【摘 要】 本文主要介紹了超寬帶技術的基本特點，以及超寬帶技術的應用場景并分析了超寬帶技術的管制和標準化現狀，超寬帶技術存在的挑戰，最后介紹了超寬帶技術的發展動態。 

    一、引言 

    當設計未來的短距離無線通信系統時，我們要考慮通信的普遍特性和B3G中提到的“任何人，任何時間，任何地點”的連接性。這要求新的無線世界是現在和未來無線通信系統的綜合，包括WANs，WLANs，WPANs以及Ad Hoc和家用局域網，可以連接各種不同的設備，包括計算機和各種娛樂設備。要實現這個目標，就需要新的無線技術。 

    UWB技術最初是在1960年作為軍用雷達技術開發的，早期主要用于雷達技術領域；1972年UWB脈沖檢測器申請了美國專利；1978年出現了最初的UWB通信系統；1984年UWB系統成功地進行了10公里的試驗；1990年美國國防部高級計劃局（DARPA）開始對UWB技術進行驗證。2002年2月，FCC批準了UWB技術用于民用。 

    UWB技術發展慢的原因主要有：在1994年以前主要限于軍方使用，限制了第三方開發支持UWB的軟件和硬件；由于UWB使用許多專用頻段，FCC對UWB技術的批準進展緩慢；UWB帶來的干擾問題也阻礙了UWB的發展步伐；而且，由于UWB技術可能取代現在使用的所有無線技術，包括PAN，WLAN（802.11a，802.11b，802.11g）和無線WAN（如GPRS，1XRTT），因此，許多公司會抵制該技術的商用。 

    二、UWB頻譜效率 

    在短距離通信中，UWB-RT為現在的頻譜管理和無線系統工程中的多數問題提供了答案。在UWB-RT中，新的方法是共享現有的頻譜，而不是尋求新的頻段。這個觀點得到US管制局的批準。歐洲和亞洲也開始了這方面的工作，尤其是日本和新加坡。UWB-RT將對多媒體家用網絡和娛樂市場產生很大的沖擊力，它允許實施智能網絡和設備，可以實現以用戶為中心的無線通信世界。
 
    FCC的最初報告和工業界對UWB設備的定義是：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500MHz的設備。相對帶寬定義為2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分別為-10dB時的上界頻率和下界頻率。在物理層，UWB通信擴展少量的EIRP，根據FCC的定義，低于0.56mW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3.01～10.6GHz，為75nW/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。它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。 

    三、UWB的優點 

    與其他無線通信技術相比，UWB具有許多優點。表1將UWB技術與其他無線局域網技術進行了比較。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，它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1GHz以上，它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1mW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。 

    四、UWB-RT的應用
 
    隨著UWB-RT商業化的開始用，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（IWAN）；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。
 
    1. 高速無線個人網(HDR-WPAN) 

    HDR-WPAN定義為：每個房間的活動設備為5～10，在1～10m范圍內，數據速率為100～500Mb/s，主要基于點對點拓撲。使用現有的有線或者無線標準，通過中繼與外部相連。 

    2.無線以太網接口鏈路(WEIL) 

    可以將HDR的概念擴展到更高的數據速率，如1Gb/s，2.5Gb/s。WEIL應該滿足以下需求：從PC廠商方面，需要以太網線的替代品；從消費者角度看，在PC和LCD屏之間要求高質量的無線視頻傳輸能力，可以傳無線數字視頻。 

    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30m。設備的要求是：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。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。這種情況，無線最后一英里或者到外部的可用連接可以用來發送報警、控制信號，或者遠程檢查家庭周圍傳感器的狀態。
 
    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100m。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。 

    五、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。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。可以網絡總的數據速率和其他相關參數來標識UWB設備的系統性能和頻譜效率。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。 

    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，有很大的用戶容量是很重要的。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，應該設計自適應的調制方法和信道編碼機制。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系統有內在的強健性抵抗多徑，但也不是完全不受影響。極端信號傳播情況會引起室內環境中大量的多徑，導致傳播時延持續10毫秒至幾百毫秒。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，它們的成功研發對UWB-RT的未來開發和應用是至關重要的。 

    六、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，它采用雙相調制技術和IEEE 802.15.3 MAC協議，傳輸速率達到100Mb/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100Mb/s的數據速率。Intel認為UWB在短距離內可以達到400～500Mb/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UWB技術聯合開發速率達480Mb/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400Mb/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，它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，它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。 

    Intel、Cisco、Sony等公司都準備進入UWB無線數據通信市場，無線家用網絡將會是UWB的主流市場。對短距離高速WPAN，UWB-RT有希望成為一項可行和有競爭力的無線技術，有能力支持以用戶為中心的個人無線通信世界。UWB-RT的新特點，可能成為短距離無線設備和應用的基礎，在未來的泛網中，對用戶而言，從一個網絡過渡到另一個網絡是透明的。盡管在技術，經濟和管制方面的挑戰，各種研究和開發的努力與全球管制框架結合，會進一步增加UWB-RT成為新的智能短距離聯網應用和業務的首選技術的機會。 
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