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UWB

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UWB(Ultra-Wideband)超宽带,一开始是使用脉冲无线电技术,此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案,由于两种方案的截然不同,而且各自都有强大的阵营支持,制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案,于是将其交由市场解决。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲,脉冲覆盖的频谱从直流至GHz,不需常规窄带调制所需的RF频率变换,脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的,其功率谱密度相当低,RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号,可采用OOK,对映脉冲键控,脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 (RF) 的常规无线系统,可视为在RF上基带传播方案,在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。
  为进一步提高数据速率,UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱,采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱,FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距,金属探测,新一代WLAN和无线通信。为保护GPS,导航和军事通信频段,UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。
  UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式,也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比,UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲,因此这种通信方式占用带宽非常之宽,且由于频谱的功率密度极小,它具有通常扩频通信的特点。
  UWB(UltraWideband)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。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。
  UWB技术最初是被作为军用雷达技术开发的,早期主要用于雷达技术领域。2002年2月,美国FCC批准了UWB技术用于民用,UWB的发展步伐开始逐步加快。
  抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大
  与蓝牙和WLAN等带宽相对较窄的传统无线系统不同,UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据,意味着UWB引起的干扰小于传统的窄带无线解决方案,并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。UWB具有以下特点:
  抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益。因此,与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比,在同等码速条件下,UWB具有更强的抗干扰性。传输速率高。UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s,有望高于蓝牙100倍,也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.11b。
  带宽极宽。UWB使用的带宽在1GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天,开辟了一种新的时域无线电资源。
  消耗电能小。通常情况下,无线通信系统在通信时需要连续发射载波,因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波,只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按0和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能小。
  保密性好。UWB保密性表现在两方面。一方面是采用跳时扩频,接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据;另一方面是系统的发射功率谱密度极低,用传统的接收机无法接收。
  发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面就广。
  在军用和民用领域均有广阔应用空间
  由于UWB具有强大的数据传输速率优势,同时受发射功率的限制,在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域,如当前WLAN和WPAN的各种应用。总的说来,UWB主要分为军用和民用两个方面。
  在军用方面,主要应用于UWB雷达、UWBLPI/D无线内通系统(预警机、舰船等)、战术手持和网络的PLI/D电台、警戒雷达、UAV/UGV数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。民用方主要包括以下3个方面:地质勘探及可穿透障碍物的传感器;汽车防冲撞传感器等;家电设备及便携设备之间的无线数据通信等。
  特别是,UWB在家庭数字娱乐领域大有用武之地。在过去几年里,家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD、DVR、数码相机、数码摄像机、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来,这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。未来“家庭数字娱乐中心”的概念是:将来住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起,人们可以在任何地方更加轻松地使用它们。举例来说,家庭用户储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA等设备上共享观看,可以自由地同Internet交互信息;可以遥控PC,让它控制你的信息家电;也可以通过Internet联机,用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。在这方面,应用UWB技术无疑是一个很好的选择。
  目前UWB标准化的工作还没有完成,一些技术问题需要不断完善,但它将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础,从而实现超高速宽带无线接入。专家指出,在军事需求和商业市场的推动下,UWB技术将会进一步发展和成熟起来。
  与其它短距离无线技术的比较
   从UWB的技术参数来看,UWB的传输距离只有10M左右,因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比,从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
   (1)IEEE802.11a与UWB
   IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一,物理层速率在54Mbps,传输层速率在25Mbps,它的通信距离可能达到100M,而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内),IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大,UWB可以达到上千兆,是IEEE802.11a的几十倍;超过这个距离范围(即大于10M),由于UWB发射功率受限,UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看,UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看,10M以内,802.11a无法与UWB相比;但是在10M以外,UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比,802.11a的功耗相当大。
   (2)蓝牙(Bluetooth)与UWB
   蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定,如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm~10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术,速率为1Mbps。从技术参数上来看,UWB的优越性是比较明显的,有效距离差不多,功耗也差不多,但UWB的速度却快得多,是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看,蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟,但是随着UWB的发展,这种优势就不会再是优势,因此有人在UWB刚出现时,把UWB看成是蓝芽的杀手,不是没有道理的。
   (3)HomeRF与UWB
   HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术,借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议;而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ,这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口,每秒跳频50 次,即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ,有效范围约50m,其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比,各有优势:HomeRF的传输距离远,但速率太低;UWB传输距离只有HomeRF的五分之一,但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。
   总而言之,这些流行的短距离无线通信标准各有千秋,这些技术之间存在着相互竞争, 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法,就好像飞机又快又稳,也没有取代自行车一样,各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下:
  
  UWB
  蓝芽
  802.11a
  HomeRF
  速率(bps)
  最高达1G
  <1M
  54M
  1~2M
  距离(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
  应用范围
  探距离多媒体
  家庭或办公室
  电脑和Internet网关
  电脑、电话及移动设备
  
  
  UWB应用概述
  UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一,但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势, 同时受发射功率的限制, 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域,如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外,通过降低数据率提高应用范围,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点;UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来,UWB的用途很多,主要分为军用和民用两个方面。
  在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体;在民用方面,自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来, UWB的民用主要包括以下3 个方面:地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ;汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ;家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements system) 。下面对两个重要应用展开论述。
  UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位,例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量,再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析,得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号,其峰值功率为4W,工作频带范围为1. 3~1. 7 GHz ,相对带宽为27 % ,符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线,其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部,由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用,系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域,其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务,其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议,还可以用作紧急援助事件的通信。
  UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里,家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里,正是"旧时王榭堂前燕,飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是:将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起,你可以在任何地方使用它们。举例来说,你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看,可以自由地同Internet交互信息,你可以遥控你的PC,让它控制你的信息家电,让它们有条不紊地工作,你也可以通过Internet联机,用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来,这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看,UWB技术无疑是一个很好的选择。
  UWB的发展前景
  如前所述,UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下,已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比,UWB 具有巨大的数据传输速率优势,最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比, UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率,越来越多的研究者投入到UWB 领域,有的单纯开发UWB技术,有的开发UWB应有,有的兼而有之。相信UWB技术, 不仅为低端用户所喜爱,且在一些高端技术领域,在军事需求和商业市场的推动下,UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出,2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套,当年的收益将达到13. 9 亿美元。
  同先进国家相比较,我国在无线通信领域仍处于待开发状态,通过UWB技术的研究,可以充分发挥后发优势,研究将会更有方向性和针对性,因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平,促进我国在UWB技术方面的全面发展,同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品,建立新的经济增长点,具有重大意义。
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  UWB——GPS定位的比较
  UWB 作为一项新的短距离无线通讯技术,具有以下一些传统的通讯技术无法比拟的优势:
  1. 定位精度高
  下面的表格给出了目前无线定位领域各种定位技术的定位精度对照表。
  技术 定位精度
  Proximity cards 大约30m
  GPS 5m-20m
  Bluetooth 大约3m
  IEEE802.11 大约3m
  Dedicated RF 大约3m
  Unidirectional UWB <30cm
  UBIsense UWB 15cm(3d)
  UBIsense公司在进行定位中运用到达时间差(TODA)和到达时间角度(AOA)的混
  合定位方法,利用三维坐标将定位误差降到最小。
  2. 范围覆盖广
  UWB 属于中短距离范围内的通讯技术,非常适合构建室内环境的实时定位系统。根据
  最近的发展,目前的单个传感器定位单元的覆盖面积达到400 平方米,传感器网络的信号发射节点跟信号接收节点之
  间的最大距离达到60 米。可以实现多个定位单元(Cell)联合工作,按需扩大覆盖面积。
  3. 实时性好
  相对于其他定位技术,UWB 定位一个很大的优势就是它具有较好的实时性。下面
  的表格给出了目前无线定位领域各种定位技术的实时响应频率。
  技术 实时响应
  Proximity cards 0.001HZ
  IEEE802.11 大约0.1HZ
  Bluetooth 大约0.4HZ
  Dedicated RF 大约0.2HZ
  Unidirectional UWB 0.1HZ或1HZ
  UBIsense UWB 40HZ per cell and 10HZ UBItag
  4.穿透力强
  UWB 信号具有非常强的穿透力。UWB 信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介
  质,因此军事上UWB 雷达可用来探测地雷,民用上可以查找地下金属管道、探测高
  速公路地基等。
  5. 通信能力
  由于UWB使用的频点较高,它的数据传输速率相当高。下面的表格可以看出UWB在数据传输速率方面的优势。
  技术 速率
  Bluetooth 小于1Mbps
  IEEE802.11a 54MBps
  HomeRF 1-2Mbps
  UWB 500Mbps
  正因为UWB 在数据的传输速率上有较大的优势,WiMedia 联盟着力于将UWB 打造成现有无线网络技术(Bluetooth
  ,etc.),以及一些新兴技术(WUSB)的基础平台。
  6. 发射功率小
  UWB 产品具有很小的发射功率。2002 年2 月FCC 准许UWB 技术进入民用领域的条件就是:“在发送功率低于美国放
  射噪音规定值-41.3dBm/MHz(换算成功率则为1mW/MHz)的条件下,可将3.1GHz~10.6GHz 的频带用于对地下和隔墙
  之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测蹑和无线数据通信"。按照FCC 的规
  定,UWB 通信在近期内将只可能用于短距离的无线通信,这就意味着在一定时期内UWB 将会与现有短距离无线技术共
  同生存,共同发展。同时,发射功率小,意味着UWB 信号发射节点可以连续工作很长时间而无需更换电池。下图给出
  了UWB 与现有其他无线通讯技术在发射功率上的比较。
  技术 发射
  IEEE802.11a 大于1瓦
  Bluetooth 1毫瓦-100毫瓦
  HomeRF 大于1瓦
  UWB 小于1毫瓦
  由于UWB是脉冲电波的工作方式,只有在工作的时候才发出脉冲电波,这比其他无线载电波技术连续性发出载电波有
  着很大的不同,大大节约了能耗,在提倡绿色能源的今天尤为宝贵。
  顺便介绍下这个方面科研能力比较强的唐恩科技(www.donetech.com.cn),并且它是UBIsense UWB系统在大中华地区唯一代理,里面有更多关于GPS、UWB技术和成熟案例介绍,欢迎访问。


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技术    通信    

参考资料
http://baike.baidu.com/view/5958.htm

贡献者
sylar    


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