超宽带无线通信技术的发展

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摘要　UWB（ultra wideband）是超宽带无线通信技术的缩写，是目前使用1 GHz以上带宽的最先进的无线通信技术，其数据传输速度可达到几百Mbit/s以上。超宽带无线通信技术以其高速率、低功耗、隐蔽性好、定位精度高等突出优点，在无线个域网、智能交通系统、探测与成像系统等诸多领域有着广泛的应用前景，正在迅速成为产业界关注和研究的热点之一。本文从UWB的技术特点出发，阐述了其技术与应用发展趋势和前景。
1、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CDMA UWB（DS-CDMA UWB）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OFDM UWB（MB-OFDM UWB）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1 GHz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IEEE 802.11a、IEEE 802.11b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（0.1～1.5 ns），频谱非常宽（数GHz，可超过10 GHz），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1 mW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。
2、UWB技术标准进展
从理论上分析，UWB技术优势很明显，但该技术的标准制定进度并不快，而且经历了几次挫折。2006年1月中旬，在美国夏威夷召开的IEEE 802标准组会议上，802.15.3a工作组被宣布解散。该标准工作组成立于2002年，但经过4年的讨论，MB-OFDM和DS-CDMA两个技术主导方案一直无法彼此妥协。Intel和Motorola等一些巨头之间进行了针锋相对的标准之争，使得UWB技术的商用步伐大为延缓，无法达成一致意见，各个公司在技术的开发上仍然自行其事，也就意味着来自Intel业界同盟的笔记本电脑中的UWB与来自Motorola同盟的电视产品中的UWB之间无法兼容。Intel同盟注重于电脑和无线消费品市场，包括照相机和MP3播放器等，相对来说Motorola同盟的产品更多集中于电视、DVD和机顶盒市场。期间业界虽曾提出过融合了两种技术方案的折中方案，但最终还是未能克服厂商之间的意见对立，物理层传输标准草案始终无法出台。至此，IEEE有关高速UWB标准化的工作暂告一个段落，UWB技术标准的制定工作分道而行。
以Freescale公司为代表支持DS-CDMA技术的UWB论坛目前有77家会员，其中有十几家高校和研究所，占了近15%。UWB论坛和Freescale在UWB技术使用方面主推以个人电脑为中心的解决方案，将它看作是连接计算机、外设USB接口的替代技术。
以Intel、TI（德州仪器）等公司为代表支持MB-OFDM的WiMedia联盟已有170多个成员，几乎集中了所有的大型跨国公司和集团，并且得到无线USB和无线1394的支持，这点非常重要，因为UWB未来一个最主要的应用方向就是家庭网络，希望通过UWB技术把家庭电器连接成微微网（Piconet），使无线设备在WiMedia层汇聚，转变成可在物理层上传输的信号。
2006年蓝牙SIG选择与WiMedia联盟的MB-OFDM技术合作，共同致力于下一代新型蓝牙无线技术的研究开发。新型蓝牙技术将集成UWB技术和蓝牙技术两者的特点，通过UWB高速数据传输满足手持设备、多媒体设备和电视等对同步传输高速数据的要求，与此同时，结合了蓝牙技术的低功率特点，迎合了某些设备对低功耗的要求，例如鼠标、键盘、无线耳机等。目前有数量超过50亿的蓝牙设备在市场上应用，而两大技术的结合使移动设备具有高速数据传输和低功耗两大特点，符合市场对无线通信设备的要求，使得在短距离通信中实现高速率低功率传输成为可能。两者的结合势必能够推动UWB技术被全球管制机构所接受。2007年，两个组织已经开始着手开始UWB无线电认证，第一步是针对UWB物理层技术的认证。已有Alereon、Realtek、Staccato、Tzero、WiQuest和Wisair 6家芯片厂商通过了认证，这标志着多家芯片厂商将实现互操作。下一步将是基于MAC层的认证，但实现MAC层或更高层协议认证难度仍然相当大。
但是两种新技术的融合标准制定并不是那么顺利。到2007年8月，原订于2007年第二季度出炉的蓝牙及超宽带技术整合标准，被宣布将延迟到2008年发布，使得预先希望采用此技术的手机、PDA等手持设备面市时间有可能延迟到2009年后。不过对于这样的标准化进度，业界均认为是比较正常的，毕竟一个标准的出炉时间都要花上一两年的时间。目前标准制订所面对的主要挑战来自于如何确保整合后的新技术可在向下兼容市场上逾5亿个蓝牙设备的同时，还能维持高速的传输速度。如果标准顺利通过并被各种设备采纳，按照现在的标准设计，新产品将能突破蓝牙720 kbit/s传输速率的限制，速度可达480 Mbit/s以上，满足高质量多媒体影音应用的要求，而且仅在需要传送影音档案时，才会启用UWB技术。
但是无论如何，2006～2007年间WiMedia与蓝牙的合作令标准化的工作似乎迈出了解开UWB标准僵局的重要一步。按照目前蓝牙的普及程度（目前芯片价格已经降低到大众产品普及阶段）以及用户的接受程度分析（一步到位提供家庭网络的可能性比较小，但是在几个设备间提供蓝牙接口链接是可能的），MB-OFDM方面的技术标准进展稍微领先一步。
3、UWB的产业化进展
随着全球各地区对UWB技术管制的逐步解禁，产业中的各个环节都在不断宣布其在2007年的发展计划，运营商也开始关注UWB技术发展，表明UWB产业即将进入商业应用阶段。但目前，全球允许UWB技术商用化的国家还只有美国。2006年，欧盟射频频谱委员会批准了欧洲的UWB规划，为在2007年2月在欧洲采用这一技术铺平了道路。欧盟这一举措被认为是一个“积极的监管主张”，它意味着欧盟委员会将正式放开对UWB的管制。日本也继美国之后放宽了限制，主要是针对超宽带无线系统的无线基站设备，指定的频带带宽为3.4～4.8 GHz，以及7.25～10.25 GHz。其中，要求3.4～4.8 GHz频段设备必须具备避免对其他无线服务造成干扰的技术。随着全球对UWB技术管制的逐步放开（尽管这些国家放开的频率范围之间有所交叠，但仍然各有不同），要求UWB芯片和设备开发商必须生产出具有高度灵活性的产品，这使得芯片开发的周期和成本增加。因此，制定一个统一的技术标准显得尤为重要。
2006年基于MB-OFDM UWB技术的双频率超宽带收发CMOS芯片方案已开发成功。其中，Alereon宣布已研发成功支持6 GHz以上频段的UWB芯片，这一声明将极大地刺激UWB芯片市场，因为目前大部分地区管制机构放开的UWB使用频段都在6 GHz以上。2007年UWB芯片厂商将致力于支持多个频段的MAC、PHY和RF模块兼容的UWB芯片。2007年基于UWB技术的产品包括UWB天线、UWB移动终端、UWB机顶盒以及面向家庭设备的UWB设备都陆续上市，而内置UWB技术的解决方案将率先应用于打印机、数码相机以及其他需与PC进行数据交换的产品中，随后将陆续应用于各类消费电子产品中，满足市场对UWB技术的应用需求。
对于未来UWB的应用前景，业界普遍预期比较高，认为UWB技术将成为最具创新能力和应用最广泛的技术之一，将取代目前电脑各设备之间的有线连接。我国的华为公司在UWB技术开发方面投入比较高，在UWB领域申请的专利占了14%的比例，在所有的厂商中排名第三，专利领域主要集中在OFDM技术方面。
在中国，UWB的标准和产业化发展跟国际上相比还是要落后一些，关注的技术主要集中在OFDM技术上，因为该技术不仅仅用于UWB系统，在未来的3G演进技术中也同样发挥重要的作用。此外，随着家庭网络技术日益受到重视，UWB技术也在这个领域得到认知，但还不够充分，产业链和IT企业更多地还是认同蓝牙技术为首选。
但UWB产业是否会得到快速的市场推动还要取决于各国对UWB的相关管制要求。例如日本目前在就UWB的使用规定进行修订工作。按照日本现行管制政策，UWB仅能用于室内且必须减轻对其他无线系统的干扰，对UWB的使用有严格的限制。在新一轮讨论中，是否仍将UWB限制在室内或汽车内使用，以及降干扰技术采用的方式等都将被纳入议题。用于通信的UWB使用的频段包括3400～4 800 MHz低频段和7250～10250 MHz的高频段，其中在低频段需要降干扰技术。不过，通过采取限期措施，截至2008年12月31日，4200～4800 MHz频段可以在不具备降干扰技术的情况下使用。总务省预计会在限期措施失效之前，通过某种形式指明新技术应用的方向。除此之外，3400～4800 MHz频段有可能被用于第4代移动通信系统（4G）。4G使用的频段于2007年秋天在ITU-R主办的WRC07上确定。
4、UWB的应用
UWB现阶段主要应用于雷达探测和精确定位，未来UWB将广泛应用于数字家庭网络系统。由于UWB设备具有很强的穿透能力，UWB探测成像系统可以使警察、消防员和救援人员在紧急情况下迅速找到藏在墙后或者是被埋在废墟中的人；同时，还可以协助公共安全部门在攻坚之前，侦测歹徒的动向，在反恐战争中可发挥不可估量的作用；此外，也可以用于提高建筑和家庭维修行业的安全性。因此，基于UWB技术的新型探测成像设备具有广阔的市场前景。UWB定位系统具备实时的室内外精确跟踪能力，定位精度可以到几个厘米，在室内精确定位方面将会对GPS起到一个很好的补充作用。
UWB技术在家庭网络应用中的目标就是消灭家电之间的连接线，利用其高速无线数据传输特点，替代蓝牙技术实现家庭中所有电器之间的无线连接，组建小型数字家庭网络，满足现代家庭对未来高效数字化生活的需求。目前UWB技术正被整合进家庭影院和便携式产品，完成高速无线视频和音频信号的收发。Motorola、Intel、TI、ST（意法半导体）以及日韩一些厂商已推出UWB芯片和相关产品。
5、未来趋势分析
从技术上看UWB有比较广阔的发展前景，但是其发展也面临着许多挑战，还有许多技术问题需要研究解决，诸如需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多径传播等问题；进行高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理等。UWB应用的逐步推广无疑会大大促进技术的成熟，有了UWB，未来的数字家庭已经不遥远。
从技术竞争的角度看，UWB技术属于无线个域网的一项主要技术，跟RFID等短距离通信技术类似，但在应用层面上，RFID通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别，与UWB技术有着明显的应用隔离。
WiMAX和WiFi技术则在覆盖范围上明显高于UWB技术，所以未来的无线接入技术发展应该呈现一个百花齐放的形式，借助WiMAX组成城域网，通过WLAN形成热点覆盖后，将UWB形成的数字家庭网络进行链接，可以形成一个真正的无缝无线通信世界。