦不再需要各種線纜分別連接顯示器、打印機(jī)和掃描儀，攝像機(jī)向電視實(shí)時輸送錄像也代之以高速無線連接，這將會給人們的生活帶來極大的便利。

人們也可以用同樣的技術(shù)來幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物里面的人們，甚至防止汽車相撞。類似的應(yīng)用將會層出不窮，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們目前的想象空間。

就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢來推斷，UWB的應(yīng)用將主要集中在以下幾個方面：

1、家居安全/互聯(lián)家居

目前的報警系統(tǒng)需要用戶來激活和停用系統(tǒng)。采用 UWB 之后，用戶將獲得無縫體驗(yàn)。主人不再需要使用鑰匙來開門，或使用觸摸板來解除安全系統(tǒng)報警。當(dāng)主人把智能手機(jī)放在口袋里時，系統(tǒng)就會知道用戶走近或離開家的時間。其他應(yīng)用包括智能遙控和智能手機(jī)，主人只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來啟用正確的功能，遙控器和智能手機(jī)就知道是哪個物體。

2、工業(yè)制造

UWB 可提供精確可靠的物體和人員位置信息，從而提高運(yùn)營效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。工廠可利用 UWB 技術(shù)，在工人接近危險區(qū)域時發(fā)出警告，以提高安全性。如果發(fā)生緊急情況，UWB 可跟蹤是否所有工人均已安全撤離。

UWB 還可用于“數(shù)字孿生”制造應(yīng)用，這些應(yīng)用使用物理對象或工藝的近實(shí)時數(shù)字圖像來優(yōu)化業(yè)務(wù)流程以提升績效。（數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品或資產(chǎn)的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產(chǎn)（如生產(chǎn)機(jī)器、生產(chǎn)線和工廠）的性能、有效性和質(zhì)量。）UWB 標(biāo)簽可跟蹤叉車和工具，以便實(shí)時查看工作進(jìn)展，從而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶頸。

3、汽車工業(yè)

采用 UWB 技術(shù)的密鑰卡可實(shí)現(xiàn)安全通信和距離測量，以防止車輛被盜。UWB 采用飛行時間 （TOF） 概念，并結(jié)合了 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)要求的其他安全措施，是經(jīng)過驗(yàn)證的防中繼攻擊技術(shù)。

4、機(jī)器人

UWB 可以實(shí)現(xiàn)非常精確的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，您可以讓剪草機(jī)自動、高效、精確、安全地割草?；蛘?，可以讓自動導(dǎo)引車 （AGV） 將備件送到裝配線上的特定工作站。個人運(yùn)輸機(jī)器人甚至可以跟著走，搬運(yùn)任何需要移動的重型零件或設(shè)備。

5、運(yùn)動行業(yè)

UWB 具有厘米級精度和低延遲，非常適合進(jìn)行運(yùn)動分析?？梢愿欉\(yùn)動員快速運(yùn)動過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且無需擔(dān)心測量不準(zhǔn)確。UWB 已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項目，幫助防止隊員受傷，提高運(yùn)動員的成績。

6、企業(yè)級

UWB 可實(shí)現(xiàn)可靠的社交距離解決方案，能夠?qū)⒐と税踩\(yùn)送到工作現(xiàn)場。由于其精確性、可靠性和實(shí)時性，UWB 成為企業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。UWB 還可用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進(jìn)出。這不僅便利，而且還提高了醫(yī)院等環(huán)境的安全性。

總之，UWB定位于各種消費(fèi)類電子設(shè)備和終端間的高速無線連接。由于消費(fèi)類電子設(shè)備很多，決定了UWB的應(yīng)用將非常廣泛。
4.超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢超寬帶技術(shù)作為無線個域網(wǎng)的技術(shù)之一，具有很多特點(diǎn)。第一，提高頻段的利用率，超寬帶利用了未被授權(quán)使用的頻段，即3.1-10.6GHz頻段，在不干擾其它無線通信時最大的利用了這段頻段。

第二，傳輸數(shù)率高，根據(jù)香農(nóng)定理，數(shù)據(jù)的最大傳輸率和信號帶寬有如下關(guān)系：

其中，C代表信道容量，BW表示帶寬，傳輸速率和帶寬成正比，因此對于超寬帶系統(tǒng)，具有高數(shù)據(jù)傳輸率的潛能，取決于具體的超寬帶協(xié)議。

第三，超寬帶使用非常靈活，對于不同應(yīng)用領(lǐng)域，有不同的參數(shù)和功能要求，如數(shù)據(jù)率，功耗，傳輸范圍等參數(shù)，通信，定位等功能，超寬帶能夠提供多種應(yīng)用需求而無需額外的硬件資源。

第四，高的時間分辨率，UWB發(fā)射的脈沖極窄，時間分辨率很高，因此在抗多徑效應(yīng)的方面表現(xiàn)優(yōu)異，利用高的時間分辨率特點(diǎn)，應(yīng)用在定位，測距領(lǐng)域時，具有高的定位精度或測距精度。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，使得超寬帶在很多方面都有應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信時，還可應(yīng)用于定位，雷達(dá)，汽車防撞，測距等軍用民用上，因此超寬帶技術(shù)成為了短距離無線通信技術(shù)的有力競爭者。