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關于UWB技術的應用、前景、優勢及其前世今生
發布時間:2015/5/15 11:10:32  瀏覽次數:1693

UWB編輯

UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術,利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。有人稱它為無線電領域的一次革命性進展,認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術。
總的來說,UWB在早期被用來應用在近距離高速數據傳輸,近年來國外開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內定位,如LocalSense無線定位系統。
UWB又名超寬帶
中文名
UWB
外文名
類    別
無載波通信技術
又    名

1簡介編輯

UWB(Ultra-Wideband)超寬帶,一開始是使用脈沖無線電技術,此技術可追溯至19世紀。后來由Intel等大公司提出了應用了UWB的MB-OFDM技術方案,由于兩種方案的截然不同,而且各自都有強大的陣營支持,制定UWB標準的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標準方案,于是將其交由市場解決。
為進一步提高數據速率,UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜

2特點編輯

UWB(Ultra Wideband)無線通信是一種不用載波,而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方
UWBUWB
UWB(UltraWideband)是一種無載波通信技術,利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率信號,UWB能在10米左右的范圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。
抗干擾性能強,傳輸速率高,系統容量大發送功率非常小。UWB系統發射功率非常小,通信設備可以用小于1mW的發射功率就能實現通信。低發射功率大大延長系統電源工作時間。而且,發射功率小,其電磁波輻射對人體的影響也會很小,應用面就廣。
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脈沖無線電

UWB也可稱為脈沖無線電
可追溯至19世紀。至今UWB還在爭論之中。UWB調制采用脈沖寬度在ns級的快速上升和下降脈沖,脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz,不需常規窄帶調制所需的RF頻率變換,脈沖成型后可直接送至天線發射。脈沖峰峰時間間隔在10 - 100 ps級。頻譜形狀可通過甚窄持續單脈沖形狀和天線負載特征來調整。UWB信號時間軸上是稀疏分布的,其功率譜密度相當低,RF可同時發射多個UWB信號。UWB信號類似于基帶信號,可采用OOK,對映脈沖鍵控,脈沖振幅調制脈位調制。UWB不同于把基帶信號變換為無線射頻(RF) 的常規無線系統,可視為在RF上基帶傳播方案,在建筑物內能以極低頻譜密度達到100 Mb/s數據速率。
為進一步提高數據速率,UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜,采用安全信令方法(Intriguing Signaling Method)。基于UWB的寬廣頻譜,FCC在2002年宣布UWB可用于精確測距,金屬探測,新一代WLAN和無線通信。為保護GPS,導航和軍事通信頻段,UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB發射功率。

不用載波

UWB無線通信是一種不用載波
采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方式,也稱做脈沖無線電( Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。與普通二進制移相鍵控(BPSK)信號波形相比,UWB方式不利用余弦波進行載波調制而發送許多小于1ns的脈沖,因此這種通信方式占用帶寬非常之寬,且由于頻譜的功率密度極小,它具有通常擴頻通信的特點。
UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號,能在10米左右的范圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢,主要應用于室內通信、高速無線LAN、家庭網絡無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領域。
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UWB技術最初是被作為軍用雷達技術開發的,早期主要用于雷達技術領域。2002年2月,美國FCC批準了UWB技術用于民用,UWB的發展步伐開始逐步加快。
藍牙和WLAN等帶寬相對較窄的傳統無線系統不同,UWB能在寬頻上發送一系列非常窄的低功率脈沖。較寬的頻譜、較低的功率、脈沖化數據,意味著UWB引起的干擾小于傳統的窄帶無線解決方案,并能夠在室內無線環境中提供與有線相媲美的性能。UWB具有以下特點:
抗干擾性能強。UWB采用跳時擴頻信號,系統具有較大的處理增益,在發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備產生的噪聲。接收時將信號能量還原出來,在解擴過程中產生擴頻增益。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。傳輸速率高。UWB的數據速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s,有望高于藍牙100倍,也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.11b。
帶寬極寬。UWB使用的帶寬在1GHz以上,高達幾個GHz。超寬帶系統容量大,并且可以和窄帶通信系統同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天,開辟了一種新的時域無線電資源
消耗電能小。通常情況下,無線通信系統在通信時需要連續發射載波,因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波,只是發出瞬間脈沖電波,也就是直接按0和1發送出去,并且在需要時才發送脈沖電波,所以消耗電能小。
保密性好。UWB保密性表現在兩方面。一方面是采用跳時擴頻,接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據;另一方面是系統的發射功率譜密度極低,用傳統的接收機無法接收。
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發送功率非常小。應用面就廣。

3技術原理編輯

UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖,超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬,接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號,省去了傳統通信設備中的中頻級,極大地降低了設備復雜性。
UWB技術采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼,一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 十億分之一秒),重復周期在25-1000ns。圖1顯示了實用的單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性,圖中脈沖的中心頻率在2GHz。
實際通信中使用一長串的脈沖,圖2顯示了周期性重復的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現了強烈的能量尖峰,這是由于時域中信號重復的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統無線電設備和信號構成干擾,而且這種十分規則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰,即采用脈沖位置調制PPM
比如可以用每個脈沖出現位置超前或落后于標準時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖3是一個二進制信息調制的示例。
調制前脈沖的平均周期和調制量δ的數值都極小。因此調制后在接收端需要用匹配濾波技術才能正確接收,即用交叉相關器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調制信息,哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調制后降低了頻譜的尖峰幅度,之所以仍不夠十分平滑是因為時間位置偏移量不夠大,也不夠雜亂。為了進一步平滑信號頻譜,可以讓重復時間的位置偏移量δ大小不一,變化隨機,同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道,即實現通信系統的多址,可以對一個相對長的時間幀內的脈沖串按位置調制進行編碼,特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。
圖中頻譜已經接近白噪聲頻譜,功率也小了許多,這就是偽隨機編碼產生的效果。適當地選擇碼組,保證組內各個碼字相互正交或接近正交,就可以實現碼分多址
UWB系統采用相關接收技術,關鍵部件稱為相關器(correlator)。相關器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號,再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發生在脈沖持續時間內,間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內完成。相關器實質上是改進了的延遲探測器,模板波形匹配時,相關器的輸出結果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。圖5顯示了不同位置七個脈沖經相關器后的波形走勢,750ns后的穩定波形是輸出結果。
值得注意的是,雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設備造成干擾。但是所有帶內的無線電信號都是對UWB信號的干擾,UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調制以及相關解調技術來解決這一問題。

4技術回顧編輯

美國英特爾公司于2002年2月28日在該公司主辦的開發商會議“Intel Developer Forum(IDF)Spring 2002”上公開演示了下一代短距離無線技術“UWB(超寬帶技術)”。主要有如下三大特點:(1)高達數百Mbit/秒的高速通信;(2)耗電量為現有無線技術的1/100以下;(3)較現有無線技術成本更低。
美國英特爾于2002年4月在“IDF 2002 Spring Japan”上對該技術進行演示時的情景。在區區數米的距離內能夠以100Mbit/秒的速度進行通信。
除英特爾外,美國Time Domain、美國Multispectral Solutions以及美國XtremeSpectrum等公司
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也在進行UWB無線設備的開發和生產。這些公司都正在從事軍用無線設備及雷達方面的研發。UWB是以軍用雷達為主要用途,從1960年開始開發的軍用技術。
冷戰結束后,由于受到軍轉民潮流的影響,各家企業展開了游說活動,以便解除對UWB的民用禁令。UWB的最終解禁是2002年2月14日。這一天美國FCC(美國聯邦通信委員會)準許該技術進入民用領域,用戶不必進行申請即可使用。
UWB此前并非只是因為軍事上的原因才無法進行民用的。其主要原因在于UWB所特有的“超寬帶”特點。
在基于UWB的通信中所必須的頻帶寬度相當大,從500MHz直至數GHz。比如,英特爾的試制機使用的就是從2GHz頻帶至6GHz頻帶之間的4GHz帶寬。也許有很多人不清楚這個帶寬到底有多大,但是模擬手機使用的帶寬僅為30kHz,甚至連采用同時使用多個帶寬的OFDM(正交頻分復用)技術進行高速通信的IEEE802.11a所使用的帶寬也只不過是18MHz(日本標準)。
但實際上并不存在空閑如此之寬的頻帶。所以,無論怎么做,總是要出現與現有無線技術所使用的頻帶相互重疊的部分。可以說這不是一項進行頻帶分配,而是一項以共享其他無線技術使用的頻帶為前提的無線技術。
當然,還存在著用戶申請的壁壘。IEEE802.11a和11b等無線LAN產品,用戶不必申請許可即可使用。如果只能購買而不能使用的話,那么就不可能得到普及。因此對于UWB而言,不可或缺的是解禁必須以免除用戶申請為前提。
最終,2002年2月FCC準許UWB技術進入民用領域的條件就是:“在發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3.1G~10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進行掃描的成像系統、汽車防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進行測距和無線數據通信”。
發射功率的大小決定其傳輸距離。據英特爾按照FCC的規定而進行的演示結果顯示,對于10米以內的距離,UWB可以發揮出高達數百Mbit/秒的傳輸性能,但是在20米處反倒是IEEE802.11a/b的無線LAN更好一些。也就是說,既然UWB將與現有無線技術共存,就不會被用于長距離傳輸。
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之所以需要如此的帶寬,是因為UWB是與手機和無線LAN等現有無線通信完全不同的方式。
現有的無線通信為了劃分頻帶而使用“載波”。
而UWB則不使用載波。它使用“脈沖”信號進行信息傳輸。所謂脈沖,就是指產生和消失時間極其短暫的瞬間電流。而UWB方面,其產生和消失時間僅為數百微秒至數納秒以下。1毫秒是1/1000秒,1微秒是1/1000毫秒,1納秒相當于1/1000微秒。由于在1納秒的時間里光也只能傳播約30cm的距離,可見這種脈沖非常之短。
如果將這種脈沖按頻率來分析,則可以將其分解成多種頻率的波(正弦波)段。由于是肉眼看不見的電波,因此難以直觀地進行把握,但正如可利用棱鏡對光進行分解、得到各種波長的光一樣,也可以使用類似的方法進行分析。
如果減小脈沖的長度,那么頻帶寬度的增加將與時間成反比。在使用脈沖傳送信號時,脈沖長度越小,單位時間內傳送的信號就越多。反過來說,帶寬越寬就能夠傳送更多的脈沖。不僅速度可以提高,而且還能有效地降低耗電量。由于加電時間極其短暫,因此平均耗電量很低。
不過,麻煩的是,包含高達數GHz頻帶的頻率成分的脈沖對于其他無線通信而言,只是干擾通信的噪音而已。FCC在充分考慮干擾的危害性之后,才最后決定解除對UWB的民用禁令。但是美國國防部和航空界至今仍然認為可能會造成干擾。看來即使在UWB的發祥地--美國,人們的意見也并不統一。
日本國內的情況是,即沒有充分的實證性數據,也沒有在日本電波法這一框架下對如何使用UWB進行討論。日本總務省的觀點是:“美國和日本的國情不同。無法直接照搬美國標準”。
令人擔心的是,UWB會干擾到利用來自宇宙的微弱電波進行觀測的電波天文臺。美國的電波天文臺大多設立在以沙漠為主的無人地區,而日本的電波天文臺有的就設置在離民房和道路不遠的地方。雖然可以通過更新設備來調整頻帶,但不管怎么說都需要耗費較長的時間。
在以上分析的基礎上,我們來預測一下UWB一旦在日本得到批準后,在個人電腦上的應用前景。毫無疑問,核心問題是硬件軟件的支持。
硬件方面,美國Time Domain公司和美國Multispectral Solutions公司已經達到了即將開始提供UWB芯片組工業樣品的階段。估計最快將于2004年進行正式投產。
最有可能的情況是:將UWB集成到個人電腦芯片組中。英特爾正在進行研究和開發,以便將其配備于芯片組中。這是因為與使用載波的無線技術不同,由于脈沖發生的電路結構簡單,因此相對來說比較容易在芯片組中集成。
英特爾總裁保羅·奧特里尼(Paul Ottelini)已宣布:“將在Banias中集成無線LAN功能”。Banias是與Crusoe相抗衡的低耗電處理器,計劃于2003年上半年開始供貨。在這種芯片組中將集成無線LAN功能,也就是IEEE802.11(是a還是b 尚未確定)。盡管UWB技術還處于開發的初始階段,各種產品的投產時間尚未確定,但是在Banias芯片組中積累的經驗一定會派上用場。
在超高速無線技術方面,60GHz的使用微波頻帶的無線技術也正在開發中。盡管如此,要想把使用大大超過半導體工作頻率的頻帶的無線技術集成到芯片組中還是非常困難的。
OS的支持方面,如果繼續使用現有的軟件,那么制造商的負擔也許并不大。這是因為UWB只不過是相當于接口最下層的物理層規格。比如,英特爾將UWB定位于“無線USB2.0”。實際上,盡管還面臨著如何認證與個人電腦連接的設備等無線技術所特有的問題,但是只需提供用于控制終端產品的設備驅動程序,基本上就可以直接沿用上層程序。
另外也可能將其作為藍牙的物理層來使用。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已經向旨在推進面向短距離通信的無線方式標準化的IEEE802.15委員會提出了UWB規格。所謂IEEE802.15就是指已經標準化的藍牙技術。設立于2002年1月的研究小組“SG3a”的目標就是:專門面向動態圖像傳輸,制定數據傳輸速度在100Mbit/秒以上的無線技術標準規格。該小組將于2003年4月至7月間確定相應規格。如果不出意外的話,或許UWB將作為“藍牙2”出現在用戶面前.
UWB 的歷史淵源,可以追溯到一百年前波波夫馬可尼發明越洋無線電報的時代。現代意義上的超寬帶UWB 無線技術,又稱脈沖無線電( Impulse Radio) 技術,出現于1960年。
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與傳統通信技術不同的是,UWB 是一種無載波通信技術,即它不采用載波,而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據,因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用納秒級窄脈沖發射無線信號的技術, 適用于高速、近距離的無線個人通信。按照FCC 的規定,從3. 1GHz 到10. 6GHz 之間的7. 5GHz 的帶寬頻率為UWB 所使用的頻率范圍。
從頻域來看,超寬帶有別于傳統的窄帶和寬帶,它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比) 小于1% ,相對帶寬在1% 到25% 之間的被稱為寬帶,相對帶寬大于25% ,或者中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。下表表示這三個概念
信號帶寬/中心頻率
窄帶
≤1%
寬帶
1%≤…≤25%
超寬帶(UWB)
≥25%或帶寬≥500Mbps
從時域上講, 超寬帶系統有別于傳統的通信系統。一般的通信系統是通過發送射頻載波進行信號調制,而UWB 是利用起、落點的時域脈沖(幾十n s) 直接實現調制, 超寬帶的傳輸把調制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行, 而且以這一過程中所持續的時間, 來決定帶寬所占據的頻率范圍。由于UWB 發射功率受限, 進而限制了其傳輸距離, 據資料表明,UWB信號的有效傳輸距離在10m 以內, 故而在民用方面,UWB 普遍地定位于個人局域網范疇。

5技術特點編輯

由于UWB與傳統通信系統相比,工作原理迥異,因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點:
(1)系統結構的實現比較簡單:當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波,載波的頻率和功率在一定范圍內變化,從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波,它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發射器直接用脈沖小型激勵天線,不需要傳統收發器所需要的上變頻,從而不需要功用放大器與混頻器,因此,UWB允許采用非常低廉的寬帶發射器。同時在接收端,UWB接收機也有別于傳統的接收機,不需要中頻處理,因此,UWB系統結構的實現比較簡單。
(2)高速的數據傳輸:民用商品中,一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內,再根據經過修改的信道容量公式,其傳輸速率可達500Mbit/ s,是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸,并且不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源,而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中,可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。
(3)功耗低:UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據,脈沖持續時間很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之間,有很低的占空因數,系統耗電可以做到很低,在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW~幾十mW。民用的UWB 設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/ 100 左右,是藍牙設備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此,UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上,相對于傳統無線設備有著很大的優越性。
(4)安全性高:作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內,對一般通信系統,UWB 信號相當于白噪聲信號,并且大多數情況下,UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲,從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后,脈沖的檢測將更加困難。
(5)多徑分辨能力強:由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間,多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低,多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊,其多
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徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊,很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明,對常規無線電信號多徑衰落深達10~ 30 dB 的多徑環境, 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。
(6)定位精確:沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,很容易將定位與通信合一,而常規無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力,可在室內和地下進行精確定位,而GPS定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內; 與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級, 此外,超寬帶無線電定位器更為便宜。
(7)工程簡單造價便宜:在工程實現上,UWB比其它無線技術要簡單得多,可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖,并對脈沖產生調制,而這些電路都可以被集成到一個芯片上,設備的成本將很低。

6歷史發展編輯

如前所述,現代意義上的超寬帶UWB 數據傳輸技術, 又稱脈沖無線電( IR , Impulse Radio) 技術, 出現于1960年, 當時主要研究受時域脈沖響應控制的微波網絡的瞬態動作。通過Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究, UWB 技術在70 年代獲得了重要的發展, 其中多數集中在雷達系統應用中,包括探地雷達系統。到80 年代后期, 該技術開始被稱為"無載波"無線電,或脈沖無線電。美國國防部在1989 年首次使用了"超帶寬"這一術語。為了研究UWB在民用領域使用的可行性,自1998 年起, 美國聯邦通信委員會( FCC) 對超寬帶無線設備對原有窄帶無線通信系統的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業界意見, 在有美國軍方和航空界等眾多不同意見的情況下,FCC 仍開放了UWB 技術在短距離無線通信領域的應用許可。這充分說明此項技術所具有的廣闊應用前景和巨大的市場誘惑力。
2003年12月,在美國新墨西哥州的阿爾布克爾市舉行的IEEE有關UWB標準的大討論。那時關于UWB技術有兩種相互競爭的標準,一方是以Intel與德州儀器為首支持的MBOA標準,一方是以摩托羅拉為首的DS-UWB標準,雙方在這場討論中各不相讓,兩者的分歧體現在UWB技術的實現方式上,前者采用多頻帶方式,后者為單頻帶方式。這兩個陣營均表示將單獨推動各自的技術。雖然標準塵埃未定,但摩托羅拉已有了追隨者,三星在國際消費電子展上展示了全球第一套可同時播放三個不同的HSDTV視頻流無線廣播系統,就采用了摩托羅拉公司的Xtreme Spectrum芯片,該芯片組是摩托羅拉的第二代產品,已有樣片提供,其數據傳輸速度最高可達114Mbps,而功耗不超過200mw。在另一陣營中,Intel公司在其開發商論壇上展示了該公司第一個采用90nm技術工藝處理的UWB芯片;同時,該公司還首次展示多家公司聯合支持的、采用UWB芯片的、應用范圍超過10M的480Mbps無線USB技術。在5月中旬由IEEE802.15.3a工作組主持召開的標準大討論會議上對這種技術進行投票選舉UWB標準,MBOA獲得60%的支持,DS-UWB獲取40%的支持,兩者都沒有達到成為標準必須達到75%選票的要求。因此標準之爭還要持續下去。
美國在UWB的積極投入,引起歐盟和日本的重視,也紛紛開展研究計劃。由Wisair、Philips等六家公司和團體,成立了Ultrawaves組織,研究家庭內,UWB在AV設備高速傳輸的可行性研究。位于以色列的Wisair多次發表所開發的UWB芯片組。STMicro、Thales集團和摩托羅拉等10家公司和團體則成立了UCAN組織,利用UWB達成PWAN的技術,包括實體層、MAC層、路由與硬件技術等。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英國的Philips研究組織等45家以上的研究團體組成,研究UWB的近距離無線界面技術和位置測量技術。日本在2003年元月成立了UWB研究開發協會,計有40家以上的學者和大學參加,并在同年3月構筑UWB通信試驗設備。多個研究機構可在不經過核準的情況下,先行從事研究。中國在2001年9月初發布的"十五"國家863計劃通信技術主題研究項目中,首次將"超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術"作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容,鼓勵國內學者加強這方面的研究工作。
在UWB的專業IC設計公司已有數家,如Time Domain,Wisair,Discrete Time Communications.最具代表性的Xtreme Spectrum在2003年夏天被摩托羅拉并購,該公司在2002年7月推出芯片組Trinity及其參考用電路板,芯片組由MAC、LNA、RF、Baseband所組成,耗電量為200mW,使用3.1G至7.5GHz頻段,速度為100Mbps。為了爭奪未來的家庭無線網絡市場,許多廠商都已推出了自己的網絡產品,如Intel 的Digital Media Adapter,Sony的RoomLink(這兩種適配器應用的是802.11),Xtreme Spectrum 則推出了基于UWB 技術的TRINITY芯片組和一些消費電子產品。而Microsoft推出了WindowsXP Media Center Edition以確保PC 成為智能網絡的樞紐。

7比較編輯

從UWB的技術參數來看,UWB的傳輸距離只有10M左右,因此我們只拿常見的短距離無線技術與UWB作一對比,從中更能顯示出UWB的杰出的優點。常見的短距離無線技術由IEEE802.11a、藍牙、HomeRF。
(1)IEEE802.11a與UWB
IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網標準之一,物理層速率在54Mbps,傳輸層速率在25Mbps,它的通信距離可能達到100M,而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內),IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大,UWB可以達到上千兆,是IEEE802.11a的幾十倍;超過這個距離范圍(即大于10M),由于UWB發射功率受限,UWB就性能就差很多(從演示的產品來看,UWB的有效距離已擴展到20M左右)。因此從總體來看,10M以內,802.11a無法與UWB相比;但是在10M以外,UWB無法與802.11a相比。另外與UWB相比,802.11a的功耗相當大。
(2)藍牙(Bluetooth)與UWB
藍牙技術是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯合推出的一項無線網絡技術。隨后成立的藍牙技術特殊興趣組織(SIG)來負責該技術的開發和技術協議的制定,如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍牙的傳輸距離為10cm~10m。它采用2.4GHzISM頻段和調頻、跳頻技術,速率為1Mbps。從技術參數上來看,UWB的優越性是比較明顯的,有效距離差不多,功耗也差不多,但UWB的速度卻快得多,是藍牙速度的幾百倍。從情況來看,藍牙唯一比UWB優越的地方就是藍牙的技術已經比較成熟,但是隨著UWB的發展,這種優勢就不會再是優勢,因此有人在UWB剛出現時,把UWB看成是藍牙的殺手,不是沒有道理的。
(3)HomeRF與UWB
HomeRF 是專門針對家庭住宅環境而開發出來的無線網絡技術,借用了802. 11 規范中支持TCP/ IP傳輸的協議;而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標準。HomeRF 定義的工作頻段為2. 4GHz ,這是不需許可證的公用無線頻段。HomeRF 使用了跳頻空中接口,每秒跳頻50 次,即每秒鐘信道改換50 次。收發信機最大功率為100mW ,有效范圍約50m,其速率為 1Mbps至2Mbps。寫UWB相比,各有優勢:HomeRF的傳輸距離遠,但速率太低;UWB傳輸距離只有HomeRF的五分之一,但速度卻是HomeRF的幾百倍甚至上千倍。
總而言之,這些流行的短距離無線通信標準各有千秋,這些技術之間存在著相互競爭, 但在某些實際應用領域內它們又相互補充。單純地說"UWB或取代某種技術"這是一種不負責任的說法,就好像飛機又快又穩,也沒有取代自行車一樣,各有各的應用領域。下面通過圖表的形式把四者的區別羅列如下:
UWB
藍牙
802.11a
HomeRF
速率(bps)
最高達1G
<1M
54M
1~2M
距離(米)
<10
10
10~100
50
功率
1毫瓦以下
1~100毫瓦
1瓦以上
1瓦以下
應用范圍
探距離多媒體
家庭或辦公室
電腦和Internet網關
電腦、電話及移動設備

8應用概述編輯

由于UWB具有強大的數據傳輸速率優勢,同時受發射功率的限制,在短距離范圍內提供高速無線數據傳輸將是UWB的重要應用領域,如當前WLAN和WPAN的各種應用。總的說來,UWB主要分為軍用和民用兩個方面。
在軍用方面,主要應用于UWB雷達、UWBLPI/D無線內通系統(預警機、艦船等)、戰術手持和網絡的PLI/D電臺、警戒雷達、UAV/UGV數據鏈、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體。民用方主要包括以下3個方面:地質勘探及可穿透障礙物的傳感器;汽車防沖撞傳感器等;家電設備及便攜設備之間的無線數據通信等。

軍用方面

UWB 技術多年來一直是美國軍方使用的作戰技術之一,但由于UWB 具有巨大的數據傳輸速率優勢, 同時受發射功率的限制, 在短距離范圍內提供高速無線數據傳輸將是UWB 的重要應用領域,如當前WLAN 和WPAN 的各種應用。此外,通過降低數據率提高應用范圍,具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、安全性高、系統復雜度低,能提供數厘米的定位精度等優點。
UWB 技術一個介于雷達和通信之間的重要應用是精確地理定位,例如使用UWB 技術的能夠提供三維地理定位信息的設備。該系統由無線UWB 塔標和無線UWB 移動漫游器組成。其基本原理是通過無線UWB 漫游器和無線UWB 塔標間的包突發傳送而完成航程時間測量,再經往返(或循環) 時間的測量值的對比和分析,得到目標的精確定位。此系統使用的是2.5 ns 寬的UWB脈沖信號,其峰值功率為4W,工作頻帶范圍為1. 3~1. 7 GHz ,相對帶寬為27 % ,符合FCC 對UWB 信號的定義。如果使用小型全向垂直極化天線或小型圓極化天線,其視距通信范圍可超過2 km。在建筑物內部,由于墻壁和障礙物對信號的衰減作用,系統通信距離被限制在約100 m 以內。UWB 地理定位系統最初的開發和應用是在軍事領域,其目的是戰士在城市環境條件下能夠以0. 3 m的分辨率來測定自身所在的位置,其主要商業用途之一為路旁信息服務系統。它能夠提供突發且高達100Mbps 的信息服務,其信息內容包括路況信息、建筑物信息、天氣預報和行駛建議,還可以用作緊急援助事件的通信。

民用方面

UWB 也適用于短距離數字化的音視頻無線鏈接、短距離寬帶高速無線接入等相關民用領域。
UWB第二個重要應用領域是家庭數字娛樂中心。在過去幾年里,家庭電子消費產品層出不窮。PC、DVD 、DVR 、數碼相機、數碼攝像機、HDTV 、PDA 、數字機頂盒、MD、MP3、智能家電等等出現在普通家庭里,正是"舊時王榭堂前燕,飛入平常百姓家"。家庭數字娛樂中心的概念是:將來你的住宅中的PC、娛樂設備、智能家電和Internet都連接在一起,你可以在任何地方使用它們。舉例來說,你儲存的視頻數據可以在PC、DVD、TV、PDA 等設備上共享觀看,可以自由地同Internet交互信息,你可以遙控你的PC,讓它控制你的信息家電,讓它們有條不紊地工作,你也可以通過Internet聯機,用無線手柄結合音、像設備營造出逼真的虛擬游戲空間。從前面對UWB的技術特點來看,UWB技術無疑是一個很好的選擇。
采用UWB技術的凱思特單反無線聯機拍攝套件。
該設備用以實現單反相機和電腦之間的文件無線傳輸和遠程相機控制。

WHDI

WHDI(Wireless Home Digital Interface ,即無線家庭數字接口)設定了一個無線高清晰度視頻連接的新標準。它提供了一個高品質,無壓縮的無線連接方式。工作在4.9GHz~5.875GHz頻段,20MHz或40MHz通道,符合全球5GHz頻譜規定,范圍是30米之內,可穿透墻壁,并且延遲小于1毫秒。WHDI支持新的設備,消費者連接其A/V設備和消費內容,范圍可以覆蓋整個家庭,WHDI允許用戶連接在家庭中的任何源到任何位置展示。使用WHDI,在客廳的電視能顯示臥室里播放的藍光播放機,高清影碟機,廚房電視能顯示在家庭辦公室PC上的內容,以及游戲娛樂可以在地下室投影儀玩樂,而無需移動游戲機從孩子們的臥室或地下室。WHDI這一新標準,方便通過非壓縮高清視頻傳送,將視頻播放器獨立,多個室內高清視頻連接使用一種革命性的視頻調制解調器的辦法,支持覆蓋整個家庭。
WHDI無線傳輸設備
WHDI無線傳輸設備(9張)
WHDI指定了高清視頻傳輸,以及音頻和控制。全面WHDI控制協議將使用戶能夠集中控制從家庭中的所有A/V設備,傳輸幾乎沒有延遲,用戶不會遇到聲音和視頻異步的問題,也可以利用WHDI連接網絡娛樂音頻視頻游戲。其特點是:無壓縮的視頻傳送、傳送無延遲、分辨率高達1080P、支持7.1聲道、100K的回傳信道、支持HDCP2.0技術。
UWB標準化的工作還沒有完成,一些技術問題需要不斷完善,但它將可能成為新一代WLAN和WPAN的技術基礎,從而實現超高速寬帶無線接入。專家指出,在軍事需求和商業市場的推動下,UWB技術將會進一步發展和成熟起來。

9發展前景編輯

如前所述,UWB 系統在很低的功率譜密度的情況下,已經證實能夠在戶內提供超過480Mbps 的可靠數據傳輸。與當前流行的短距離無線通信技術相比,UWB 具有巨大的數據傳輸速率優勢,最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率。UWB技術在無線通訊方面的創新性、利益性已引起了全球業界的關注。與藍牙、802.11b、802.15 等無線通信相比, UWB可以提供更快、更遠、更寬的傳輸速率,越來越多的研究者投入到UWB 領域,有的單純開發UWB技術,有的開發UWB應用,有的兼而有之。相信UWB技術, 不僅為低端用戶所喜愛,且在一些高端技術領域,在軍事需求和商業市場的推動下,UWB 技術將會進一步發展和成熟起來。據聯合商業情報公司在《關于UWB 的預測和潛在市場應用的報告》指出,2007 年全球配備UWB的電子設備和芯片的生產量將達到4510 萬套,當年的收益將達到13. 9 億美元。
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