作者：信息產業部電信研究院通信標準研究所  黨梅梅

    超寬帶通信（UWB）是近年來通信領域興起的一種無線互連技術。

    UWB具有高數據率、低功耗、結構簡單和價格低廉等特點，為無線通信的發展開辟了新的機遇。同時，由于其占用極寬的帶寬，與其他通信系統共享頻段，給干擾、兼容等相關領域的研究也帶來了一定的挑戰。

    一、UWB技術特點

    UWB（UltraWideBand）是在較大的帶寬上實現速率為100Mbps~1Gbps傳輸的技術。根據香農理論，無線信道的容量是與其占用的信道帶寬成正比的，UWB能實現很高的數據率，是由于其占用很大的帶寬。根據美國FCC對UWB技術的定義，相對帶寬大于0.2或帶寬超過500MHz的系統都可看作UWB系統，并分配3.1-10.6GHz頻段作為UWB系統可使用的頻段，在該頻段內，UWB設備的發射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便與其他無線通信系統共存。UWB在10m以內的范圍實現無線傳輸，是應用于無線個域網（WPAN）的一種近距離無線通信技術。

    眾所周知，IEEE802.15.3a從2003年開始對UWB的技術方案進行標準化。在UWB物理層技術實現中，存在兩種主流的技術方案：基于正交頻分復用（OFDM）技術的多頻帶OFDM（MB-OFDM）方案、基于CDMA技術的直接序列CDMA（DS-CDMA）方案。CDMA技術廣泛應用于2G和3G移動通信系統，在UWB系統中使用的CDMA技術與在傳統通信系統中使用的CDMA技術沒有本質的區別，只是使用了很高的碼片速率，以獲得符合UWB技術標準的超寬帶寬。OFDM則是應用于E3G、B3G的核心技術，具有頻譜效率高、抗多徑干擾和抗窄帶干擾能力強等優點。

    直接序列擴頻超寬帶技術（DS-UWB）主要是由飛思卡爾（Freescale）半導體公司支持的方案。MB-OFDM方案則是由WiMEDIa聯盟支持的。兩種標準一直以來都處于激烈爭論中，評價DS-CDMA和MB-OFDM在技術層面上孰優孰劣，對方案的最終妥協是無益的。在IEEE802.15.3a內部雖然經過多次投票表決，始終無法淘汰其中一種標準，取得統一。最終在2006年1月份召開的IEEE802會議上，802.15.3a經過投票，解散了該任務組，UWB在IEEE的標準化進程被終止。

    UWB的MAC層協議支持分布式網絡拓撲結構和資源治理，不需要中心控制器，即支持Ad-hoc或mesh組網，支持同步和異步業務、支持低成本的設備實現以及多個等級的節電模式。協議規定網絡以piconet為基本單元，其中的主設備被稱為piconet協調者（PNC）。PNC負責提供同步時鐘、QoS控制、省電模式和接入控制。作為一個AdHoc網絡，piconet只有在需要通信時才存在，通信結束，網絡也隨之消失。網內的其他設備為從設備。WPAN網絡的數據交換在WPAN設備之間直接進行，但網絡的控制信息由PNC發出。

    二、WiMEDIA

    像大家熟知的Wi-Fi、WiMAX聯盟一樣，WiMedia聯盟的重要使命就是建立WPAN認證流程和規范，進行認證以確保設備的互操作性，推動UWB技術在全球范圍的應用。WiMedia聯盟由英特爾、TI、松下、三星、諾基亞、富士通等聞名公司和許多消費電子公司所組成，自成立三年多以來，已經擁有非常廣泛的成員。

    WiMedia聯盟定義的UWB協議分層如圖1所示。前面已經提到物理層存在MB-OFDM和DS-UWB兩個分支，WiMedia目前主要采用MB-OFDM方式。為了支持多種應用，如無線UWB、無線IEEE1394等，WiMedia聯盟在物理層和MAC層之上定義了協議適配層（PAL）。

    圖1  UWB協議分層示意圖

    WiMedia聯盟已經發布了物理層認證規范和兼容性測試平臺，并且開展了多次物理層兼容性測試，主要UWB芯片和設備商均參加了兼容性測試。隨著產品的逐步成熟，WiMedia聯盟將正式開展UWB的設備認證工作。

    三、UWB技術的發展現狀和趨勢

    UWB技術的應用場景主要包括：家庭、辦公室、個人消費電子產品。在“數字化家庭”或“數字家庭網絡”的概念日益廣泛普及的今天，關注這一概念的消費電子廠商試圖用無線網絡將消費者家居中的電器連接起來，使各種大帶寬的Video信息可以在這些電器之間傳遞和交換，如圖2所示。

    圖2  Video信息傳遞和交換示意圖

    在數字化辦公室的應用表現為用無線方式代替傳統有線連接，使辦公環境更加方便靈活。早期的藍牙技術已經使某些設備的無線互聯成為可能。但由于傳輸速率過低（1Mbps以下），只能用于某些計算機外設（如鼠標、鍵盤、耳機等）與主機的連接。而UWB技術的高傳輸帶寬可以實現主機和顯示屏、攝像頭、會議設備、終端設備與投影儀之間的無線互連。同樣，UWB技術在個人便攜設備上也將會有規模應用。由于UWB技術已經可以提供相當于計算機總線的傳輸速率，這樣個人終端就可以從互聯網或局域網上即時下載大量的數據，從而將大部分數據存放在網絡服務器的存儲空間中，而不是保存在個人終端中。攜帶具有UWB功能的小巧終端，在任何地點都可以接入當地的UWB網絡，利用當地的設備（如大屏幕電視、電腦、攝像頭、打印機等）隨時構成一臺屬于自己的多媒體計算機。

    從上面的分析可以看出，取代現有USB接口和1394接口的線纜連接，即無線UWB和無線1394將成為UWB技術最有前途的應用。無線USB聯盟已經公布物理層使用MB-OFDM方案，這對于UWB的應用將是較好的推動。

    2006年，已經有多家公司可以提供UWB芯片，例如Alereon、Artimi、Staccato、Wisair、Intel、英飛凌等均有各自的UWB芯片解決方案，包括基帶芯片、MAC芯片、RF收發芯片、或集成基帶、MAC和RF的芯片。同時，很多芯片公司均公布在2007年將推出符合WiMedia認證的UWB芯片，并將拓展UWB應用在消費電子類產品中。在筆記本芯片市場占有絕對領導地位的Intel公司，致力于將UWB的主要應用無線USB2.0作為筆記本電腦的標準配置接口。

    四、UWB技術發展中的問題

    超寬帶通信應用中存在的一個重要問題是與其他通信系統的共存和兼容問題。由于超寬帶系統使用很寬的頻帶，所以和很多其他的無線通信系統頻段重疊。雖然從理論上說超寬帶系統的發射功率譜密度很低，應能和其他系統“安靜的共存”，但實際應用中超寬帶系統對其他系統的兼容性需要用實驗證實。非凡是超寬帶系統的工作機理和特性還有很多不清楚的方面，比如超寬帶系統的帶外干擾問題，即超寬帶設備也有可能對在其工作頻段之外的無線系統產生一定的干擾，這部分干擾還很難用理論計算的方法準確估計。因此雖然FCC將UWB工作頻段定為3.1GHz以上，但超寬帶設備對3.1GHz以下頻段系統（如2G/3G蜂窩移動通信系統、PHS、無線局域網系統）的干擾也需要考慮。

    FCC規定UWB設備主要的工作頻段將位于3.1GHz和10.6GHz之間，這個頻段內，其發射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。而在此頻段以外，實行更嚴格的功率控制標準。除了要考慮對已有通信系統的干擾外，還要考慮對已有非通信業務有可能產生的干擾。除FCC之外，日本在2006年也提出了自己的UWB頻率范圍和發射功率控制標準。

    ITU-RSG1（頻譜規劃研究組）下曾經設立了1/8任務組（TaskGroup1/8），研究范圍為“UWB設備和無線通信業務之間的兼容性”。在該任務組研究期內，提出了全球UWB頻譜分配和監管的若干原則。

    在UWB概念最早提出之日，WLAN的物理層理論速率最高為54Mb/s，有效速率最高約為20Mb/s，很難滿足視頻信號傳輸的需求。但是，隨著物理層可以支持100Mb/s以上802.11n標準的逐步推進，2006年，很多公司紛紛推出了支持100M以上物理層速率的PRe-802.11nWLAN設備。相比UWB，WLAN存在幾個明顯的技術優勢。WLAN工作在免許可頻段，標準化程度較高，且WLAN產品已經非常成熟，隨著802.11n在未來幾年的大規模應用，設備成本也將會下降到現有802.11g產品的水平。因此，在未來支持高速視頻流傳輸上，如家庭網絡中設備的無線互連，WLAN和UWB存在一定程度的應用和定位重疊。當然WLAN技術是為支持PC之間的無線連接開發的，因此在消費電子領域環境下的應用存在耗電和帶寬的局限性。

    盡管目前UWB的發展中存在著頻率管制、標準化等難題，也還必須面對其他無線技術的競爭，但是可以預見，隨著無線多媒體應用越來越普及，UWB將在消費電子領域、通信領域獲得大規模應用。物理層方案雖然沒有融合的跡象，但是雙方都沒有放棄產業化的腳步，誰最終占領市場，誰將成為事實標準。