超寬帶（UWB）技術為擁擠的無線電頻譜帶來了新的應用理念，其創新的使用模式和用有線鏈接無法實現的產品特性正在吸引著全球的目光。這種短距離的傳輸技術具有耗電量低、安全性高、高速傳輸、不易產生干擾、低成本的芯片結構等優點，更重要的是他可以幫助家庭和辦公室中的各種信息設備擺脫有線的束縛而實現互聯互通。目前，許多國家正在致力于超寬帶技術的研究開發，盡管還沒有成熟產品進入市場消費階段，但將推動超寬帶與大部分消費電子、移動設備和個人電腦的連接嵌入。UWB技術在1994年以前主要限于軍方使用，限制了UWB的軟件和硬件開發。由于UMB使用許多專用頻段，美國聯邦通信委員會（FCC）直到2001年才正式開放UWB技術的廣泛研究，此后全球對UWB的研究進入高速探討階段。

1 UWB頻譜效率

一種發射信號的相對帶寬大于0.2，或者傳輸時帶寬至少為500 MHz的設備才能算超寬帶。相對帶寬定義為2（fH-fL）／（fH+fL），其中fH，fL分別為-10 dB時的上界頻率和下界頻率。在物理層，UWB通信擴展少量的等效全向輻射功率（EIRP），根據FCC的定義，低于0.56 mW，與其中心頻率相比，穿過很寬的頻帶。這可以從其功率譜密度中計算出，在3.01～10.6 GHz，為75 nW／MHz。UWB的這個定義不僅有高的時間分辨率，也有比窄帶系統低的衰落邊際。

UWB是新一代的無線電通信技術，其中心頻率達到500 MHz。按照FCC的規定3.1～10.6 GHz之間的7.5 GHz的帶寬頻率都將作為通信設備所使用的頻率范圍。UWB之所以擁有如此大的帶寬，是因為UWB是與手機和無線LAN等現有無線通信完全不同的調制方式。現有的無線通信使用不同的載波頻率把信號調制到不同的頻帶上，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，他使用“脈沖”信號進行信息傳輸。所謂脈沖信號，就是指產生和消失時間極其短暫的瞬間信號，其產生和消失時間僅為數百微秒至數納秒以下。如果將這種脈沖按傳統的傅里葉分析，則可以將其分解成多種頻率的正弦波（每一種正弦波的能量不同）。如果減小脈沖的寬度，那么頻帶寬度將增加。在使用脈沖傳送信號時，脈沖寬度越小，單位時間內傳送的信號就越多。反過來說，帶寬越寬就能夠傳送更多的脈沖。不僅速度可以提高，而且還能有效地降低耗電量。由于加電時間極其短暫，因此平均耗電量很低。

脈沖頻率是一個能夠確定中心頻率帶傳輸能量的重要參數，同時脈沖的波形也可以確定在一段頻率范圍內需要多少能量。在傳統的無線電技術結構中，數據能夠通過若干次脈沖而被調制，其中包括振幅、相位等。單脈沖架構也采用了相關較為簡單的無線電構思方案，為了更好地管理一個頻寬，在此基礎上還稍增加了一些靈活性。為了更加隨意地控制這段頻寬，單脈沖技術還加入了如下功能：能夠隨時針對不同地區的需要進行自動調整，具備動態檢測干擾信號的技術，能夠終止使用產生沖突的頻率，能夠在指定區域下共享頻寬，自動為無需高帶寬的設備使用窄帶頻寬。

UWB設備可以分為很多類，如圖像系統，車載雷達系統，通信，測量系統等。他們都需要很高的頻譜效率，通過采用適當的技術標準，UWB可以使用現有的無線設備使用的頻譜，而不會引起干擾，從而可以更好地利用頻譜。在WBAN／WPAN網絡的節點之間，應用Ad Hoc的概念，如使用多跳路由，UWB設備可以降低發射功率和覆蓋范圍，這使得在同樣的區域內，可以有大量的設備運行，極大地增加了頻譜利用率和容量。由于一個系統的最大傳輸范圍與速率成反比，要在任何時候，任何地點進行覆蓋，成本會隨著數據速率增加。因此，短距離無線系統覆蓋的區域很小，基于UWB-RT的技術，將會是未來高空間容量網絡的一個選擇。

2 UWB的優點

與其他無線通信技術相比，UWB技術的特點有：傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低。UWB通過改變脈沖的幅度、間距或者持續時間來傳遞信息。與窄帶收發信機和藍牙收發信機相比，UWB不需要產生正弦載波信號，可以直接發射沖激脈沖序列，因而具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統共存，提高頻譜利用率。

UWB不需要正弦波調制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積小，系統的結構比較簡單。UWB信號的處理也比較簡單，只需使用很少的射頻或微波器件，射頻設計簡單，系統的頻率自適應能力強。可以將脈沖發射機和接收機前端集成到一個芯片上，再加上時間基和控制器，就可以構成一部UWB通信設備。因此，他的成本可以大大降低。

由于UWB信號采用了跳時擴頻，其射頻帶寬可以達到1 GHz以上，他的發射功率譜密度很低，信號隱蔽在環境噪聲和其他信號之中，用傳統的接收機無法接收和識別，必須采用與發端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，因此增加了系統的安全性。

UWB信號的衰落比較低，有很強的抗多徑衰落的能力。UWB信號的高帶寬帶來了極大的系統容量，由于UWB無線電信號發射的沖激脈沖占空比極低，系統有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統容量比其他的無線技術都高。

由于UWB信號的擴頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1 mW的發射功率實現幾公里的通信。如此低的發射功率延長了系統電源的使用時間，非常適合移動通信設備的應用。有研究表明，使用超寬帶的手機待機時間可以達6個月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對人體的傷害。

UWB旨在面向距離在30英尺左右的高速無線網絡連接，在與家庭娛樂設備相連接時可取代USB電纜。IEEE（電器和電子工程師協會）已經成立了被稱為IEEE802.15.3a技術標準的工作組，但在采用MBOA的技術還是由摩托羅拉和其他廠商支持的“直接序列”的技術問題上處于僵持局面。為了完成兩種超級無線寬帶技術規范，并將他們提供給諸如英特爾、德州儀器、惠普、索尼，以及Staccato和Alereon等專業的UWB廠商等成員企業，MBOA已經建立了“特殊利益集團”，從2005年中期開始生產相應批量的芯片。為了確保整個系統的順利進行，以便使其技術與其他軟件層的兼容性更好，這一特殊利益集團除了完成和推廣OFDM規格之外還將與其他標準機構進行合作。支持“直接序列”UWB的Freescale公司對MBOA標準的前景提出了質疑。“直接序列”技術旨在超短距離通訊，Freescale公司第一代芯片能夠以10 m以上的距離提供1 Gb／s的數據傳輸速率。

3 UWB-RT的應用

隨著UWB-RT商業化的開始應用，這項技術為支持高速應用和低速智能設備的短距離無線通信系統的部署提供了可能性。FCC定義的UWB天線系統，使用簡單的調制和編碼機制，在短距離內可達到的信息速率大于100Mb／s。UWB在信息速率和覆蓋范圍之間可以做一個折衷。

大量的應用場景適合使用UWB，主要包括：高速無線個人網（HDR-WPAN）；無線以太網接口鏈路（WEIL）；智能天線區域網（1WAN）；室外點對點網絡（OPPN）；傳感器，定位和識別網絡（SPIN）。前三種情況假定UWB設備網絡部署在居民區或者辦公區，主要傳送用于娛樂的無線視頻／音頻和控制信號。第四種情況提供室外點對點連接，而第五種考慮工業和商業環境。

（3） 智能天線區域網（IWAN）

IWAN的特征是：在室內或者辦公室等有高密度設備的地方，覆蓋范圍為30 m。設備的要求是：低成本、低功率消耗，如1～10 mW，給用戶提供家庭／辦公室的智能分布網。設備的功能有：準確定位、跟蹤，支持環境敏感的設備，在當前的窄帶短距離網絡中不太容易實現。

（4） 室外點對點網絡（OPPN）

UWB設備部署在室外，主要適用于PDA上行和信息交換，新聞文本，圖片和視頻的下載。采用何種標準將決定OPPN結構使用集中式還是分布式的，這是一個需要進一步研究的課題。歐洲即將采用的UWB標準將嚴格限制支持室外的UWB設備的部署。然而，這種情況可能會改變，因為UWB管制的使用也將不斷進步，如同過去其他無線業務所經歷的一樣。

（5） 傳感器，定位和識別網（SPIN）

SPIN系統的特征是：設備密度高，每層幾百個，主要在工廠或者倉庫，發送帶有定位信息的低速數據包。SPIN設備使用范圍較大，如果為主從拓撲，在單獨設備和主站之間可達100 m。在工業應用中，SPIN需要高級鏈路可靠性和自適應的系統特征，以對動態改變的接口和傳播環境作出反應。UWB將起到的一個重要作用是：根據用戶需求提供有效的業務。場景機制的劃分和各種網絡的發展，包括上面分析的各種情況，是遠遠不能滿足用戶的期望的。一個宏偉的目標是，在不同場景下，實現各種網絡的無縫共存和互操作性。因此，設計有效的連接，自動漫游機制和數據鏈路的自適應，是將來一個重要的研究課題。

4 技術挑戰

基于窄帶載波調制的短距離無線系統，不能提供高速數據速率來傳輸視頻或者準確的移動終端位置信息，不能支持位置敏感的應用，但是今天的市場很需要有這種能力的系統，這也是UWB的一個研究目標。在UWB設備之間的相互干擾和可達到的QoS級方面，仍然有很多未解決的問題。考慮位置敏感的應用，有必要決定一個給定的應用所需的準確性，這個質量級在可變信道和網絡負載條件下能否維持仍然沒有定論。

在調制和編碼技術領域也存在挑戰。最初，UWB-RT用于軍事通信，獲得高容量不是一個主要目標。然而，在商用系統中，用戶容量是首先要考慮的。編碼和調制是能夠改善系統多用戶容量的最有效方法之一，設計自適應的調制方法和信道編碼機制來提高系統容量。盡管在UWB中，平均EIRP是很低的，短時間內的峰值功率可能很大，因此，要求能夠優化傳輸技術（如自適應功率控制）。為適應不同的信號傳播環境，各種高級技術，如UWB-MIMO，能夠提供所需的高可靠性和自適應能力。與窄帶系統不同，UWB系統受到更少的信號衰落，因為很窄的脈沖在不同路徑上傳播，引起大量獨立衰落的信號成分，可以加以區分，由于高時間分辨率，導致很大的多徑分集。UWB-MIMO系統也可抗時域ISI和ICI，因為接收信號有很好的自相關和互相關特性，能簡單適應脈沖重復頻率到主要的信道時延擴展。

此外，盡管UWB系統有抵抗多徑影響的能力，但系統性能同樣受到多徑效應的影響。極端情況下信號傳播會引起室內環境中大量的多徑，導致傳播時延持續10 mS至幾百ms，這引起的ISI限制了系統的最大數據速率，除非有一種有效的方法可以用來減輕這些影響。在快速脈沖調制技術（如PPM），實現有效均衡的成本很高，這個問題在使用低脈沖重復頻率系統中較輕。系統復雜性是另外一個挑戰，UWB需要多個并行檢測器或者高階調制。

另外一個挑戰來自于物理層UWB設備的天線設計和實施。一般來說，便攜式通信設備要求很小和不易受損的天線，可以集成到設備中，能夠在不同的環境下有效工作。有效天線的設計和實施，是UWB系統設計中的一個巨大挑戰。

另外一個問題是，來自于其他無線信號對UWB接收機的帶內干擾的影響。近處干擾問題引起了學術界的極大興趣，UWB設備發射功率譜密度很小，UWB接收機中容易受到噪聲影響和干擾。當一個區域有大量集中的UWB設備同時工作時，也有相同的問題，還有多徑傳播的不利影響和設備間干擾現象，以及要考慮在接收機和網絡層如何發起和維持同步。

最后，除了非線性模電設計技術外，還需進一步研發在UWB系統使用新的、先進的半導體技術，如MEMS，SOI等。這些技術可以提供有效的方案解決速度和同步時延，功率消耗等問題，他們的成功研發對UWB-RT的未來開發和應用是至關重要的。

5 UWB研究現狀

現在有許多公司在進行UWB技術的研究開發工作。美國XtremeSpectrun公司能夠提供在各種設備之間無線傳輸音頻、視頻的UWB芯片組，他采用雙相調制技術和IEEE 802.15.3 MAC協議，傳輸速率達到100 Mb/s。

Intel在2000年成立了UWB研究實驗室，其實驗室產品在2～3年內能達到100 Mb/s的數據速率。Intel認為UWB在短距離內可以達到400～500 Mb/s，因此Intel稱UWB為無線USB。Time Domain公司利用UWB PPM技術，開發了兩代PulsON芯片，第三代PulsON商用產品也即將問世。

2003年1月，Philips和GA簽訂了一個備忘錄，利用Philips在BiCOMS的優勢和GA的UMB技術聯合開發速率達480 Mb／s的UWB芯片組，并支持IEEE 802.15.3a標準。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了傳輸速率達400 Mb／s的UWB芯片組。

新加坡的Cellonics公司開發了基于非線性動態理論的新技術，他只需要使用一個電感器和一個二極管就可以實現數字調制解調器，不需要混頻器、振蕩器和鎖相環。該技術可以改善UWB接收器設計中的相關接收，而且簡單、成本低，功耗也低。

美國Discrete Time公司開發了多頻段UWB技術，他采用不同頻段發送信息而不是發射單個脈沖。與單頻段UWB相比，多頻段UWB系統的每頻段內可以用較低的速率發送信息，這降低了UWB的成本，具有較好的自適應性，可以與802.11a共存。

目前有不少技術公司都對UWB技術加大了開發力度。但由于之前UWB技術民用化的政策還沒有得到批準，許多UWB技術公司目前主要是通過向美國軍方出售UWB技術來維持生計。如Time Domain公司2002年在獲得了的軍方合同以后，其全年總銷售收入達到了750萬美元，比他在2001年所取得的500萬美元的銷售額有所增長。該公司最近已經在開始銷售他的第一批UWB芯片集產品。在FCC批準了UWB技術民用市場之后，在硬件方面，美國Multispectral Solutions公司已經達到了即將開始提供UWB芯片組工業樣品的階段。在操作系統的支持方面，如果繼續使用現有的軟件，那么制造商的負擔也許并不大，這是因為UWB只不過是相當于接口最下層的物理層規格。比如，英特爾將UWB定位于“無線 USB2.0”。實際上，盡管還面臨著如何認證與個人電腦連接的設備等無線技術所特有的問題，但是只需提供用于控制終端產品的設備驅動程序，基本上就可以直接沿用上層程序。與此同時，飛利浦電子與美國通用原子公司（GeneralAtomics，GA）已經開始聯手進行UWB芯片組的開發工作了。飛利浦將接受GA的包括多頻帶技術“關鍵子頻帶”在內的UWB相關技術，使用面向RF的BiCMOS技術開發RF芯片。GA的關鍵子頻帶技術是將UWB的頻帶分割成15個子頻帶進行信號傳輸的技術。由此我們可以看到，未來UWB的市場前景還是十分廣闊的，UWB必將成為今后的主流無線互聯標準呈現在我們面前。

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