UWB无线个人通信技术的概念

多年来，超宽带UWB（Ultra-Wide Bandwidth）短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视，它是一种全新的、与传统无线通信技术有着极大差异的通信新技术，它解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，开发了一个具有千兆赫兹容量的新无线信道。它还具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获与检测的概率低、定位精度高等优点。该技术适用于高速、近距离的无线个人通信，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。超宽带技术优越的特性，越来越受到人们的普遍重视和研究。

一、超宽带UWB的概念

超宽带是一种技术的设备，所谓超宽带技术（UWT，Ultra Wideband Technology），即用于短距离无线电通信的技术，其中涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有用生成和发射，此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干频带相重叠。UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。

在1989年美国国防部首次使用了“超宽带”（UWB）这一术语，其概念是指产生、传输、接收一段持续时间非常短（纳秒或纳秒级以下）的爆发式射频能量脉冲。通过傅里叶变换理论知道，这样的时域脉冲在频域中有很宽的带宽。

二、超宽带UWB的历史

超宽带数据传输技术，大约出现于20世纪60年代，那时的名称有脉冲无线电(Impulse Radio, IR)、基带(Baseband)传输、无载波(Carrier Free)技术等。当时研究主要是受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态行为。在20世纪70年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中。美国国防部在1989年首先使用了“超宽带”（UWB）这一术语。

UWB技术一直是美国军方使用的作战技术之一，直到2002年4月22日，美国联邦通信委员会FCC批准了民用的超宽带无线技术，并且给出了超宽带信号的定义。定义相对带宽大于20%~25%，或绝对带宽大于500MHz的信号为超宽带。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。

后来，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带（IR-UWB）系统、基于直扩码分多址（DS-CDMA）的UWB系统、基于多带正交频分复用（OFDM）的UWB系统等。

欲进一步了解UWB技术的发展历史的请进入。

三、超宽带UWB的技术

如果用f_H、f_L表示能量功率谱密度的上、下限频率(FCC规定为功率谱密度衰减为-l0dB的辐射点所对应的高低端频点）。绝对带宽指f_H ~ f_L，也称能量带宽；相对带宽，也称分数带宽(Fractional Bandwidth)，定义为

（f_H - f_L）/（f_H + f_L）/ 2

其中（f_H + f_L）/ 2为中心频率。

按照FCC Part15的规定，在无需授权机制下，从3.1GHz~l0.6GHz之间7. 5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。

UWB与其他技术（如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等）的产品存在同频和邻频干扰问题，如图1所示。为避免对现存通信系统潜在的可能干扰，FCC对其辐射功率作出了严格的限制，将其等效各向同性辐射功率(EIRP)限制在-41.3dBm/MHz以下，相当于带宽为1MHz的辐射体在3m距离处产生的场强不得超过500μV/m，功率谱密度小于75 NW/MHz。图2所示的是FCC制定的UWB设备室内和室外辐射功率的限制指标，图中包含了对带外辐射的限制。

图1：邻频干扰                                                    图2：FCC制定的UWB设备的辐射掩蔽

欲详细了解UWB无线通信原理及关键技术的请进入。

欲更多了解我国UWB设备技术要求的请进入。

四、UWB技术与传统无线技术的区别

超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”重要有两方面的区别：

1、超宽带的带宽：按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25%为超宽带；信号带宽与中心频率之比在1%~25%之间为宽带，小于1%为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。

2、超宽带的无载波传输方式：传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率（RF）载波来传送信号，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相反的，超宽带以基带传输。实现方式是发送脉冲无线电（IR）信号传送声音和图像数据，每秒可发送多至10亿个代表0和1的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄（0.1至1.5纳秒），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），其中的低频部分可以实现穿墙通信。UWB脉冲信号的发射功率都十分低，仅仅相当于一些背景噪音，不会对其他窄带信号产生任何干扰。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。

3、超宽带的耗能：传统的无线通信在通信时需要连续发出载波，要消耗不少电能。而UWB是发出脉冲电波----直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因而大大减少了耗电量（仅为传统无线技术的1/100）。

4、超宽带的无载波技术：UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这两种技术是目前TG3a（IEEE 802.15.3a Task Group，IEEE 802.15.3a任务组）所讨论的两个竞争提议的基础。UWB使用的电波带宽为数GHz，与带宽20MHz左右的无线LAN相比，UWB利用的带宽高出数百倍。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。不要说BPSK等信号，即使与通常的扩频信号(2.4GHz频段无线LAN的几十MHz带宽)相比，也是超宽带宽(数GHz带宽)。功率谱密度比之扩频信号(2.4GHz无线LAN低于10mW/MHz)，UWB信号也低得多(低于10nW/MHz)。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。而且由于脉冲的时间宽度极小，能把多路径分得更小，能实现RAKE接收(汇集接收许多方向的电波)。通信速度为数百M~1Gbit/秒，与高速有线LAN旗鼓相当。

五、超宽带UWB技术的特点

UWB是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网（WLAN）和个人区域网（PAN）的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。

UWB技术有其独特的特点，欲进一步了解其特点及应用的请进入。