UWB的特点及在短距离无线通信中的应用前景

摘要：uwb是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术，本文介绍uwb的主要特点及相关应用，详细比较了uwb通信与ieee802.11、bluetooth和homerf等现有短距离无线通信的异同，并对uwb在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。关键词：uwb ieee802.11 bluetooth homerf超宽带（ultra-wideband,uwb）技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宛带技术又被重新提出，并倍受关注。uwb是指信号带宽大于500mhz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的通信方式使用连续的载波不同，uwb采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几ghz，因此最大数据传输速率可以达到几百mbps。在高速通信的同时，uwb设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非uwb接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，uwb可以与现有无线电设备共享带宽。所以，uwb是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。目前，intel、motorola、sony等知名大公司正在进行uwb无线设备的开发和推广。1 uwb 的主要特点及其应用鉴于uwb信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独特的优点和用途。在通信领域，uwb可以提供高速率的无线通信。在雷达方面，uwb 雷达具有高分辨力（ns级）。当前的隐身技术采用的是隐射涂料和隐身特殊结构，但都只能在一个不大的频带内有效，在超宽频带内，目标就会原形毕露。uwb雷达还具有很强的穿透能力，uwb信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质，因此军事上uwb雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。在定位方面，uwb可以提供很高的定位精度。uwb使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一两厘米。也就是说，同一个uwb设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。uwb无线通信除了带宽大，通信速率高之外，还有更多的优点。首先，uwb通信的保密性强。uwb系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应用前景。其次，uwb通信采用调时序列，能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而uwb 系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，uwb系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是，uwb通信又被称为是无载波的基带通信，uwb通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的uwb通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。当然，uwb通信也存在不足，主要问题是uwb系统占用的带宽很大，uwb系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此uwb系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管uwb系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响uwb的开发和使用，2002年2月美国通信协会（fcc）批准了uwb用于短距离无线通信的申请。uwb的用途有很少，主要分为军事和民用两个方面。在军事上uwb可以用于低截获率（lpi/d）的内部无线通信系统、lpi/d地波通信、lpi/d高度计、战场手持和网络lpi/d电台、uwb雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地址目标等等。在民用方面，uwb可用于20mbps以上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位、无线标签和工业射频监控等。2 uwb通信与其它短距离无线通信的比较uwb技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同，它将会为无线局域网（lan）和个人局域网（pan）的接入带来低功耗、高带宽并且相对简单的解决方案。超宽带技术解决了困扰传统无线电技术多年的诸如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等重大难题，但是uwb通信不会很快取代现有的其它无线通信技术。虽然uwb通信中所须的频带宽度相当大，

从500mhz直至几ghz。如英特尔的样机使用的就是从2ghz频带至6ghz频带之间的4ghz带宽。但实际上并不存在如此之宽的空闲频带，无论采取什么办法，uwb通信使用的频带与现有无线通信使用的频带必定会发生重叠，为了避免uwb通信对其它系统的干扰，uwb用户人事科有必须申请频率许可。2002年2月fcc准许uwb技术进入民用领域的条件就是：“在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dbm/mhz（换算成功率则为1mw/mhz）的条件下，可将3.1ghz～10.6ghz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测蹑和无线数据通信"。发射功率的大小决定了传输距离，按照fcc的规定，uwb通信在近期内将只可能用于极短距离的无线通信，这就意味着在一定时期内uwb将会与现有短距离无线技术共同生存，共同发展。（1）uwb与ieee802.11aieee802.11a 是ieee最初制定的一个无线局域网标准之一，它主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，工作在5ghzu-nii频带，物理层速率54mbps，传输层速率25mbps。采用正交频分复用（ofdm）扩频技术；可提供25mbps的无线atm接口和10mbps的以太网无线帧结构接口，以及tdd/tdma的空中接口，支持语音、数据、图像业务。ieee802.11a用作无线局域网时的通信距离可以达到100m，而uwb只能在10m以内的范围通信。根据英特尔照fcc的规定而进行的演示结果显示，对于10m以内的距离，uwb可以发挥出高达数百mbps的传输性能，但是在20m处反倒是ieee802.11a/b的无线局域网网设备更好一些。因此在目前uwb发射功率受限的情况下，uwb只能用于10m以内的高速数据通信，而10m到100m的无线局域网通信，还需要由802.11来完成，当然与uwb相比，802.11的功耗大，传输速率低。（2）uwb与bluetooth自从2002年2月14日，fcc顶住多方面的压力批准uwb用于无线通信以来，就不断有人将uwb评论为蓝牙（bluetooth）的杀手，因为从性能价格比上看，bluetooth是现有无线通信方式中最接近uwb的，但是uwb真的会取代bluetooth吗？从目前的情况看，答案是否定的。首先从应用领域来看，bluetooth工作在无须申请的2.4ghz ism频段上，主要用来连接打印机、笔记本电脑等办公设备。它的通信速率通常在1mbps以下，通信距离可以达到10m以上。而uwb的通信速率在几百mbps，通信距离仅有几米，因此二者的应用领域不尽相同。其次，从技术上看，经过多年的发展，bluetooth已经具有较完善的通信协议。bluetooth的核心协议包括物理层协议和链路接入协议，链路管理协议及服务发展协议等等，而uwb的工业实用协议还在制定中，估计要等到2004年才可能初步确定。还有，bluetooth 是一种短距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，从这方面讲，uwb可以看作是采用一种特殊无线电波来高速传送数据的通信方式，严格地讲，它不能构成一个完整的通信协议或标准。考虑到uwb高速、低功耗的特点，也许在下一代bluetooth标准中，uwb可能被用做物理层的通信方式。最后，从市场角度分析，蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用，而uwb的研究还处在起步阶段。基于以上原因，在未来的几年内，uwb和bluetooth更有可能既是竞争对手，又是合作朋友。（3）uwb与homerf家庭射频（homerf）标准是由homerf工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。homerf是ieee802.11与dect的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。homerf采用了扩频技术，工作在2.4ghz频带，能同步支持4条高质量语音信道，但是homerf的传输速率只有1m～2mbps。由于homerf技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。同ieee802.11一样，homerf的通信距离比uwb远，而传输速率比uwb低，在uwb发射功率受限的前提下，二者应该是各有千秋。结合上述讨论，可以用表1对四种短距离无线通信做个简单的比较。