UWB资料

   UWB技术简介
UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。
虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会（FCC）所定义比中心频率高25％或者是大于1.5G赫兹。很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率（RF）载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。
UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的：用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。
与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。
超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所喜爱，而且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。

UWB：未来的短距离无线技术
今年年初，美国有线新闻网（CNN）公布了2004年最有影响的十大热门技术，超宽带无线技术（UWB）荣登榜首。UWB究竟是何方神圣？
其实，人们对短距离无线传输的需求有增无减，而目前的技术还不能满足这种需求。未来的短距离无线技术需要考虑通信的普遍特性和 “任何人、任何时间、任何地点”的连接性。这要求新的无线通信系统是现在和未来无线系统的综合，包括局域网、无线局域网（wlan）、无线个人局域网（WPAN）、无线个域网（WBAN）、自组织网络(Ad Hoc)和家用局域网，可以连接计算机和各种娱乐设备等，使用户能够管理各种信息，完全接入到各种数据。对各种不同的通信链路比如人-人、人-机、机-人、机-机等，短距离无线技术将起关键的作用。在此需求背景下，基于超宽带的无线技术（UWB）开始商业化，并受到广泛关注。
UWB本来是为军事目的而开发的，而巨大的商机使FCC批准其开始民用化，并将3.1GHz～10.6GHz作为UWB频带。UWB被批准民用后，众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上，在产品研发上展开竞争。
与其他无线通信技术相比，UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等特点。UWB与WiMAX、Wi-Fi一样，都是用于传输无线信号的技术。不过与Wi-Fi解决无线局域网的接入问题和WiMAX解决无线城域网的问题不同，UWB是一种极具竞争力的短距无线传输技术，能以极高速率传送数据，最适合需要高品质服务的高速无线多媒体应用。
在被军方“禁锢”几十年后，UWB走出了“深闺”，立即受到热烈欢迎。经过多年的发展，终于在2004年走上“标准化”之路，距离实际应用越来越近。
超宽带无线传输技术（Ultra-Wideband Radio Technology, 简称UWB-RT或UWB）被美国有线新闻网（CNN）评选为2004年最有影响的十大热门技术之首，这让很多人颇感意外。他们甚至还是第一次听到超宽带（UWB）无线技术这一说法，大部分人还不大了解什么是超宽带？这是什么“秘密武器”，突然冒出来就撷据十大热门技术之首？
什么是超宽带？
目前人们普遍认同美国联邦通信委员会（FCC）关于超宽带设备带宽的规定：-10dB的相对带宽大于0.2或占用带宽大于500MHz。因此对于中心频率高于2.5GHz的超宽带设备和信号，其最小-10dB占用带宽必须大于500MHz，而中心频率低于2.5GHz的超宽带设备和信号，其最小-10dB相对带宽至少为0.2。
超宽带无线技术从信号形式来看，大体可分为两大类：一类是基带窄脉冲形式，窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制，采用时域信号处理方式，这种传输方式在中低速应用时具有系统实现简单、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间分辨率高、具穿透性、不易被截获/检测、隐秘安全等优点，是超宽带技术早期发展首先采用的方式，在很多领域具有广泛的应用前景。
另一类是带通载波调制方式，可以采用不同的无线传输技术，如OFDM、DS-CDMA等，有利于实现高数据速率低功率传输，适用于短距离室内高速率传输的应用，是目前高速多媒体智能家庭/办公室网络应用中的优选技术。
超宽带无线技术优势何在？
● 频带宽，可实现极高速传输和极大的系统空间容量
超宽带系统的工作频带极宽，一般从几百MHz到几个GHz，将来还要向更高带宽发展。信息论告诉我们，通信系统的容量或最大可靠传输速率与所占用的带宽成正比。频带极宽，意味着在一定信/扰比要求下，可实现极高速率的可靠传输；或者在一定传输速率下，可以在很低的信/扰比或信号功率谱密度下实现可靠传输。目前研制的实验超宽带短距系统传输速率已经达到1Gbps以上，其空间通信容量（即每平方米面积可达到的通信容量）是无线局域网、蓝牙等系统的10～1000倍以上。
● 功率低，功耗小
由于UWB可工作在极低的信/扰比门限，因此平均发射功率很低，如工作范围在10米以内，所需功率仅需几十到几百微瓦，其功率谱密度极低，甚至低于环境噪声以下。这样的信号极难被非授权方所截获或检测，具有极强的隐秘安全性。同时，这样的信号也不会对其他系统产生不良的干扰，可以与之共享频带，实现共存，使稀缺的频谱资源得到最大限度的利用，这是超宽带技术受到重视的一个很重要的原因。
功率低又意味着低功耗，特别有利于用电池供电的手持式通信设备，使其不充电工作时间大大增加，甚至可达一年至几年。低功率的另一个重要好处是大大降低了对人体的有害辐射，成为真正的“绿色”手持设备。
● 脉冲宽度极短，定位精度极高，抗多径能力和多径分辨力强
超宽带脉冲系统一般工作在亚纳秒级（<1ns），具有厘米级的距离分辨率，特别有利于雷达、定位和有定位功能的综合移动通信业务。
宽度极短的脉冲信息又具有天然的抗多经分辨力，抗多径能力强，从而在各种无线环境中具有优越的传输性能。
● 具有穿透性
超宽带脉冲信号含有丰富的低频分量，因而具有很强的穿透地表面、墙壁和其他物体的能力，可应用于需要穿透物体进行成像、检测、监视、测量和通信的场景。
● 实现结构简单、成本低
超宽带系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的，射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单，容易实现全数字化的结构，因而可以大大降低成本。
● 结构通用
超宽带通信、雷达、成像和定位系统可采用通用的硬件结构和工作频段，通过软件改变其功能，便于用软件无线电技术实现，具有很大的灵活性和经济性。
超宽带无线技术主要用在哪儿？
2002年4月，FCC公布了超宽带设备在三类民用领域应用的初步规范，规定了工作频段、功率限制、开放范围和使用对象。限定的三类民用超宽带设备为:成像系统，包括透地探测雷达（GPRS）、墙内、穿墙和医用成像以及监视设备；车辆雷达系统；通信和测量系统。这些设备的功率和频谱都受到严格的限制，只能作用于短距离、小范围。但FCC指出，今后经过更充分的测试和研究，有可能有条件地逐步放宽对超宽带设备应用的限制。相信更多新的超宽带应用领域将会出现，造福于社会进步和人类的幸福生活。
超宽带技术在下列应用领域已显现出或估计会有很大的发展潜力：
● 短距离（10米以内）高速无线多媒体智能家域网/个域网。在家庭和办公室中，各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用超宽带无线技术，在小范围内动态（即需即用）地组成分布式自组织（Ad Hoc）网络，协同工作，相互连接，传送高速多媒体数据，并可通过宽带网关，接入高速互联网或其他宽带网络。这一领域将融合计算机、通信和消费娱乐业，被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。
● 智能交通系统。超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。
● 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。
● 传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用于对各种对象（人和物）进行检测、识别、控制和通信。
UWB从军用起步
当今的无线技术几乎全部采用信息对正弦载波调制的带通传输方式，但早在1942年和1945年，De Rose 和 Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。但因二战和机密原因，被美国政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后学术界逐渐认识到用做无线传输和雷达的信号，并不一定必须具有近似正弦函数的波形。脉冲信号在科研、仪器和检测领域从20世纪60年代开始应用，并在70年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注，应用到雷达高精度测距和测角。
在20世纪80年代，通信领域的研究人员开始研制超宽带脉冲无线通信系统，但其性能和成本受到当时技术条件的限制，未能得到快速发展和广泛应用。随着集成电路技术按摩尔定律的发展，每一年半速度和密度提高一倍，成本下降一半，到20世纪90年代中期使超宽带无线技术进入民用领域成为可能。它具有的优越性日益受到重视。1994年美国政府批准第一个非保密超宽带通信系统项目，促进了超宽带技术和系统的研发，但仍停留在实验室里，因为FCC没有批准超宽带设备的商业应用。但这一期间，消费者对访问网络和宽带多媒体信息获取的需求却有爆炸性的增长，超出了可用的无线系统传输能力。
1996年，无线产业界讨论各种小范围无线网标准的方案，包括IEEE 802.11、蓝牙、Home RF、IEEE 802.15等。由于缺乏国际通用的可用频率，这些标准都工作在2.4GHz“ISM”免授权频段，难免互相干扰，而且都不能传输如HDTV等市场需要的高速宽带多媒体业务。这使得业界不得不去寻求更好的无线技术，超宽带技术就成为最佳选择。
在此情况下，为探索超宽带技术在民用领域应用的可行性，1998年9月FCC公开向各界就开放超宽带技术应用征求意见（Notice of Inquiry）;2000年6月，FCC又发布制定相关规定的建议（Notice of Proposed Rule Making）;2002年2月，FCC通过了超宽带设备商业应用的初步规范（First Report and Order），同年4月正式公布了此规范。2003年2月，FCC又对该规范进行了确认，局部放宽了对成像系统频带的限制，并称在今后一年半内继续探讨和完善超宽带技术，并有可能进一步放宽超宽带技术应用标准方面的限制。
两种标准方案与多方竞争格局形成
目前美、欧有关标准化组织，如IEEE 802、ETSI等正在进行超宽带技术的标准化工作。其中IEEE 802.15 TG3a关于超宽带技术应用于高速无线个域网（WPAN）低层协议的标准化工作成为全球业界关注的焦点。那些超宽带技术的先创者们努力想把他们的技术变成IEEE802.15.3a高速WPAN物理层的基础。目前主要集中在两种方案的竞争中。以Intel、TI为首的多带OFDM联盟（MBOA）所提出的多带OFDM方案目前拥有多数支持者；而以Motorola为首的一些公司支持DS-CDMA方案，他们已开发出芯片，正在被一些开发商试用中。目前标准制定处于两种标准僵持不下的状态。
惠普、摩托罗拉等在无线网络、消费电子、微电子和超宽带技术方面处于领先的九个业界巨头于2002年9月成立了WiMedia联盟（目前其成员已大大增加，包括Intel等MBOA的很多成员），致力于开发和采纳基于标准的、连接高速数据和多媒体设备的WPAN规范的制定。Wi Media对标准的态度将会对标准方案的选定起重要作用。
另外IEEE 802.15 TG4a也于2004年3月成立，开始进行超宽带技术应用于低速无线个域网（WPAN）低层协议的标准化工作，目标是低速、超低功率、低成本的通信和高精度测距/定位设备。
与此同时，欧洲、日本等国的研究机构、大学和企业也不甘落后，纷纷启动了超宽带领域的一系列研究项目，一个波澜壮阔的超宽带技术的研发热潮正在世界范围内兴起。超宽带通信、雷达、成像和监视设备在军事上的应用已有十几年的历史，但商用产品还不成熟。目前，一些公司已演示了他们开发的穿地探测雷达、手持穿墙成像雷达、速率114Mbps的同时传两/三路HDTV的通信系统，以及一些高速超宽带芯片。超宽带高速WPAN商用产品预计于今年年底到明年年初将陆续推出。
我国超宽带无线技术的研发尚处在起步阶段，国家自然科学基金和“863”计划已开始支持这方面的研究和开发工作，并已取得了初步进展。我国应该提出有自主知识产权的超宽带技术的理论和技术成果，以此为支撑制定自主的相关标准和规范，推动我国超宽带产业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。超宽带无线技术对我国通信界既是一个机遇，又是一个挑战。我们热烈企盼国内同行齐心协力、合作攻关，为赶超国际超宽带无线技术的先进水平，为我国新一代无线通信产业化做出我们的努力。
小资料：UWB与Zigbee
对于蓝牙很多业内人士耳熟目祥。然而从1999年出现以来，蓝牙一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。于是有专家甚至预言：Zigbee和UWB可能使蓝牙尚未普及即成为历史。
Zigbee和UWB同时被看好。不过，Zigbee与UWB最大的不同是其数据传输速率低，只有10KB/s～250kKB/s，专注于低传输应用；而UWB的传输速率则高达1Gbps，可以用于多媒体信息等高传输应用。
另外，Zigbee也具有以下特性：
● 功耗低——在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用半年到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
● 成本低——因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，又免收专利费，所以大大降低了成本。
● 网络容量大——每个Zigbee网络最多可支持255个设备，即每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。
● 时延短——通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
● 安全——Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。
● 有效范围小——有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，完全可以能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
● 工作频段灵活——使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。
5年前，超宽带技术在实验室里被证明可以从军用转为民用；2年前，FCC(美国无线电管理委员会)正式宣布为民用超宽带(Ultra-wideband，以下简称UWB)开放频谱；今天，采用UWB技术的家庭影音产品已经在多个家电厂商中亮相，所有主流芯片厂商都在开发自己的UWB产品，其中有些已经进入了批量生产阶段。面对那些曾经怀疑超宽带技术前途的言论，UWB无疑已经证明了自己，即使至今为止仍然没有一个公认的行业标准。
更高的速度
是什么使UWB得以成功迈向商业化？首先是由于它不断提高的传输速度。目前UWB的实验室速度已经由过去的每秒110Mbps提升到了500Mbps，当然这必须在10米以内才能实现。不久以后，UWB的传输速度将提高到每秒1Gbps，届时传输一部DVD影片只需要不到2秒钟。按照厂商们的设想，UWB芯片将被植入数字电视、机顶盒、数码相机、MP3播放器、PC等电子设备中，在近距离内实现数据的高速传输。
在最近举行的2004无线网络大会上，包括飞思卡尔(原摩托罗拉半导体部门)、英特尔、Staccato、三菱电机在内的厂商均对UWB技术的发展前景表示乐观，这种能在近距离实现高速传输的无线宽带技术被认为将广泛应用于家庭网络、办公室以及个人局域网。“Wi-Fi、WiMAX、UWB、蓝牙、RFID……现在，所有这些新技术可以让更多的人以最适合他们的方式享受宽带。”电讯盈科科技创新首席副总裁吴凉泰博士认为，整个无线市场正面临进一步细分，“你可以选择在家里用UWB，在酒店和写字楼用Wi-Fi或WiMAX，同时还可以保留你的蓝牙耳机。”
除了速度，UWB受到青睐的另一个原因是低功耗带来的低成本。由于UWB采用冲激脉冲作为无线通信的新载体，即用极窄脉冲直接激励天线，这使得它比其它采用载波方式的无线技术发射功率要低得多。此外，UWB还具备宽广的频谱选择范围，它的工作频段从3.1GHz到10.6GHz，而Wi-Fi和蓝牙只能在2.4GHz频段工作。UWB的另一个特点是极强的穿透力，你不用担心信号会被家具或其它什么遮挡。在这一点上，UWB甚至比红外线做得更好。
应用先于标准
至今为止关于UWB有两套解决方案：一种是摩托罗拉的DS-CDMA单频带方式，最先倡导这一方案的XtremeSpectrum在2003年底被摩托罗拉收购，摩托罗拉还发起成立了UWB论坛(UWB Forum)尽力推动自己的UWB方案；另一种选择是由英特尔、德州仪器等公司共同提出的多频带方式，2004年1月，包括英特尔、德州仪器在内的超过50家公司成立了OFDM联盟(MBOA)，目前旗下已经有170多家成员。从2003年7月至今，ITU(国际电联)相继为UWB标准问题召开数次会议，但无论是摩托罗拉还是MBOA都没有获得75%以上的赞成票，因此UWB的标准一直悬而未决。
业内分析人士认为，由于UWB的主要应用领域是家庭网络，而这种新功能的添加对于家电厂商来说驱动力并不是很强，“目前还很难说具备UWB功能的产品会为家电厂商带来多少利润增长。”因此，说服更多家电厂商采用自己的标准方案就成为双方共同争取的目标，为此，德州仪器已经宣布将努力把UWB芯片的价格下降到蓝牙芯片之下，而摩托罗拉则决定向中国UWB论坛的成员提供免专利费的授权。MBOA方面还宣布，未来将以UWB作为物理层技术开发无线USB等产品。
虽然在支持厂商数量上MBOA一直占有优势，不过在产品商业化方面摩托罗拉却逐渐占得了先机。2004年8月，飞思卡尔的UWB芯片获得了FCC的认证得以正式上市，目前飞思卡尔已经开始批量生产第2代XtremeSpectrum芯片，而MBOA方面则直到2004年4月才生产出样片。据飞思卡尔UWB全球营运总监Martin Rofheart介绍，按照计划，飞思卡尔将在两年后将UWB芯片的速度提升到每秒500Mbps，而到2006年将实现每秒1Gbps的高速传输。美国已决定在2005年全部采用数字高清信号播出电视节目，未来还将有越来越多的国家抛弃模拟信号转向数字信号，这无疑为应用UWB技术提供了绝好的环境。Martin Rofheart乐观的认为，标准问题并不会让UWB失去市场机会，“已经有不少家电厂商选择了UWB技术。”
在2004年初举行的CES大展上，三星和东芝分别展示了用UWB来传输高清电视信号。在9月的中国UWB论坛上，中国企业海尔也展出了应用UWB的高清电视。海尔公司研发总监李莉称，海尔网络家庭将采用UWB技术，目前已推出了能无线连接的数码摄录机和等离子电视。康佳研究院的袁洪博士也表示：“UWB在未来家庭多媒体应用中很有市场，康佳也密切关注这个新技术的发展。”据Martin Rofheart透露，目前飞思卡尔已经和海尔、长虹、TCL达成了合作意向，“我们非常看好UWB在中国的商用前景。”
复杂的竞争
目前UWB最大的竞争对手仍然是Wi-Fi。在美国，最新的802.11n技术已经将Wi-Fi的现有传输速度提高了10倍达到500Mbps，并且它主要的应用领域同样是家庭和办公室，这一切都和UWB有些撞车。尽管在成本方面UWB仍然占据优势，但Wi-Fi已经赢得了更多厂商的支持，众所周知，仅仅英特尔的迅驰芯片就已经达到了惊人的出货量。另一方面，迅速兴起的WiMAX同样威胁着UWB。在2004无线网络大会上，英特尔通讯产品市场总监Lonnie McAlister表达了对WiMAX的全力支持，“9月我们已经完成了WiMAX芯片样品，相信它将和Wi-Fi取得同样的成功。”WiMAX能在50公里内实现最高70Mbps的无线数据传输，这个距离大大超过了UWB和Wi-Fi，当然，部署网络的成本也要高得多。
就像UWB两大阵营在争夺应用一样，多种无线技术同样在争夺市场，而中国正是厂商们心目中最庞大的市场。据信产部无线电管理局副局长谢远生透露，中国对UWB的研究虽然从2003年10月才开始，但应用进展很快，目前正在论证相关频段内UWB与现有无线电业务的电磁兼容。
令人振奋的是，由信产部组织的相关试验结果显示，除了对GSM室内通话和多个TD-SCDMA设备兼容效果不够理想外，UWB与大部分公众通信都可以实现良好的电磁兼容。在卫星广播等其它方面，监管部门正试图提供频谱规划来解决这一问题，这也是美国、欧盟和日本等国家和地区为UWB放开频段所采用的一致办法。