议超宽带无线通信技术

杜成龙

【摘要】 超宽带（UWB）无线通信技术是近年来备受关注的一种高速、低功耗的无线通信技术，在简单介绍超宽带无线通信的概念基础上，着重分析了超宽带无线通信的特点和应用。

【关键词】 超宽带 无线通信 技术特点一、技术概述和特点分析

UWB技术最初是1960年美国作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。该技术的发展带动了脉冲检测器等设备的开发，而且该技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。

但在随后的30多年间，UWB技术发展很缓慢，一方面是因为军方的限制让第三方无法开发支持UWB的软件和硬件，此外，UWB技术对其他频带带来的干扰，也阻碍了它的发展步伐。2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用，进而将UWB技术推向了市场前端。

目前的UWB技术根据底层UWB信号的实现形式不同，可分为两大类。一类是基于窄脉冲式的冲激类UWB，即不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这样提出的UWB设计方案称为直接序列CDMAUWB（DS-CDMAUWB）方案。这个方案频谱利用率高，可进行高精度定位和跟踪，抵抗多径衰落能力强，但频谱共享的灵活性较差，不利于与其他窄带系统共存。

另外一类是基于调制载波扩频式的载波类UWB，提出的设计方案叫多载波OFDMUWB（MB-OFDMUWB）方案，它采用OFDM技术传输子带信息，提高了频谱的灵活性，但易造成较高的功率峰值与均值比（PAR），容易产生对其他系统的干扰，因此解决干扰问题是该方案目前最大的难题。两种技术形成了鲜明对立的两大阵营，使得制订面向UWB高速数据传输标准的802.15.3a工作组已经解散。

目前，由ITU-RTG1/8工作组来负责UWB高速数据传输的全球统一标准的制订工作。

与其他无线技术相比，UWB具有以下几个技术特性。其一是高带宽、高传输速率。按照UWB的技术设计，UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz，数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，这样的理论速度高于蓝牙100倍，特别适合局域网或者个域网内设备之间的快速共享数据库以及传送数据。

其次是强大的抗干扰性能，UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。另外，由于UWB的脉冲非常短（0.1～1.5ns），频谱非常宽（数GHz，可超过10GHz），能避免多路径传输的信号干扰。

第三是低功耗，UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率实现通信，另外，CDMA-UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按“0”和“1”发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，大大延长了系统电源的工作时间。

二、UWB系统方案及一些技术问题

2.1单频带系统

单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输，其信号带宽很大，多径分辨率很高，抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重，接收机的复杂度较高。此外，为解决共存性问题，避免与带内窄带系统的干扰，该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA。在单载波DS-CDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决了这一难题。

2.2多频带系统

多频带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带。使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成通过射频载波搬移到不同子带，避开传统窄带系统使用频段。多频带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。

其多址问题采用跳频技术来解决。相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段。并采用正交频分复用（OFDM）方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。

从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的。对无线电频率管理来说，有两个基本的原则：一是新的无线电技术不得对已有的无线电台（系统）造成有害干扰；二是受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CA-MA因为使用整个3.1～10.6GHz频段，包括传统无线技术使用其中的一些频率，而MBOA使用多个频率子带可以很方便地避开这些频率。

2.3 UWB硬件系统

同传统结构相比，UWB收劫言机的结构相对简单，图2给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中，信息可被不同技术调制，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过相关接收后处理，再经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接收机来说，实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，成本低，而且UWB接收机可全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。

三、UWB技术的应用

3.1 UWB在个域网中的应用

UWB可以在限定的范围内（比如4m）以很高的数据速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）传输信息，这比蓝牙好很多。蓝牙的数据速率是1Mbit/s，功率是lmW。UWB能够提供快速的无线外设访问来传输照片、文件、视频。

因此UWB特别适合于个域网。通过UWB，可以在家里和办公室里方便地以无线的方式将视频摄像机中的内容下载到PC中进行编辑，然后送到TV中浏览，轻松地以无线的方式实现个人数字助理（PDA）、手机与PC数据同步、装载游戏和音频/视频文件到PDA、音频文件在MP3播放器与多媒体PC之间传送等。

3.2 UWB在智能交通信息中的应用

利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时，该雷达会提醒司机。在停车的时候，这种基于UWB的雷达是司机强有力的助手。利用UWB可还以建立智能交通管理系统，这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。

例如，实现不停车的自动收费、汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取、站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等。

3.3传感器联网

利用UWB低成本、低功耗的特点，可以将UWB用于无线传感网。在大多数的应用中，传感器被用在特定的局域场所。传感器通过无线的方式而不是有线的方式传输数据将特别方便。

作为无线传感网的通信技术，它必须是低成本的；同时它应该是低功耗的，以免频繁地更换电池。UWB是无线传感网通信技术的最合适候选者。

四、结语

尽管目前UWB的发展中存在着频率管制、标准化等难题，也还必须面对其他无线技术的竞争，但是可以预见，随着无线多媒体应用越来越普及，UWB将在消费电子领域、通信领域获得大规模应用。物理层方案虽然没有融合的迹象，但是双方都没有放弃产业化的脚步，谁最终占领市场，谁将成为事实标准，这都预示着UWB技术的前景将非常广泛。