超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展

1、技術(shù)概述和特點分析

　　UWB技術(shù)最初是1960年美國作為軍用雷達技術(shù)開發(fā)的，早期主要用于雷達技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)的發(fā)展帶動了脈沖檢測器等設(shè)備的開發(fā)，而且該技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、厘米級的定位精度等優(yōu)點。但在隨后的30多年間，UWB技術(shù)發(fā)展很緩慢，一方面是因為軍方的限制讓第三方無法開發(fā)支持UWB的軟件和硬件，此外，UWB技術(shù)對其他頻帶帶來的干擾，也阻礙了它的發(fā)展步伐。2002年2月，FCC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用，進而將UWB技術(shù)推向了市場前端。

　　目前的UWB技術(shù)根據(jù)底層UWB信號的實現(xiàn)形式不同，可分為兩大類。一類是基于窄脈沖式的沖激類UWB，即不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴展到一個頻率范圍內(nèi)。這樣提出的UWB設(shè)計方案稱為直接序列CDMA UWB（DS-CDMA UWB）方案。這個方案頻譜利用率高，可進行高精度定位和跟蹤，抵抗多徑衰落能力強，但頻譜共享的靈活性較差，不利于與其他窄帶系統(tǒng)共存。另外一類是基于調(diào)制載波擴頻式的載波類UWB，提出的設(shè)計方案叫多載波OFDM UWB（MB-OFDM UWB）方案，它采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息，提高了頻譜的靈活性，但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），容易產(chǎn)生對其他系統(tǒng)的干擾，因此解決干擾問題是該方案目前最大的難題。兩種技術(shù)形成了鮮明對立的兩大陣營，使得制訂面向UWB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組已經(jīng)解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來負責(zé)UWB高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蚪y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。

　　與其他無線技術(shù)相比，UWB具有以下幾個技術(shù)特性。

　　其一是高帶寬、高傳輸速率。按照UWB的技術(shù)設(shè)計，UWB使用的帶寬在1 GHz以上，高達幾個GHz，數(shù)據(jù)速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，這樣的理論速度高于藍牙100倍，特別適合局域網(wǎng)或者個域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間的快速共享數(shù)據(jù)庫以及傳送數(shù)據(jù)。

　　其次是強大的抗干擾性能，UWB采用跳時擴頻信號，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產(chǎn)生擴頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。另外，由于UWB的脈沖非常短（0.1～1.5 ns），頻譜非常寬（數(shù)GHz，可超過10 GHz），能避免多路徑傳輸?shù)男盘柛蓴_。

　　第三是低功耗，UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1 mW的發(fā)射功率實現(xiàn)通信，另外，CDMA-UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按“0”和“1”發(fā)送出去，并且在需要時才發(fā)送脈沖電波，大大延長了系統(tǒng)電源的工作時間。

2、UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進展

　　從理論上分析，UWB技術(shù)優(yōu)勢很明顯，但該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定進度并不快，而且經(jīng)歷了幾次挫折。2006年1月中旬，在美國夏威夷召開的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)組會議上，802.15.3a工作組被宣布解散。該標(biāo)準(zhǔn)工作組成立于2002年，但經(jīng)過4年的討論，MB-OFDM和DS-CDMA兩個技術(shù)主導(dǎo)方案一直無法彼此妥協(xié)。Intel和Motorola等一些巨頭之間進行了針鋒相對的標(biāo)準(zhǔn)之爭，使得UWB技術(shù)的商用步伐大為延緩，無法達成一致意見，各個公司在技術(shù)的開發(fā)上仍然自行其事，也就意味著來自Intel業(yè)界同盟的筆記本電腦中的UWB與來自Motorola同盟的電視產(chǎn)品中的UWB之間無法兼容。Intel同盟注重于電腦和無線消費品市場，包括照相機和MP3播放器等，相對來說Motorola同盟的產(chǎn)品更多集中于電視、DVD和機頂盒市場。期間業(yè)界雖曾提出過融合了兩種技術(shù)方案的折中方案，但最終還是未能克服廠商之間的意見對立，物理層傳輸標(biāo)準(zhǔn)草案始終無法出臺。至此，IEEE有關(guān)高速UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作暫告一個段落，UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作分道而行。

　　以Freescale公司為代表支持DS-CDMA技術(shù)的UWB論壇目前有77家會員，其中有十幾家高校和研究所，占了近15%。UWB論壇和Freescale在UWB技術(shù)使用方面主推以個人電腦為中心的解決方案，將它看作是連接計算機、外設(shè)USB接口的替代技術(shù)。

　　以Intel、TI（德州儀器）等公司為代表支持MB-OFDM的WiMedia聯(lián)盟已有170多個成員，幾乎集中了所有的大型跨國公司和集團，并且得到無線USB和無線1394的支持，這點非常重要，因為UWB未來一個最主要的應(yīng)用方向就是家庭網(wǎng)絡(luò)，希望通過UWB技術(shù)把家庭電器連接成微微網(wǎng)（Piconet），使無線設(shè)備在WiMedia層匯聚，轉(zhuǎn)變成可在物理層上傳輸?shù)男盘枴?/P>

　　2006年藍牙SIG選擇與WiMedia聯(lián)盟的MB-OFDM技術(shù)合作，共同致力于下一代新型藍牙無線技術(shù)的研究開發(fā)。新型藍牙技術(shù)將集成UWB技術(shù)和藍牙技術(shù)兩者的特點，通過UWB高速數(shù)據(jù)傳輸滿足手持設(shè)備、多媒體設(shè)備和電視等對同步傳輸高速數(shù)據(jù)的要求，與此同時，結(jié)合了藍牙技術(shù)的低功率特點，迎合了某些設(shè)備對低功耗的要求，例如鼠標(biāo)、鍵盤、無線耳機等。目前有數(shù)量超過50億的藍牙設(shè)備在市場上應(yīng)用，而兩大技術(shù)的結(jié)合使移動設(shè)備具有高速數(shù)據(jù)傳輸和低功耗兩大特點，符合市場對無線通信設(shè)備的要求，使得在短距離通信中實現(xiàn)高速率低功率傳輸成為可能。兩者的結(jié)合勢必能夠推動UWB技術(shù)被全球管制機構(gòu)所接受。2007年，兩個組織已經(jīng)開始著手開始UWB無線電認證，第一步是針對UWB物理層技術(shù)的認證。已有Alereon、Realtek、Staccato、Tzero、WiQuest和Wisair 6家芯片廠商通過了認證，這標(biāo)志著多家芯片廠商將實現(xiàn)互操作。下一步將是基于MAC層的認證，但實現(xiàn)MAC層或更高層協(xié)議認證難度仍然相當(dāng)大。

　　但是兩種新技術(shù)的融合標(biāo)準(zhǔn)制定并不是那么順利。到2007年8月，原訂于2007年第二季度出爐的藍牙及超寬帶技術(shù)整合標(biāo)準(zhǔn)，被宣布將延遲到2008年發(fā)布，使得預(yù)先希望采用此技術(shù)的手機、PDA等手持設(shè)備面市時間有可能延遲到2009年后。不過對于這樣的標(biāo)準(zhǔn)化進度，業(yè)界均認為是比較正常的，畢竟一個標(biāo)準(zhǔn)的出爐時間都要花上一兩年的時間。目前標(biāo)準(zhǔn)制訂所面對的主要挑戰(zhàn)來自于如何確保整合后的新技術(shù)可在向下兼容市場上逾5億個藍牙設(shè)備的同時，還能維持高速的傳輸速度。如果標(biāo)準(zhǔn)順利通過并被各種設(shè)備采納，按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，新產(chǎn)品將能突破藍牙720 kbit/s傳輸速率的限制，速度可達480 Mbit/s以上，滿足高質(zhì)量多媒體影音應(yīng)用的要求，而且僅在需要傳送影音檔案時，才會啟用UWB技術(shù)。

　　但是無論如何，2006～2007年間WiMedia與藍牙的合作令標(biāo)準(zhǔn)化的工作似乎邁出了解開UWB標(biāo)準(zhǔn)僵局的重要一步。按照目前藍牙的普及程度（目前芯片價格已經(jīng)降低到大眾產(chǎn)品普及階段）以及用戶的接受程度分析（一步到位提供家庭網(wǎng)絡(luò)的可能性比較小，但是在幾個設(shè)備間提供藍牙接口鏈接是可能的），MB-OFDM方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進展稍微領(lǐng)先一步。

3、UWB的產(chǎn)業(yè)化進展

　　隨著全球各地區(qū)對UWB技術(shù)管制的逐步解禁，產(chǎn)業(yè)中的各個環(huán)節(jié)都在不斷宣布其在2007年的發(fā)展計劃，運營商也開始關(guān)注UWB技術(shù)發(fā)展，表明UWB產(chǎn)業(yè)即將進入商業(yè)應(yīng)用階段。但目前，全球允許UWB技術(shù)商用化的國家還只有美國。2006年，歐盟射頻頻譜委員會批準(zhǔn)了歐洲的UWB規(guī)劃，為在2007年2月在歐洲采用這一技術(shù)鋪平了道路。歐盟這一舉措被認為是一個“積極的監(jiān)管主張”，它意味著歐盟委員會將正式放開對UWB的管制。日本也繼美國之后放寬了限制，主要是針對超寬帶無線系統(tǒng)的無線基站設(shè)備，指定的頻帶帶寬為3.4～4.8 GHz，以及7.25～10.25 GHz。其中，要求3.4～4.8 GHz頻段設(shè)備必須具備避免對其他無線服務(wù)造成干擾的技術(shù)。隨著全球?qū)WB技術(shù)管制的逐步放開（盡管這些國家放開的頻率范圍之間有所交疊，但仍然各有不同），要求UWB芯片和設(shè)備開發(fā)商必須生產(chǎn)出具有高度靈活性的產(chǎn)品，這使得芯片開發(fā)的周期和成本增加。因此，制定一個統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。

　　2006年基于MB-OFDM UWB技術(shù)的雙頻率超寬帶收發(fā)CMOS芯片方案已開發(fā)成功。其中，Alereon宣布已研發(fā)成功支持6 GHz以上頻段的UWB芯片，這一聲明將極大地刺激UWB芯片市場，因為目前大部分地區(qū)管制機構(gòu)放開的UWB使用頻段都在6 GHz以上。2007年UWB芯片廠商將致力于支持多個頻段的MAC、PHY和RF模塊兼容的UWB芯片。2007年基于UWB技術(shù)的產(chǎn)品包括UWB天線、UWB移動終端、UWB機頂盒以及面向家庭設(shè)備的UWB設(shè)備都陸續(xù)上市，而內(nèi)置UWB技術(shù)的解決方案將率先應(yīng)用于打印機、數(shù)碼相機以及其他需與PC進行數(shù)據(jù)交換的產(chǎn)品中，隨后將陸續(xù)應(yīng)用于各類消費電子產(chǎn)品中，滿足市場對UWB技術(shù)的應(yīng)用需求。

對于未來UWB的應(yīng)用前景，業(yè)界普遍預(yù)期比較高，認為UWB技術(shù)將成為最具創(chuàng)新能力和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，將取代目前電腦各設(shè)備之間的有線連接。我國的華為公司在UWB技術(shù)開發(fā)方面投入比較高，在UWB領(lǐng)域申請的專利占了14%的比例，在所有的廠商中排名第三，專利領(lǐng)域主要集中在OFDM技術(shù)方面。

　　在中國，UWB的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展跟國際上相比還是要落后一些，關(guān)注的技術(shù)主要集中在OFDM技術(shù)上，因為該技術(shù)不僅僅用于UWB系統(tǒng)，在未來的3G演進技術(shù)中也同樣發(fā)揮重要的作用。此外，隨著家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益受到重視，UWB技術(shù)也在這個領(lǐng)域得到認知，但還不夠充分，產(chǎn)業(yè)鏈和IT企業(yè)更多地還是認同藍牙技術(shù)為首選。

　　但UWB產(chǎn)業(yè)是否會得到快速的市場推動還要取決于各國對UWB的相關(guān)管制要求。例如日本目前在就UWB的使用規(guī)定進行修訂工作。按照日本現(xiàn)行管制政策，UWB僅能用于室內(nèi)且必須減輕對其他無線系統(tǒng)的干擾，對UWB的使用有嚴(yán)格的限制。在新一輪討論中，是否仍將UWB限制在室內(nèi)或汽車內(nèi)使用，以及降干擾技術(shù)采用的方式等都將被納入議題。用于通信的UWB使用的頻段包括3400～4 800 MHz低頻段和7250～10250 MHz的高頻段，其中在低頻段需要降干擾技術(shù)。不過，通過采取限期措施，截至2008年12月31日，4200～4800 MHz頻段可以在不具備降干擾技術(shù)的情況下使用?？倓?wù)省預(yù)計會在限期措施失效之前，通過某種形式指明新技術(shù)應(yīng)用的方向。除此之外，3400～4800 MHz頻段有可能被用于第4代移動通信系統(tǒng)（4G）。4G使用的頻段于2007年秋天在ITU-R主辦的WRC07上確定。

4、UWB的應(yīng)用

　　UWB現(xiàn)階段主要應(yīng)用于雷達探測和精確定位，未來UWB將廣泛應(yīng)用于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于UWB設(shè)備具有很強的穿透能力，UWB探測成像系統(tǒng)可以使警察、消防員和救援人員在緊急情況下迅速找到藏在墻后或者是被埋在廢墟中的人；同時，還可以協(xié)助公共安全部門在攻堅之前，偵測歹徒的動向，在反恐戰(zhàn)爭中可發(fā)揮不可估量的作用；此外，也可以用于提高建筑和家庭維修行業(yè)的安全性。因此，基于UWB技術(shù)的新型探測成像設(shè)備具有廣闊的市場前景。UWB定位系統(tǒng)具備實時的室內(nèi)外精確跟蹤能力，定位精度可以到幾個厘米，在室內(nèi)精確定位方面將會對GPS起到一個很好的補充作用。

　　UWB技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的目標(biāo)就是消滅家電之間的連接線，利用其高速無線數(shù)據(jù)傳輸特點，替代藍牙技術(shù)實現(xiàn)家庭中所有電器之間的無線連接，組建小型數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)代家庭對未來高效數(shù)字化生活的需求。目前UWB技術(shù)正被整合進家庭影院和便攜式產(chǎn)品，完成高速無線視頻和音頻信號的收發(fā)。Motorola、Intel、TI、ST（意法半導(dǎo)體）以及日韓一些廠商已推出UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品。

5、未來趨勢分析

　　從技術(shù)上看UWB有比較廣闊的發(fā)展前景，但是其發(fā)展也面臨著許多挑戰(zhàn)，還有許多技術(shù)問題需要研究解決，諸如需要更好地理解UWB傳播信道的特點，建立信道模型，解決多徑傳播等問題；進行高速脈沖收發(fā)電路的設(shè)計與實現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微控制器噪聲的處理等。UWB應(yīng)用的逐步推廣無疑會大大促進技術(shù)的成熟，有了UWB，未來的數(shù)字家庭已經(jīng)不遙遠。

　　從技術(shù)競爭的角度看，UWB技術(shù)屬于無線個域網(wǎng)的一項主要技術(shù)，跟RFID等短距離通信技術(shù)類似，但在應(yīng)用層面上，RFID通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對目標(biāo)加以識別，與UWB技術(shù)有著明顯的應(yīng)用隔離。

　　WiMAX和WiFi技術(shù)則在覆蓋范圍上明顯高于UWB技術(shù)，所以未來的無線接入技術(shù)發(fā)展應(yīng)該呈現(xiàn)一個百花齊放的形式，借助WiMAX組成城域網(wǎng)，通過WLAN形成熱點覆蓋后，將UWB形成的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)進行鏈接，可以形成一個真正的無縫無線通信世界。