【無線射頻通信】-超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----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年作為用雷達技術(shù)開發(fā)的，早期主要用于雷達技術(shù)領域。該技術(shù)的進展帶動了脈沖檢測器等設備的開發(fā)，而且該技術(shù)具有對信道衰落不敏感、放射信號功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)簡單度低、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)進展很緩慢，一方面是由于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，也阻礙了它的進展步伐。2023年2月，F(xiàn)CC批準了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)依據(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設計方案稱為直接序列CDMAUWB(DS-CDMAUWB)方案。這個方案頻譜利用率高，可進行高精度定位和跟蹤，反抗多徑衰落力量強，但頻譜共享的敏捷性較差，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，提出的設計方案叫多載波OFDMUWB(MB-OFDMUWB)方案，它采納OFDM技術(shù)傳輸子帶信息，提高了頻譜的敏捷性，但易造成較高的功率峰值與均值比(PAR)，簡單產(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)形成了鮮亮對立的兩大陣營，使得制訂面對UWB高速數(shù)據(jù)傳輸標準的802.15.3a工作組已經(jīng)解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來負責UWB高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蚪y(tǒng)一標準的制訂工作。

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。根據(jù)UWB的技術(shù)設計，UWB使用的帶寬在1GHz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，特殊適合局域網(wǎng)或者個域網(wǎng)內(nèi)設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采納跳時擴頻信號，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在放射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬敞的頻帶中，輸出功率甚至低于一般設備產(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IEEE802.11a、IEEE802.11b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的脈沖特別短(0.1～1.5ns)，頻譜特別寬(數(shù)GHz，可超過10GHz)，能避開多路徑傳輸?shù)男盘柛蓴_。

第三是低功耗，UWB系統(tǒng)放射功率特別小，通信設備可以用小于1mW的放射功率實現(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)標準進展

從理論上分析，UWB技術(shù)優(yōu)勢很明顯，但該技術(shù)的標準制定進度并不快，而且經(jīng)受了幾次挫折。2023年1月中旬，在夏威夷召開的IEEE802標準組會議上，802.15.3a工作組被宣布解散。該標準工作組成立于2023年，但經(jīng)過4年的爭論，MB-OFDM和DS-CDMA兩個技術(shù)主導方案始終無法彼此妥協(xié)。Intel和Motorola等一些巨頭之間進行了針鋒相對的標準之爭，使得UWB技術(shù)的商用步伐大為延緩，無法達成全都意見，各個公司在技術(shù)的開發(fā)上仍舊自行其事，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同盟注意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，物理層傳輸標準草案始終無法出臺。至此，IEEE有關(guān)高速UWB標準化的工作暫告一個段落，UWB技術(shù)標準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討論所，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，幾乎集中了全部的大型跨國公司和集團，并且得到無線USB和無線1394的支持，這點特別重要，由于UWB將來一個最主要的應用方向就是家庭網(wǎng)絡，盼望通過UWB技術(shù)把家庭電器連接成微微網(wǎng)(Piconet)，使無線設備在WiMedia層匯聚，轉(zhuǎn)變成可在物理層上傳輸?shù)男盘枴?/p>

2023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)的討論開發(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)傳輸滿意手持設備、多媒體設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，迎合了某些設備對低功耗的要求，例如鼠標、鍵盤、無線耳機等。目前有數(shù)量超過50億的藍牙設備在市場上應用，而兩大技術(shù)的結(jié)合使移動設備具有高速數(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。2023年，兩個組織已經(jīng)開頭著手開頭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Wisair6家芯片廠商通過了認證，這標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)議認證難度仍舊相當大。

但是兩種新技術(shù)的融合標準制定并不是那么順當。到2023年8月，原訂于2023年其次季度出爐的藍牙及超寬帶技術(shù)整合標準，被宣布將延遲到2023年發(fā)布，使得預先盼望采納此技術(shù)的手機、PDA等手持設備面市時間有可能延遲到2023年后。不過對于這樣的標準化進度，業(yè)界均認為是比較正常的，究竟一個標準的出爐時間都要花上一兩年的時間。目前標準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5億個藍牙設備的同時，還能維持高速的傳輸速度。假如標準順當通過并被各種設備接受，根據(jù)現(xiàn)在的標準設計，新產(chǎn)品將能突破藍牙720kbit/s傳輸速率的限制，速度可達480Mbit/s以上，滿意高質(zhì)量多媒體影音應用的要求，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，2023～2023年間WiMedia與藍牙的合作令標準化的工作好像邁出了解開UWB標準僵局的重要一步。根據(jù)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(一步到位供應家庭網(wǎng)絡的可能性比較小，但是在幾個設備間供應藍牙接口鏈接是可能的)，MB-OFDM方面的技術(shù)標準進展略微領先一步。

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2023年的進展方案，運營商也開頭關(guān)注UWB技術(shù)進展，表明UWB產(chǎn)業(yè)即將進入商業(yè)應用階段。但目前，全球允許UWB技術(shù)商用化的國家還只有。2023年，歐盟射頻頻譜會批準了歐洲的UWB規(guī)劃，為在2023年2月在歐洲采納這一技術(shù)鋪平了道路。歐盟這一舉措被認為是一個"樂觀的監(jiān)管主見'，它意味著歐盟會將正式放開對UWB的管制。也繼之后放寬了限制，主要是針對超寬帶無線系統(tǒng)的無線基站設備，指定的頻帶帶寬為3.4～4.8GHz，以及7.25～10.25GHz。其中，要求3.4～4.8GHz頻段設備必需具備避開對其他無線服務造成干擾的技術(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，但仍舊各有不同)，要求UWB芯片和設備開發(fā)商必需生產(chǎn)出具有高度敏捷性的產(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)標準顯得尤為重要。

2023年基于MB-OFDMUWB技術(shù)的雙頻率超寬帶收發(fā)CMOS芯片方案已開發(fā)勝利。其中，Alereon宣布已研發(fā)勝利支持6GHz以上頻段的UWB芯片，這一聲明將極大地刺激UWB芯片市場，由于目前大部分地區(qū)管制機構(gòu)放開的UWB使用頻段都在6GHz以上。2023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。2023年基于UWB技術(shù)的產(chǎn)品包括UWB天線、UWB移動終端、UWB機頂盒以及面對家庭設備的UWB設備都間續(xù)上市，而內(nèi)置UWB技術(shù)的解決方案將領先應用于打印機、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，隨后將間續(xù)應用于各類消費電子產(chǎn)品中，滿意市場對UWB技術(shù)的應用需求。

對于將來UWB的應用前景，業(yè)界普遍預期比較高，認為UWB技術(shù)將成為最具創(chuàng)新力量和應用最廣泛的技術(shù)之一，將取代目前電腦各設備之間的有線連接。我國的華為公司在UWB技術(shù)開發(fā)方面投入比較高，在UWB領域申請的專利占了14%的比例，在全部的廠商中排名第三，專利領域主要集中在OFDM技術(shù)方面。

在中國，UWB的標準和產(chǎn)業(yè)化進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，由于該技術(shù)不僅僅用于UWB系統(tǒng)，在將來的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)絡技術(shù)日益受到重視，UWB技術(shù)也在這個領域得到認知，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。例如目前在就UWB的使用規(guī)定進行修訂工作。根據(jù)現(xiàn)行管制政策，UWB僅能用于室內(nèi)且必需減輕對其他無線系統(tǒng)的干擾，對UWB的使用有嚴格的限制。在新一輪爭論中，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)采納的方式等都將被納入議題。用于通信的UWB使用的頻段包括3400～4800MHz低頻段和7250～10250MHz的高頻段，其中在低頻段需要降干擾技術(shù)。不過，通過實行限期措施，截至2023年12月31日，4200～4800MHz頻段可以在不具備降干擾技術(shù)的狀況下使用。總務省估計會在限期措施失效之前，通過某種形式指明新技術(shù)應用的方向。除此之外，3400～4800MHz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2023年秋天在ITU-R主辦的WRC07上確定。

4、UWB的應用

UWB現(xiàn)階段主要應用于雷達探測和精確定位，將來UWB將廣泛應用于數(shù)字家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于UWB設備具有很強的穿透力量，UWB探測成像系統(tǒng)可以使警察、消防員和救援人員在緊急狀況下快速找到藏在墻后或者是被埋在廢墟中的人;同時，還可以幫助公共平安部門在攻堅之前，偵測歹徒的動向，在反恐戰(zhàn)斗中可發(fā)揮不行估量的作用;此外，也可以用于提高建筑和家庭修理行業(yè)的平安性。因此，基于UWB技術(shù)的新型探測成像設備具有寬闊的市場前景。UWB定位系統(tǒng)具備實時的室內(nèi)外精確跟蹤力量，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)絡應用中的目標就是毀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)家庭中全部電器之間的無線連接，組建小型數(shù)字家庭網(wǎng)絡，滿意現(xiàn)代家庭對將來高效數(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(意法半導體)以及日韓一些廠商已推出UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品。

5、將來趨勢分析

從技術(shù)上看UWB有比較寬闊的進展前景，但是其進展也面臨著很多挑戰(zhàn)，還有很多技術(shù)問題需要討論解決，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)電路的設計與實現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微掌握器噪聲的處理等。UWB應