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UWB的特點(diǎn)及在短距離無(wú)線(xiàn)通信中的應用前景
摘要：UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，本文介紹UWB的主要特點(diǎn)及相關(guān)應用，詳細比較了UWB通信與IEEE802.11、Bluetooth和HomeRF等現有短距離無(wú)線(xiàn)通信的異同，并對UWB在家庭無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)中的應用前景進(jìn)行了分析和展望。超寬帶（Ultra-wideband,UWB）技術(shù)起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達等通信設備中使用。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的飛速發(fā)展，人們對高速無(wú)線(xiàn)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是指信號帶寬大于500MHz或者是信號帶寬與中心頻率之比大于25%。與常見(jiàn)的通信方式使用連續的載波不同，UWB采用極短的脈沖信號來(lái)傳送信息，通常每個(gè)脈沖持續的時(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幾GHz，因此最大數據傳輸速率可以達到幾百Mbps。在高速通信的同時(shí)，UWB設備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現有設備的幾百分之一，對于普通的非UWB接收機來(lái)說(shuō)近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現有無(wú)線(xiàn)電設備共享帶寬。所以，UWB是一種高速而又低功耗的數據通信方式，它有望在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到廣泛的應用。目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在進(jìn)行UWB無(wú)線(xiàn)設備的開(kāi)發(fā)和推廣。
1 UWB的主要特點(diǎn)及其應用
鑒于UWB信號是持續時(shí)間非常短的脈沖串，占用帶寬大，因此它有一些十分獨特的優(yōu)點(diǎn)和用途。在通信領(lǐng)域，UWB可以提供高速率的無(wú)線(xiàn)通信。在雷達方面，UWB雷達具有高分辨力（ns級）。當前的隱身技術(shù)采用的是隱射涂料和隱身特殊結構，但都只能在一個(gè)不大的頻帶內有效，在超寬頻帶內，目標就會(huì )原形畢露。UWB雷達還具有很強的穿透能力，UWB信號能穿透樹(shù)葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì)，因此軍事上UWB雷達可用來(lái)探測地雷，民用上可以查找地下金屬管道、探測高速公路地基等。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動(dòng)著(zhù)的物體，定位誤差只有一兩厘米。也就是說(shuō)，同一個(gè)UWB設備可以實(shí)現通信、雷達和定位三大功能。
UWB無(wú)線(xiàn)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。UWB系統的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒(méi)在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應用前景。其次，UWB通信采用調時(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)信號幅度隨機變化，而UWB系統每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統特點(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(chēng)為是無(wú)載波的基帶通信，UWB通信系統幾乎是全數字通信系統，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統的復雜性，降低成本�？梢哉f(shuō)，低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的UWB通信正是人類(lèi)所期望的夢(mèng)幻般的無(wú)線(xiàn)通信方式。
當然，UWB通信也存在不足，主要問(wèn)題是UWB系統占用的帶寬很大，UWB系統可能會(huì )干擾現其他無(wú)線(xiàn)通信系統，因此UWB系統的頻率許可問(wèn)題一直在爭論之中；另外，還有學(xué)者認為，盡管UWB系統發(fā)射的平均功率很低，但是由于它的脈沖持續時(shí)間很短，它的瞬時(shí)功率峰值可能會(huì )很大，這甚至會(huì )影響到民航等許多系統的正常工作。但是學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開(kāi)發(fā)和使用，2002年2月美國通信協(xié)會(huì )（FCC）批準了UWB用于短距離無(wú)線(xiàn)通信的申請。
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）的內部無(wú)線(xiàn)通信系統、LPI/D地波通信、LPI/D高度計、戰場(chǎng)手持和網(wǎng)絡(luò )LPI/D電臺、UWB雷達、防撞雷達、警戒雷達、無(wú)線(xiàn)標簽、接近引信、高精度定位系統、無(wú)人駕駛飛行器和地面戰車(chē)及其通信鏈路、探測地雷、檢測地址目標等等。在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、高度計、民航防撞雷達、汽車(chē)防撞感應器、高精度定位、無(wú)線(xiàn)標簽和工業(yè)射頻監控等。
2 UWB通信與其它短距離無(wú)線(xiàn)通信的比較
UWB技術(shù)與現有其它無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有著(zhù)很大的不同，它將會(huì )為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（LAN）和個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的接入帶來(lái)低功耗、高帶寬并且相對簡(jiǎn)單的解決方案。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統無(wú)線(xiàn)電技術(shù)多年的諸如信道衰落、高速率時(shí)系統復雜、成本高和功耗大等重大難題，但是UWB通信不會(huì )很快取代現有的其它無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。
雖然UWB通信中所須的頻帶寬度相當大，從500MHz直至幾GHz。如英特爾的樣機使用的就是從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(wú)論采取什么辦法，UWB通信使用的頻帶與現有無(wú)線(xiàn)通信使用的頻帶必定會(huì )發(fā)生重疊，為了避免UWB通信對其它系統的干擾，UWB用戶(hù)人事科有必須申請頻率許可。2002年2月FCC準許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的條件就是：“在發(fā)送功率低于美國放射噪音規定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1GHz～10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統、汽車(chē)防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測躡和無(wú)線(xiàn)數據通信"。發(fā)射功率的大小決定了傳輸距離，按照FCC的規定，UWB通信在近期內將只可能用于極短距離的無(wú)線(xiàn)通信，這就意味著(zhù)在一定時(shí)期內UWB將會(huì )與現有短距離無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準之一，它主要用來(lái)解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)接入，工作在5GHzU-NII頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。采用正交頻分復用（OFDM）擴頻技術(shù)；可提供25Mbps的無(wú)線(xiàn)ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語(yǔ)音、數據、圖像業(yè)務(wù)。IEEE802.11a用作無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)時(shí)的通信距離可以達到100m，而UWB只能在10m以?xún)鹊姆秶ㄐ�。根據英特爾照FCC的規定而進(jìn)行的演示結果顯示，對于10m以?xún)鹊木嚯x，UWB可以發(fā)揮出高達數百Mbps的傳輸性能，但是在20m處反倒是IEEE802.11a/b的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)網(wǎng)設備更好一些。因此在目前UWB發(fā)射功率受限的情況下，UWB只能用于10m以?xún)鹊母咚贁祿ㄐ�，�?0m到100m的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信，還需要由802.11來(lái)完成，當然與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，FCC頂住多方面的壓力批準UWB用于無(wú)線(xiàn)通信以來(lái)，就不斷有人將UWB評論為藍牙（Bluetooth）的殺手，因為從性能價(jià)格比上看，Bluetooth是現有無(wú)線(xiàn)通信方式中最接近U
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