1.什么是超寬帶無線通信技術？

超寬帶（UWB）技術是目前備受關注的一種新型短距離高速無線通信技術。多年來，這項技術一直在軍事領域中使用。UWB在民用領域開放后，有望憑借其超高的傳輸速度和低功率、低成本等優勢給短距離無線接入市場注入新的活力。

2.UWB的特點

應用于無線通信領域的UWB是一種低功率的無線電技術。按照2002年美國聯邦通信委員會（FCC）在向民用領域開放UWB時的定義，超寬帶技術指的是信號相對帶寬（即信號帶寬與中心頻率之比）不小于0.2或絕對帶寬不小于500 MHz，并使用指定的3.1 GHz～10.6 GHz頻段的通信方式。與其他傳統的無線通信技術相比較，UWB的技術特點主要有：

（1）傳輸速率高

UWB系統使用上千兆赫茲的超寬頻帶，所以即使把發送信號功率譜密度控制得很低，也可以實現高達100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根據仙農信道容量公式，如使用7 GHz帶寬，那么即使信噪比低至-10 dB，理論信道容量也能達到1 Gb/s［1］， 因此實際中實現100 Mb/s以上的速率是完全可能的。

（2）通信距離短

由于隨著傳播距離的增加高頻信號強度衰減太快，因此使用超寬頻帶的系統更適合于進行短距離通信。理論分析表明，當收發機之間的距離大于12 m時，UWB的信道容量低于傳統的窄帶系統。

（3）平均發射功率低

在短距離應用中，UWB發射機的發射功率通常可做到低于1 mW，這是通過犧牲帶寬換取的。FCC規定UWB的發送功率譜密度必須低于美國放射噪音規定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來說相對于其他通信系統UWB信號所產生的干擾僅相當于一寬帶白噪聲。所帶來的好處體現在兩方面：一是可使UWB系統與同頻段的現有窄帶通信系統保持良好共存性，這對于提高無線頻譜資源的利用率，緩解日益緊張的無線頻譜資源大有好處;二是使得UWB信號隱蔽性好，不易被截獲，保密性高。

（4）多徑分辨率極高

由于UWB采用持續時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨力都很強，因此系統的多徑分辨率極高（1 ns脈沖的多徑分辨率為30 cm），接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力，同時在進行測距、定位、跟蹤時也能達到更高的精度。值得一提的是，窄脈沖具有很強的穿透各種障礙物的能力，例如墻壁和地板，因此UWB具有比紅外通信更為廣泛的應用。

（5）適合于便攜型應用

傳統的UWB技術使用基帶傳輸，無需進行射頻調制和解調，由此帶來的好處是設備的功耗小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無線應用。

歸根溯源，從頻域上來看，UWB的諸多優點來自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠遠高于現有的GSM、IS-95、3G等通信系統。

因此，UWB的技術實現細節與傳統的窄帶通信方式有很大差別。

3.UWB的應用

憑借著短距離傳輸范圍內的高傳輸速率這一巨大優勢，UWB進軍民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）上。現有的各種無線解決方案（例如3G、802.11、藍牙等）的速率均低于100 Mb/s，UWB則在10 m左右的范圍之內打破了這一限制。

這樣一種小范圍內的通信，特別是高速通信，通常是用有線連接來完成的，而UWB的應用將使得人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。家中的臺式電腦不再需要各種線纜分別連接顯示器、打印機和掃描儀，攝像機向電視實時輸送錄像也代之以高速無線連接，這將會給人們的生活帶來極大的便利。

人們也可以用同樣的技術來幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物里面的人們，甚至防止汽車相撞。類似的應用將會層出不窮，遠遠超過人們目前的想象空間。

就現在的發展趨勢來推斷，UWB的應用將主要集中在以下幾個方面：

1、家居安全/互聯家居

目前的報警系統需要用戶來激活和停用系統。采用 UWB 之后，用戶將獲得無縫體驗。主人不再需要使用鑰匙來開門，或使用觸摸板來解除安全系統報警。當主人把智能手機放在口袋里時，系統就會知道用戶走近或離開家的時間。其他應用包括智能遙控和智能手機，主人只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來啟用正確的功能，遙控器和智能手機就知道是哪個物體。

2、工業制造

UWB 可提供精確可靠的物體和人員位置信息，從而提高運營效率、安全性和資產跟蹤性能。工廠可利用 UWB 技術，在工人接近危險區域時發出警告，以提高安全性。如果發生緊急情況，UWB 可跟蹤是否所有工人均已安全撤離。

UWB 還可用于“數字孿生”制造應用，這些應用使用物理對象或工藝的近實時數字圖像來優化業務流程以提升績效。（數字孿生是現實產品或資產的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產（如生產機器、生產線和工廠）的性能、有效性和質量。）UWB 標簽可跟蹤叉車和工具，以便實時查看工作進展，從而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶頸。

3、汽車工業

采用 UWB 技術的密鑰卡可實現安全通信和距離測量，以防止車輛被盜。UWB 采用飛行時間 （TOF） 概念，并結合了 IEEE 802.15.4z 標準要求的其他安全措施，是經過驗證的防中繼攻擊技術。

4、機器人

UWB 可以實現非常精確的機器人導航系統。例如，您可以讓剪草機自動、高效、精確、安全地割草。或者，可以讓自動導引車 （AGV） 將備件送到裝配線上的特定工作站。個人運輸機器人甚至可以跟著走，搬運任何需要移動的重型零件或設備。

5、運動行業

UWB 具有厘米級精度和低延遲，非常適合進行運動分析。可以跟蹤運動員快速運動過程中的統計數據，并且無需擔心測量不準確。UWB 已經用于許多專業體育項目，幫助防止隊員受傷，提高運動員的成績。

6、企業級

UWB 可實現可靠的社交距離解決方案，能夠將工人安全運送到工作現場。由于其精確性、可靠性和實時性，UWB 成為企業應用的首選技術。UWB 還可用于實現感應式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進出。這不僅便利，而且還提高了醫院等環境的安全性。

總之，UWB定位于各種消費類電子設備和終端間的高速無線連接。由于消費類電子設備很多，決定了UWB的應用將非常廣泛。

4.超寬帶技術的優勢

超寬帶技術作為無線個域網的技術之一，具有很多特點。

第一，提高頻段的利用率，超寬帶利用了未被授權使用的頻段，即3.1-10.6GHz頻段，在不干擾其它無線通信時最大的利用了這段頻段。

第二，傳輸數率高，根據香農定理，數據的最大傳輸率和信號帶寬有如下關系：

其中，C代表信道容量，BW表示帶寬，傳輸速率和帶寬成正比，因此對于超寬帶系統，具有高數據傳輸率的潛能，取決于具體的超寬帶協議。

第三，超寬帶使用非常靈活，對于不同應用領域，有不同的參數和功能要求，如數據率，功耗，傳輸范圍等參數，通信，定位等功能，超寬帶能夠提供多種應用需求而無需額外的硬件資源。

第四，高的時間分辨率，UWB發射的脈沖極窄，時間分辨率很高，因此在抗多徑效應的方面表現優異，利用高的時間分辨率特點，應用在定位，測距領域時，具有高的定位精度或測距精度。

基于上述優點，使得超寬帶在很多方面都有應用，在實現設備之間的通信時，還可應用于定位，雷達，汽車防撞，測距等軍用民用上，因此超寬帶技術成為了短距離無線通信技術的有力競爭者。