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。可以說，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(yǔ)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UWB的，但是UWB真的會(huì)取代Bluetooth嗎？從目前的情況看，答案是否定的。首先從應(yīng)用領(lǐng)域來看，Bluetooth工作在無須申請(qǐng)的2.4GHz ISM頻段上，主要用來連接打印機(jī)、筆記本電腦等辦公設(shè)備。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距離可以達(dá)到10m以上。而UWB的通信速率在幾百M(fèi)bps，通信距離僅有幾米，因此二者的應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同。其次，從技術(shù)上看，經(jīng)過多年的發(fā)展，Bluetooth已經(jīng)具有較完善的通信協(xié)議。Bluetooth的核心協(xié)議包括物理層協(xié)議和鏈路接入?yún)f(xié)議，鏈路管理協(xié)議及服務(wù)發(fā)展協(xié)議等等，而UWB的工業(yè)實(shí)用協(xié)議還在制定中，估計(jì)要等到2004年才可能初步確定。還有，Bluetooth是一種短距離無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱，藍(lán)牙的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，從這方面講，UWB可以看作是采用一種特殊無線電波來高速傳送數(shù)據(jù)的通信方式，嚴(yán)格地講，它不能構(gòu)成一個(gè)完整的通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到UWB高速、低功耗的特點(diǎn)，也許在下一代Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)中，UWB可能被用做物理層的通信方式。最后，從市場(chǎng)角度分析，藍(lán)牙產(chǎn)品已經(jīng)成熟并得到推廣和使用，而UWB的研究還處在起步階段。基于以上原因，在未來的幾年內(nèi)，UWB和Bluetooth更有可能既是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，又是合作朋友。

（3）UWB與HomeRF

家庭射頻（HomeRF）標(biāo)準(zhǔn)是由HomeRF工作組開發(fā)的，旨在家庭范圍內(nèi)，使計(jì)算機(jī)與其他電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF是IEEE802.11與DECT的結(jié)合，使用這種技術(shù)能降低語(yǔ)音數(shù)據(jù)成本。HomeRF采用了擴(kuò)頻技術(shù)，工作在2.4GHz頻帶，能同步支持4條高質(zhì)量語(yǔ)音信道，但是HomeRF的傳輸速率只有1M～2Mbps。由于HomeRF技術(shù)沒有完全公開，目前只有幾十家小企業(yè)支持，在抗干擾等方面相對(duì)應(yīng)其他技術(shù)而言尚有欠缺，因此它的應(yīng)用前景還不是十分明朗。同IEEE802.11一樣，HomeRF的通信距離比UWB遠(yuǎn)，而傳輸速率比UWB低，在UWB發(fā)射功率受限的前提下，二者應(yīng)該是各有千秋。

結(jié)合上述討論，可以用表1對(duì)四種短距離無線通信做個(gè)簡(jiǎn)單的比較。

表1 4種短距離無線通信比較

3 家庭無線通信是UWB的發(fā)展方向之一

雖然無線通信網(wǎng)已經(jīng)在企業(yè)和公共場(chǎng)所得到推廣和應(yīng)用，但是這些現(xiàn)有技術(shù)很難為家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)無線互連提供一個(gè)合適的方案。按照傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方法，如果要提高通信速率，必須要提高數(shù)字信號(hào)處理器的處理速度，這勢(shì)必要增加系統(tǒng)的成本和功耗，高速率的無線產(chǎn)品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭無線通信網(wǎng)有一些特殊的要求。首先，為了滿足無線數(shù)字視頻的要求，家庭無線互連產(chǎn)品需要更高的通信速率，以無線高清晰數(shù)字電視（WHDTV）為例，如果采用MPFG2HD數(shù)據(jù)格式，則視頻數(shù)據(jù)流的速率高達(dá)25Mbps；其次，要想家庭無線通信產(chǎn)品走向千家萬戶，系統(tǒng)成本必須很低，市場(chǎng)調(diào)查表明，如果無線產(chǎn)品的價(jià)格比同類有線產(chǎn)品的價(jià)格高出30%，將很難被眾多的消費(fèi)者所接受；還有，家庭無線通信產(chǎn)品中用到嵌入式網(wǎng)關(guān)和小型手持設(shè)備往往是電池供電，因此它們的功耗必須很低。也就是說，家庭無線通信產(chǎn)品必須具備高速率、低成本和低功耗三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，按照傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方案，無法在速率、成本和功耗這三者之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。

IEEE802.11a是現(xiàn)有無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，唯一能在通信速率上滿足無線視頻數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)傳送要求的。它的最高速率是54Mbps，有效速率是25Mbps，考慮到MAC接入?yún)f(xié)議，實(shí)現(xiàn)傳送數(shù)據(jù)流的速率還要更低一些。然而，IEEE802.11a是按照與Ethernet接入相類似的分組方式設(shè)計(jì)的，因此它不太適合用于實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)流。還有，IEEE802.11a的功耗大概在1.5W到2W之間，因此綜不能用于電池供電的小型設(shè)備。更重要的是，一個(gè)IEEE802.11a網(wǎng)絡(luò)接入卡（NIC）售價(jià)大概是150～200美元，這樣的價(jià)格很難被家庭消費(fèi)者所接受。因此IEEE802.11a更適合于用在對(duì)價(jià)格和功耗要求不是很高的公用無線局域網(wǎng)里，況且當(dāng)時(shí)IEEE專家設(shè)計(jì)IEEE802.11a時(shí)也根本沒有考慮過將它用在家庭無線通信網(wǎng)上。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中被認(rèn)為最有可能進(jìn)入家庭無線通信互連的是Bluetooth，因?yàn)樵趦r(jià)格和功耗上它很有競(jìng)爭(zhēng)力，然而，Bluetooth的傳輸速率不到1Mbps，極限速率也只有10Mbps。按照這樣的速率計(jì)算，如果用Bluetooth來傳送一部?jī)尚r(shí)的電影可能需要10個(gè)小時(shí)，這顯然不能被用戶所接受。20多年前，F(xiàn)CC提出Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，僅僅是希望將它用在無線耳機(jī)上，經(jīng)過20多年的努力，Bluetooth已經(jīng)發(fā)展成為最主要的低速率的點(diǎn)到點(diǎn)無線通信技術(shù)。利用Bluetooth，可以很好地實(shí)現(xiàn)筆記本電腦、PDA、移動(dòng)電話等設(shè)備之間的低速率數(shù)據(jù)通信，但是FCC從來沒有考慮過將Bluetooth發(fā)展成為高速率數(shù)據(jù)通信或者是無線網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，從這一點(diǎn)來講Bluetooth也很難進(jìn)入家庭無線網(wǎng)。

HomeRF是專門為家庭無線互連提出的，它可以很好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、MP3以及其它家用電器之間語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的通信和互連，但是，HomeRF的有效傳輸速率只有2Mbps，工作在10Mbps以上將嚴(yán)重影響它的性能，這就決定了它不可能進(jìn)入無線HDTV，視頻游戲等寬帶家庭無線通信領(lǐng)域。更重要的是HomeRF的技術(shù)還不成熟，HomeRF標(biāo)準(zhǔn)缺少Intel等大公司的支持，它的推廣和應(yīng)用前景并不被業(yè)界看好。

與傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方法不同，UWB是高速、低成本和低功耗的無線通信方式，因此它可以滿足家庭無線電消費(fèi)市場(chǎng)的需求。盡管UWB的通信距離很短，使得它不能像其它一些無線通信方式那樣一點(diǎn)接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，從而使整個(gè)家庭構(gòu)成一個(gè)總線型的網(wǎng)絡(luò)，但是UWB本身的帶寬很寬，在接入上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，UWB還可以作為下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，從而使得整個(gè)家庭組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，星型網(wǎng)絡(luò)可能更有效，更可靠。

隨著消費(fèi)電子的高速發(fā)展，數(shù)字電視、音頻和視頻接收機(jī)、DVD、卡拉OK、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等娛樂設(shè)備必將進(jìn)入千家萬戶?？梢韵胂?，在不久的將來，采用UWB技術(shù)，無須架設(shè)電纜，僅僅需要小小的網(wǎng)關(guān)和收發(fā)器，就可以組建一個(gè)真正的無線家庭劇院。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，整個(gè)美國(guó)的家庭無線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)在2004年將達(dá)到35億美元，2006年將達(dá)到49億美元，而中國(guó)和亞洲的市場(chǎng)潛力更大。市場(chǎng)分析表明，除了無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等產(chǎn)品已經(jīng)占領(lǐng)和即將占鄰的部分市場(chǎng)外，還有很大一部分的家庭無線通信市場(chǎng)尚未開發(fā)，這意味著UWB將會(huì)在家庭無線通信領(lǐng)域大有作為。目前，眾多的OEM生產(chǎn)商正盼著UWB通信標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品早日成熟并投入實(shí)用。