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UWB的特點(diǎn)及在短距離無線通信中的應(yīng)用前景
摘要：UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術(shù)，本文介紹UWB的主要特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用，詳細(xì)比較了UWB通信與IEEE802.11、Bluetooth和HomeRF等現(xiàn)有短距離無線通信的異同，并對(duì)UWB在家庭無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。超寬帶（Ultra-wideband,UWB）技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無線通信的飛速發(fā)展，人們對(duì)高速無線通信提出了更高的要求，超宛帶技術(shù)又被重新提出，并倍受關(guān)注。UWB是指信號(hào)帶寬大于500MHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。與常見的通信方式使用連續(xù)的載波不同，UWB采用極短的脈沖信號(hào)來傳送信息，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps。在高速通信的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一，對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來說近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無線電設(shè)備共享帶寬。所以，UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式，它有望在無線通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在進(jìn)行UWB無線設(shè)備的開發(fā)和推廣。
1 UWB的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用
鑒于UWB信號(hào)是持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖串，占用帶寬大，因此它有一些十分獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和用途。在通信領(lǐng)域，UWB可以提供高速率的無線通信。在雷達(dá)方面，UWB雷達(dá)具有高分辨力（ns級(jí)）。當(dāng)前的隱身技術(shù)采用的是隱射涂料和隱身特殊結(jié)構(gòu)，但都只能在一個(gè)不大的頻帶內(nèi)有效，在超寬頻帶內(nèi)，目標(biāo)就會(huì)原形畢露。UWB雷達(dá)還具有很強(qiáng)的穿透能力，UWB信號(hào)能穿透樹葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì)，因此軍事上UWB雷達(dá)可用來探測(cè)地雷，民用上可以查找地下金屬管道、探測(cè)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使用極微弱的同步脈沖可以辨別出隱藏的物體或墻體后運(yùn)動(dòng)著的物體，定位誤差只有一兩厘米。也就是說，同一個(gè)UWB設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通信、雷達(dá)和定位三大功能。
UWB無線通信除了帶寬大，通信速率高之外，還有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先，UWB通信的保密性強(qiáng)。UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測(cè)的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。其次，UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落。多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動(dòng)環(huán)境下使用。更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本�？梢哉f，低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的UWB通信正是人類所期望的夢(mèng)幻般的無線通信方式。
當(dāng)然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很大，UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)其他無線通信系統(tǒng)，因此UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭(zhēng)論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是由于它的脈沖持續(xù)時(shí)間很短，它的瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。但是學(xué)術(shù)界的種種爭(zhēng)論并不影響UWB的開發(fā)和使用，2002年2月美國(guó)通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請(qǐng)。
UWB的用途有很少，主要分為軍事和民用兩個(gè)方面。在軍事上UWB可以用于低截獲率（LPI/D）的內(nèi)部無線通信系統(tǒng)、LPI/D地波通信、LPI/D高度計(jì)、戰(zhàn)場(chǎng)手持和網(wǎng)絡(luò)LPI/D電臺(tái)、UWB雷達(dá)、防撞雷達(dá)、警戒雷達(dá)、無線標(biāo)簽、接近引信、高精度定位系統(tǒng)、無人駕駛飛行器和地面戰(zhàn)車及其通信鏈路、探測(cè)地雷、檢測(cè)地址目標(biāo)等等。在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速無線局域網(wǎng)、高度計(jì)、民航防撞雷達(dá)、汽車防撞感應(yīng)器、高精度定位、無線標(biāo)簽和工業(yè)射頻監(jiān)控等。
2 UWB通信與其它短距離無線通信的比較
UWB技術(shù)與現(xiàn)有其它無線通信技術(shù)有著很大的不同，它將會(huì)為無線局域網(wǎng)（LAN）和個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的接入帶來低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線電技術(shù)多年的諸如信道衰落、高速率時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高和功耗大等重大難題，但是UWB通信不會(huì)很快取代現(xiàn)有的其它無線通信技術(shù)。
雖然UWB通信中所須的頻帶寬度相當(dāng)大，從500MHz直至幾GHz。如英特爾的樣機(jī)使用的就是從2GHz頻帶至6GHz頻帶之間的4GHz帶寬。但實(shí)際上并不存在如此之寬的空閑頻帶，無論采取什么辦法，UWB通信使用的頻帶與現(xiàn)有無線通信使用的頻帶必定會(huì)發(fā)生重疊，為了避免UWB通信對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，UWB用戶人事科有必須申請(qǐng)頻率許可。2002年2月FCC準(zhǔn)許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的條件就是：“在發(fā)送功率低于美國(guó)放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1GHz～10.6GHz的頻帶用于對(duì)地下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達(dá)以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測(cè)躡和無線數(shù)據(jù)通信"。發(fā)射功率的大小決定了傳輸距離，按照FCC的規(guī)定，UWB通信在近期內(nèi)將只可能用于極短距離的無線通信，這就意味著在一定時(shí)期內(nèi)UWB將會(huì)與現(xiàn)有短距離無線技術(shù)共同生存，共同發(fā)展。
（1）UWB與IEEE802.11a
IEEE802.11a是IEEE最初制定的一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一，它主要用來解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，工作在5GHzU-NII頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。采用正交頻分復(fù)用（OFDM）擴(kuò)頻技術(shù)；可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。IEEE802.11a用作無線局域網(wǎng)時(shí)的通信距離可以達(dá)到100m，而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信。根據(jù)英特爾照FCC的規(guī)定而進(jìn)行的演示結(jié)果顯示，對(duì)于10m以內(nèi)的距離，UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百M(fèi)bps的傳輸性能，但是在20m處反倒是IEEE802.11a/b的無線局域網(wǎng)網(wǎng)設(shè)備更好一些。因此在目前UWB發(fā)射功率受限的情況下，UWB只能用于10m以內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通信，而10m到100m的無線局域網(wǎng)通信，還需要由802.11來完成，當(dāng)然與UWB相比，802.11的功耗大，傳輸速率低。
（2）UWB與Bluetooth
自從2002年2月14日，F(xiàn)CC頂住多方面的壓力批準(zhǔn)UWB用于無線通信以來，就不斷有人將UWB評(píng)論為藍(lán)牙（Bluetooth）的殺手，因?yàn)閺男阅軆r(jià)格比上看，Bluetooth是現(xiàn)有無線通信方式中最接近U
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