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UWB的特點及在短距離無線通信中的應用前景
摘要：UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術，本文介紹UWB的主要特點及相關應用，詳細比較了UWB通信與IEEE802.11、Bluetooth和HomeRF等現(xiàn)有短距離無線通信的異同，并對UWB在家庭無線通信網(wǎng)中的應用前景進行了分析和展望。關鍵詞：UWB IEEE802.11 Bluetooth HomeRF
超寬帶（Ultra-wideband,UWB）技術起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術在雷達等通信設備中使用。隨著無線通信的飛速發(fā)展，人們對高速無線通信提出了更高的要求，超宛帶技術又被重新提出，并倍受關注。UWB是指信號帶寬大于500MHz或者是信號帶寬與中心頻率之比大于25%。與常見的通信方式使用連續(xù)的載波不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續(xù)的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間。這些脈沖所占用的帶寬甚至高達幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾百Mbps。在高速通信的同時，UWB設備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設備的幾百分之一，對于普通的非UWB接收機來說近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無線電設備共享帶寬。所以，UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式，它有望在無線通信領域得到廣泛的應用。目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在進行UWB無線設備的開發(fā)和推廣。
1 UWB的主要特點及其應用
鑒于UWB信號是持續(xù)時間非常短的脈沖串，占用帶寬大，因此它有一些十分獨特的優(yōu)點和用途。在通信領域，UWB可以提供高速率的無線通信。在雷達方面，UWB雷達具有高分辨力（ns級）。當前的隱身技術采用的是隱射涂料和隱身特殊結(jié)構(gòu)，但都只能在一個不大的頻帶內(nèi)有效，在超寬頻帶內(nèi)，目標就會原形畢露。UWB雷達還具有很強的穿透能力，UWB信號能穿透樹葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì)，因此軍事上UWB雷達可用來探測地雷，民用上可以查找地下金屬管道、探測高速公路地基等。在定位方面，UWB可以提供很高的定位精度。UWB使用極微弱的同步脈沖可以辨別出隱藏的物體或墻體后運動著的物體，定位誤差只有一兩厘米。也就是說，同一個UWB設備可以實現(xiàn)通信、雷達和定位三大功能。
UWB無線通信除了帶寬大，通信速率高之外，還有更多的優(yōu)點。首先，UWB通信的保密性強。UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點在軍事通信上有很大的應用前景。其次，UWB通信采用調(diào)時序列，能夠抗多徑衰落。多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點信號幅度隨機變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點適合于高速移動環(huán)境下使用。更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復雜性，降低成本�？梢哉f，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人類所期望的夢幻般的無線通信方式。
當然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很大，UWB系統(tǒng)可能會干擾現(xiàn)其他無線通信系統(tǒng)，因此UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學者認為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是由于它的脈沖持續(xù)時間很短，它的瞬時功率峰值可能會很大，這甚至會影響到民航等許多系統(tǒng)的正常工作。但是學術界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和使用，2002年2月美國通信協(xié)會（FCC）批準了UWB用于短距離無線通信的申請。
UWB的用途有很少，主要分為軍事和民用兩個方面。在軍事上UWB可以用于低截獲率（LPI/D）的內(nèi)部無線通信系統(tǒng)、LPI/D地波通信、LPI/D高度計、戰(zhàn)場手持和網(wǎng)絡LPI/D電臺、UWB雷達、防撞雷達、警戒雷達、無線標簽、接近引信、高精度定位系統(tǒng)、無人駕駛飛行器和地面戰(zhàn)車及其通信鏈路、探測地雷、檢測地址目標等等。在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速無線局域網(wǎng)、高度計、民航防撞雷達、汽車防撞感應器、高精度定位、無線標簽和工業(yè)射頻監(jiān)控等。
2 UWB通信與其它短距離無線通信的比較
UWB技術與現(xiàn)有其它無線通信技術有著很大的不同，它將會為無線局域網(wǎng)（LAN）和個人局域網(wǎng)（PAN）的接入帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的解決方案。超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線電技術多年的諸如信道衰落、高速率時系統(tǒng)復雜、成本高和功耗大等重大難題，但是UWB通信不會很快取代現(xiàn)有的其它無線通信技術。
雖然UWB通信中所須的頻帶寬度相當大，從500MHz直至幾GHz。如英特爾的樣機使用的就是從2GHz頻帶至6GHz頻帶之間的4GHz帶寬。但實際上并不存在如此之寬的空閑頻帶，無論采取什么辦法，UWB通信使用的頻帶與現(xiàn)有無線通信使用的頻帶必定會發(fā)生重疊，為了避免UWB通信對其它系統(tǒng)的干擾，UWB用戶人事科有必須申請頻率許可。2002年2月FCC準許UWB技術進入民用領域的條件就是：“在發(fā)送功率低于美國放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1GHz～10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進行測躡和無線數(shù)據(jù)通信"。發(fā)射功率的大小決定了傳輸距離，按照FCC的規(guī)定，UWB通信在近期內(nèi)將只可能用于極短距離的無線通信，這就意味著在一定時期內(nèi)UWB將會與現(xiàn)有短距離無線技術共同生存，共同發(fā)展。
（1）UWB與IEEE802.11a
IEEE802.11a是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準之一，它主要用來解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，工作在5GHzU-NII頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。采用正交頻分復用（OFDM）擴頻技術；可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時的通信距離可以達到100m，而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信。根據(jù)英特爾照FCC的規(guī)定而進行的演示結(jié)果顯示，對于10m以內(nèi)的距離，UWB可以發(fā)揮出高達數(shù)百Mbps的傳輸性能，但是在20m處反倒是IEEE802.11a/b的無線局域網(wǎng)網(wǎng)設備更好一些。因此在目前UWB發(fā)射功率受限的情況下，UWB只能用于10m以內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通信，而10m到100m的無線局域網(wǎng)通信，還需要由802.11來完成，當然與UWB相比，802.11的功耗大，傳輸速率低。
（2）UWB與Bluetooth
自從2002年2月14日，F(xiàn)CC頂住多方面的壓力批準UWB用于無線通信以來，就不斷有人將UWB評論為藍牙（Bluetooth）的殺手，因為從性能價格比上看，Bluetooth是現(xiàn)有無線通信方式中最接近UWB的，但是UWB真的會取代Bluetooth嗎？從目前的情況看，答案是否定的。首先從應用領域來看，Bluetooth工作在無須申請的2.4GHz ISM頻段上，主要用來連接打印機、筆記本電腦等辦公設備。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距離可以達到10m以上。而UWB的通信速率在幾百Mbps，通信距離僅有幾米，因此二者的應用領域不盡相同。其次，從技術上看，經(jīng)過多年的發(fā)展，Bluetooth已經(jīng)具有較完善的通信協(xié)議。Bluetooth的核心協(xié)議包括物理層協(xié)議和鏈路接入?yún)f(xié)議，鏈路管理協(xié)議及服務發(fā)展協(xié)議等等，而UWB的工業(yè)實用協(xié)議還在制定中，估計要等到2004年才可能初步確定。還有，Bluetooth是一種短距離無線連接技術標準的代稱，藍牙的實質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準，從這方面講，UWB可以看作是采用一種特殊無線電波來高速傳送數(shù)據(jù)的通信方式，嚴格地講，它不能構(gòu)成一個完整的通信協(xié)議或標準�？紤]到UWB高速、低功耗的特點，也許在下一代Bluetooth標準中，UWB可能被用做物理層的通信方式。最后，從市場角度分析，藍牙產(chǎn)品已經(jīng)成熟并得到推廣和使用，而UWB的研究還處在起步階段�；谝陨显�，在未來的幾年內(nèi)，UWB和Bluetooth更有可能既是競爭對手，又是合作朋友。
（3）UWB與HomeRF
家庭射頻（HomeRF）標準是由HomeRF工作組開發(fā)的，旨在家庭范圍內(nèi)，使計算機與其他電子設備之間實現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標準。HomeRF是IEEE802.11與DECT的結(jié)合，使用這種技術能降低語音數(shù)據(jù)成本。HomeRF采用了擴頻技術，工作在2.4GHz頻帶，能同步支持4條高質(zhì)量語音信道，但是HomeRF的傳輸速率只有1M～2Mbps。由于HomeRF技術沒有完全公開，目前只有幾十家小企業(yè)支持，在抗干擾等方面相對應其他技術而言尚有欠缺，因此它的應用前景還不是十分明朗。同IEEE802.11一樣，HomeRF的通信距離比UWB遠，而傳輸速率比UWB低，在UWB發(fā)射功率受限的前提下，二者應該是各有千秋。
結(jié)合上述討論，可以用表1對四種短距離無線通信做個簡單的比較。
表1 4種短距離無線通信比較
網(wǎng)關 主要支持公司 Cisco,Lucent,3Com Ericsson,Nokia Motorola Apple,Dell Compaq Intel,Motorola,Sony,Sharp
3 家庭無線通信是UWB的發(fā)展方向之一
雖然無線通信網(wǎng)已經(jīng)在企業(yè)和公共場所得到推廣和應用，但是這些現(xiàn)有技術很難為家庭多媒體網(wǎng)絡無線互連提供一個合適的方案。按照傳統(tǒng)的無線電設計方法，如果要提高通信速率，必須要提高數(shù)字信號處理器的處理速度，這勢必要增加系統(tǒng)的成本和功耗，高速率的無線產(chǎn)品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭無線通信網(wǎng)有一些特殊的要求。首先，為了滿足無線數(shù)字視頻的要求，家庭無線互連產(chǎn)品需要更高的通信速率，以無線高清晰數(shù)字電視（WHDTV）為例，如果采用MPFG2HD數(shù)據(jù)格式，則視頻數(shù)據(jù)流的速率高達25Mbps；其次，要想家庭無線通信產(chǎn)品走向千家萬戶，系統(tǒng)成本必須很低，市場調(diào)查表明，如果無線產(chǎn)品的價格比同類有線產(chǎn)品的價格高出30%，將很難被眾多的消費者所接受；還有，家庭無線通信產(chǎn)品中用到嵌入式網(wǎng)關和小型手持設備往往是電池供電，因此它們的功耗必須很低。也就是說，家庭無線通信產(chǎn)品必須具備高速率、低成本和低功耗三個優(yōu)點，按照傳統(tǒng)的無線電設計方案，無法在速率、成本和功耗這三者之間找到一個合適的平衡點。
IEEE802.11a是現(xiàn)有無線通信標準中，唯一能在通信速率上滿足無線視頻數(shù)據(jù)流實時傳送要求的。它的最高速率是54Mbps，有效速率是25Mbps，考慮到MAC接入?yún)f(xié)議，實現(xiàn)傳送數(shù)據(jù)流的速率還要更低一些。然而，IEEE802.11a是按照與Ethernet接入相類似的分組方式設計的，因此它不太適合用于實時傳輸視頻數(shù)據(jù)流。還有，IEEE802.11a的功耗大概在1.5W到2W之間，因此綜不能用于電池供電的小型設備。更重要的是，一個IEEE802.11a網(wǎng)絡接入卡（NIC）售價大概是150～200美元，這樣的價格很難被家庭消費者所接受。因此IEEE802.11a更適合于用在對價格和功耗要求不是很高的公用無線局域網(wǎng)里，況且當時IEEE專家設計IEEE802.11a時也根本沒有考慮過將它用在家庭無線通信網(wǎng)上。
目前，現(xiàn)有技術中被認為最有可能進入家庭無線通信互連的是Bluetooth，因為在價格和功耗上它很有競爭力，然而，Bluetooth的傳輸速率不到1Mbps，極限速率也只有10Mbps。按照這樣的速率計算，如果用Bluetooth來傳送一部兩小時的電影可能需要10個小時，這顯然不能被用戶所接受。20多年前，F(xiàn)CC提出Bluetooth標準時，僅僅是希望將它用在無線耳機上，經(jīng)過20多年的努力，Bluetooth已經(jīng)發(fā)展成為最主要的低速率的點到點無線通信技術。利用Bluetooth，可以很好地實現(xiàn)筆記本電腦、PDA、移動電話等設備之間的低速率數(shù)據(jù)通信，但是FCC從來沒有考慮過將Bluetooth發(fā)展成為高速率數(shù)據(jù)通信或者是無線網(wǎng)絡互連技術，從這一點來講Bluetooth也很難進入家庭無線網(wǎng)。
HomeRF是專門為家庭無線互連提出的，它可以很好的實現(xiàn)計算機、打印機、MP3以及其它家用電器之間語音和數(shù)據(jù)的通信和互連，但是，HomeRF的有效傳輸速率只有2Mbps，工作在10Mbps以上將嚴重影響它的性能，這就決定了它不可能進入無線HDTV，視頻游戲等寬帶家庭無線通信領域。更重要的是HomeRF的技術還不成熟，HomeRF標準缺少Intel等大公司的支持，它的推廣和應用前景并不被業(yè)界看好。
與傳統(tǒng)的無線電設計方法不同，UWB是高速、低成本和低功耗的無線通信方式，因此它可以滿足家庭無線電消費市場的需求。盡管UWB的通信距離很短，使得它不能像其它一些無線通信方式那樣一點接入寬帶網(wǎng)絡，從而使整個家庭構(gòu)成一個總線型的網(wǎng)絡，但是UWB本身的帶寬很寬，在接入上一級網(wǎng)絡的同時，UWB還可以作為下一級網(wǎng)絡的網(wǎng)關，從而使得整個家庭組成一個星型網(wǎng)絡。從網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)來說，星型網(wǎng)絡可能更有效，更可靠。
隨著消費電子的高速發(fā)展，數(shù)字電視、音頻和視頻接收機、DVD、卡拉OK、MP3播放器和數(shù)碼相機等娛樂設備必將進入千家萬戶�？梢韵胂�，在不久的將來，采用UWB技術，無須架設電纜，僅僅需要小小的網(wǎng)關和收發(fā)器，就可以組建一個真正的無線家庭劇院。根據(jù)市場調(diào)查，整個美國的家庭無線網(wǎng)絡市場在2004年將達到35億美元，2006年將達到49億美元，而中國和亞洲的市場潛力更大。市場分析表明，除了無線局域網(wǎng)和藍牙等產(chǎn)品已經(jīng)占領和即將占鄰的部分市場外，還有很大一部分的家庭無線通信市場尚未開發(fā)，這意味著UWB將會在家庭無線通信領域大有作為。目前，眾多的OEM生產(chǎn)商正盼著UWB通信標準和相關產(chǎn)品早日成熟并投入實用。
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