超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.什么是超寬帶無(wú)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(wú)線通信技術(shù)。多年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)一直在軍事領(lǐng)域中使用。UWB在民用領(lǐng)域開(kāi)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(shì)給短距離無(wú)線接入市場(chǎng)注入新的活力。

2.UWB的特點(diǎn)

應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域的UWB是一種低功率的無(wú)線電技術(shù)。按照2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）在向民用領(lǐng)域開(kāi)放UWB時(shí)的定義，超寬帶技術(shù)指的是信號(hào)相對(duì)帶寬（即信號(hào)帶寬與中心頻率之比）不小于0.2或絕對(duì)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(wú)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(hào)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(hào)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(shí)，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)射功率通常可做到低于1 mW，這是通過(guò)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(guó)放射噪音規(guī)定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來(lái)說(shuō)相對(duì)于其他通信系統(tǒng)UWB信號(hào)所產(chǎn)生的干擾僅相當(dāng)于一寬帶白噪聲。所帶來(lái)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(duì)于提高無(wú)線頻譜資源的利用率，緩解日益緊張的無(wú)線頻譜資源大有好處;二是使得UWB信號(hào)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(shí)間極短的窄脈沖，其時(shí)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(guò)分集可以獲得很強(qiáng)的抗衰落能力，同時(shí)在進(jìn)行測(cè)距、定位、跟蹤時(shí)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(wú)需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào)，由此帶來(lái)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(wú)線應(yīng)用。

歸根溯源，從頻域上來(lái)看，UWB的諸多優(yōu)點(diǎn)來(lái)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(shì)，UWB進(jìn)軍民用市場(chǎng)之初就將其應(yīng)用定位在了無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）上?，F(xiàn)有的各種無(wú)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(lái)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(tái)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(shí)輸送錄像也代之以高速無(wú)線連接，這將會(huì)給人們的生活帶來(lái)極大的便利。

人們也可以用同樣的技術(shù)來(lái)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(chē)相撞。類似的應(yīng)用將會(huì)層出不窮，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人們目前的想象空間。

就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)推斷，UWB的應(yīng)用將主要集中在以下幾個(gè)方面：

1、家居安全/互聯(lián)家居

目前的報(bào)警系統(tǒng)需要用戶來(lái)激活和停用系統(tǒng)。采用 UWB 之后，用戶將獲得無(wú)縫體驗(yàn)。主人不再需要使用鑰匙來(lái)開(kāi)門(mén)，或使用觸摸板來(lái)解除安全系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)主人把智能手機(jī)放在口袋里時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)知道用戶走近或離開(kāi)家的時(shí)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(lái)啟用正確的功能，遙控器和智能手機(jī)就知道是哪個(gè)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(yíng)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(xiǎn)區(qū)域時(shí)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(duì)象或工藝的近實(shí)時(shí)數(shù)字圖像來(lái)優(yōu)化業(yè)務(wù)流程以提升績(jī)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(chē)和工具，以便實(shí)時(shí)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(chē)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(cè)量，以防止車(chē)輛被盜。UWB 采用飛行時(shí)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(guò)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(dòng)、高效、精確、安全地割草?；蛘?，可以讓自動(dòng)導(dǎo)引車(chē) （AGV） 將備件送到裝配線上的特定工作站。個(gè)人運(yùn)輸機(jī)器人甚至可以跟著走，搬運(yùn)任何需要移動(dòng)的重型零件或設(shè)備。

5、運(yùn)動(dòng)行業(yè)

UWB 具有厘米級(jí)精度和低延遲，非常適合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析?？梢愿欉\(yùn)動(dòng)員快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并且無(wú)需擔(dān)心測(cè)量不準(zhǔn)確。UWB 已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項(xiàng)目，幫助防止隊(duì)員受傷，提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

6、企業(yè)級(jí)

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(chǎng)。由于其精確性、可靠性和實(shí)時(shí)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(mén)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(wú)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(shì)

超寬帶技術(shù)作為無(wú)線個(gè)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(wú)線通信時(shí)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(hào)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(duì)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(duì)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(wú)需額外的硬件資源。

第四，高的時(shí)間分辨率，UWB發(fā)射的脈沖極窄，時(shí)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(shí)間分辨率特點(diǎn)，應(yīng)用在定位，測(cè)距領(lǐng)域時(shí)，具有高的定位精度或測(cè)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(shí)，還可應(yīng)用于定位，雷達(dá)，汽車(chē)防撞，測(cè)距等軍用民用上，因此超寬帶技術(shù)成為了短距離無(wú)線通信技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者?！　?/p>