本文主要介紹了超寬帶技術(shù)的基本特點(diǎn)，以及超寬帶技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景并分析了超寬帶技術(shù)的管制和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，超寬帶技術(shù)存在的挑戰(zhàn)，最后介紹了超寬帶技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

一、引言

當(dāng)設(shè)計(jì)未來(lái)的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，我們要考慮通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人，任何時(shí)間，任何地點(diǎn)”的連接性。這要求新的無(wú)線世界是現(xiàn)在和未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的綜合，包括WANs，LANs，WPANs以及Ad Hoc和家用局域網(wǎng)，可以連接各種不同的設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)和各種娛樂(lè)設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要新的無(wú)線技術(shù)。

UWB技術(shù)最初是在1960年作為軍用雷達(dá)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，早期主要用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域;1972年UWB脈沖檢測(cè)器申請(qǐng)了美國(guó)專利;1978年出現(xiàn)了最初的UWB通信系統(tǒng);1984年UWB系統(tǒng)成功地進(jìn)行了10公里的試驗(yàn);1990年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃局(DARPA)開(kāi)始對(duì)UWB技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用。

UWB技術(shù)發(fā)展慢的原因主要有:在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開(kāi)發(fā)支持UWB的軟件和硬件;由于UWB使用許多專用頻段，F(xiàn)CC對(duì)UWB技術(shù)的批準(zhǔn)進(jìn)展緩慢;UWB帶來(lái)的干擾問(wèn)題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐;而且，由于UWB技術(shù)可能取代現(xiàn)在使用的所有無(wú)線技術(shù)，包括PAN，WLAN(802.11a，802.11b，802.11g)和無(wú)線WAN(如GPRS，1XRTT)，因此，許多公司會(huì)抵制該技術(shù)的商用。

二、UWB頻譜效率

在短距離通信中，UWB-RT為現(xiàn)在的頻譜管理和無(wú)線系統(tǒng)工程中的多數(shù)問(wèn)題提供了答案。在UWB-RT中，新的方法是共享現(xiàn)有的頻譜，而不是尋求新的頻段。這個(gè)觀點(diǎn)得到US管制局的批準(zhǔn)。歐洲和亞洲也開(kāi)始了這方面的工作，尤其是日本和新加坡。UWB-RT將對(duì)多媒體家用網(wǎng)絡(luò)和娛樂(lè)市場(chǎng)產(chǎn)生很大的沖擊力，它允許實(shí)施智能網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的無(wú)線通信世界。

FCC的最初報(bào)告和工業(yè)界對(duì)UWB設(shè)備的定義是:一種發(fā)射信號(hào)的相對(duì)帶寬大于0.2，或者傳輸時(shí)帶寬至少為500MHz的設(shè)備。相對(duì)帶寬定義為2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分別為-10dB時(shí)的上界頻率和下界頻率。在物理層，UWB通信擴(kuò)展少量的EIRP，根據(jù)FCC的定義，低于0.56mW與其中心頻率相比，穿過(guò)很寬的頻帶。這可以從其功率譜密度中計(jì)算出，在3.01～10.6GHz，為75nW/MHz。UWB的這個(gè)定義不僅有高的時(shí)間分辨率，也有比窄帶系統(tǒng)低的衰落邊際。

UWB設(shè)備可以分為很多類，如圖像系統(tǒng)，車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)，通信，測(cè)量系統(tǒng)等。它們都需要很高的頻譜效率，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，UWB可以使用現(xiàn)有的無(wú)線設(shè)備使用的頻譜，而不會(huì)引起干擾，從而可以更好地利用頻譜。在WBAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間，應(yīng)用Ad Hoc 的概念，如使用多跳路由，UWB設(shè)備可以降低發(fā)射功率和覆蓋范圍，這使得在同樣的區(qū)域內(nèi)，可以有大量的設(shè)備運(yùn)行，極大地增加了頻譜利用率和容量。由于一個(gè)系統(tǒng)的最大傳輸范圍與速率成反比，要在任何時(shí)候，任何地點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，成本會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率增加。因此，短距離無(wú)線系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域很小，基于UWB-RT的技術(shù)，將會(huì)是未來(lái)高空間容量網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)選擇。

三、UWB的優(yōu)點(diǎn)

與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，UWB具有許多優(yōu)點(diǎn)。表1將UWB技術(shù)與其他無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了比較。UWB技術(shù)的特點(diǎn)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。UWB通過(guò)改變脈沖的幅度、間距或者持續(xù)時(shí)間來(lái)傳遞信息。與窄帶收發(fā)信機(jī)和藍(lán)牙收發(fā)信機(jī)相比，UWB不需要產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，可以直接發(fā)射沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，提高頻譜利用率。

UWB不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。UWB信號(hào)的處理也比較簡(jiǎn)單，只需使用很少的射頻或微波器件，射頻設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的頻率自適應(yīng)能力強(qiáng)�？梢詫⒚}沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)芯片上，再加上時(shí)間基和控制器，就可以構(gòu)成一部UWB通信設(shè)備。因此，它的成本可以大大降低。

由于UWB信號(hào)采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，其射頻帶寬可以達(dá)到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號(hào)隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號(hào)之中，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收和識(shí)別，必須采用與發(fā)端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)的安全性。

UWB信號(hào)的衰落比較低，有很強(qiáng)的抗多徑衰落的能力。UWB信號(hào)的高帶寬帶來(lái)了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無(wú)線電信號(hào)發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強(qiáng)的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無(wú)線技術(shù)都高。

由于UWB信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾公里的通信。如此低的發(fā)射功率延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源的使用時(shí)間，非常適合移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用。有研究表明，使用超寬帶的手機(jī)待機(jī)時(shí)間可以達(dá)6個(gè)月，而且低輻射功率可以避免過(guò)量的電磁波輻射對(duì)人體的傷害。

四、UWB-RT的應(yīng)用

隨著UWB-RT商業(yè)化的開(kāi)始用，這項(xiàng)技術(shù)為支持高速應(yīng)用和低速智能設(shè)備的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單的調(diào)制和編碼機(jī)制，在短距離內(nèi)可達(dá)到的信息速率大于100Mb/s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以做一個(gè)折衷。

大量的應(yīng)用場(chǎng)景適合使用UWB，主要包括:高速無(wú)線個(gè)人網(wǎng)(HDR-WPAN);無(wú)線以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL);智能天線區(qū)域網(wǎng)(IWAN);室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(OPPN);傳感器，定位和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)(SPIN)。

前三種情況假定UWB設(shè)備網(wǎng)絡(luò)部署在居民區(qū)或者辦公區(qū)，主要傳送用于娛樂(lè)的無(wú)線視頻/音頻和控制信號(hào)。第四種情況提供室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，而第五種考慮工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。

1. 高速無(wú)線個(gè)人網(wǎng)(HDR-WPAN)

HDR-WPAN定義為:每個(gè)房間的活動(dòng)設(shè)備為5～10，在1～10m范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為100～500Mb/s，主要基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洹Ｊ褂矛F(xiàn)有的有線或者無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)中繼與外部相連。

2.無(wú)線以太網(wǎng)接口鏈路(WEIL)

可以將HDR的概念擴(kuò)展到更高的數(shù)據(jù)速率，如1Gb/s，2.5Gb/s。WEIL應(yīng)該滿足以下需求:從PC廠商方面，需要以太網(wǎng)線的替代品;從消費(fèi)者角度看，在PC和LCD屏之間要求高質(zhì)量的無(wú)線視頻傳輸能力，可以傳無(wú)線數(shù)字視頻。

3.智能天線區(qū)域網(wǎng)(IWAN)

IWAN的特征是:在室內(nèi)或者辦公室等有高密度設(shè)備的地方，覆蓋范圍為30m。設(shè)備的要求是:低成本，低功率消耗，如1～10mw，給用戶提供家庭/辦公室的智能分布網(wǎng)。設(shè)備的功能有:準(zhǔn)確定位，跟蹤，支持環(huán)境敏感的設(shè)備，在當(dāng)前的窄帶短距離網(wǎng)絡(luò)中不太容易實(shí)現(xiàn)。這種情況，無(wú)線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來(lái)發(fā)送報(bào)警、控制信號(hào)，或者遠(yuǎn)程檢查家庭周?chē)鷤鞲衅鞯臓顟B(tài)。

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