第一章 行業(yè)概況

UWB （Ultra Wide band） 是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)。UWB是一個(gè)既古老又嶄新的研究領(lǐng)域，現(xiàn)代意義上的超寬帶UWB數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，又稱脈沖無線電（IR，Impulse Radio）技術(shù)，出現(xiàn)于1960年，通過Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技術(shù)在70年代獲得了重要的發(fā)展，其中多數(shù)集中在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中，包括探地雷達(dá)系統(tǒng)等。美國國防部在1989年首次使用了＂超帶寬＂這一術(shù)語。

為了研究UWB在民用領(lǐng)域使用的可行性，自1998年起，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）對(duì)超寬帶無線設(shè)備對(duì)原有窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業(yè)界意見。2002年，美國FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）正式將3．1GHz－10．6GHz頻帶作為室內(nèi)通信用途的UWB開放，標(biāo)志著UWB開始用于民用無線通信。隨后幾年中，一些國家和地區(qū)如日本、新加坡和歐盟等的無線電管理部門都頒布了類似的法令。中國從2006年開始進(jìn)行UWB頻譜規(guī)劃的準(zhǔn)備工作。經(jīng)過2年多的調(diào)研，2008年12月12日，中國自己的UWB頻譜規(guī)劃正式發(fā)布，包括UWB信號(hào)的射頻指標(biāo)、應(yīng)用場所限制、設(shè)備核準(zhǔn)等方面的內(nèi)容。

表 超寬帶（UWB）無線電設(shè)備UWB發(fā)射信號(hào)的等效全向輻射功率譜密度限值

資料來源：千際投行，資產(chǎn)信息網(wǎng)，物聯(lián)傳媒

表 超寬帶（UWB）無線電發(fā)射設(shè)備窄帶雜散輻射限值

資料來源：千際投行，資產(chǎn)信息網(wǎng)，物聯(lián)傳媒

UWB的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭

由于UWB有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場應(yīng)用前景，UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭從其開始民用之時(shí)就非常激烈。UWB規(guī)范，在演進(jìn)的過程中，主要有三種。

（1）脈沖無線電（IR－UWB）

最初的UWB是脈沖通信技術(shù)，使用極窄的脈沖信號(hào)（納秒或皮秒級(jí)別）傳輸數(shù)據(jù)，所以稱為脈沖超寬帶，又稱為脈沖無線電（IR－UWB：Impulse Radio UWB）。這種方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)功耗小，成本低，具有良好的定位功能。但是無載波脈沖方案存在兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：存在嚴(yán)重的符號(hào)間干擾（ISI）和頻譜利用率不高。目前UWB定位主要是基于這種標(biāo)準(zhǔn)。

（2）DS－UWB方案

該方案是以摩托羅拉為首的企業(yè)所提出，在DS－UWB方案中，經(jīng)過DS－UWB擴(kuò)頻之后的信號(hào)再通過對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。DS－UWB方案的特點(diǎn)是提高了頻帶利用率高，但復(fù)雜度較高，成本增加，且依然無法解決ISI問題。

（3）多帶（MB－OFDM）方案

該方案是以Intel為首的Wi Media聯(lián)盟提出，該方案將可用的頻段分為多個(gè)子頻帶，通過時(shí)頻編碼（TFC）跳頻選擇在不同的子頻帶上發(fā)送信號(hào)。每個(gè)子頻帶帶寬大于500MHz，每個(gè)子頻帶的信號(hào)為一個(gè)OFDM信號(hào)，它由許多個(gè)正交的子載波信號(hào)合成。該方案降低了電路的成本并且提升了頻譜的利用率，但是相應(yīng)的，其數(shù)據(jù)傳輸能力降低了，并且失去了精準(zhǔn)定位的特性。

在UWB的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)過程中，DS－UWB方案與MB－OFDM方案這兩種UWB方案有著本質(zhì)區(qū)別，無法實(shí)現(xiàn)彼此妥協(xié)。因此，關(guān)于UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)選擇最好的方法是交給市場進(jìn)行選擇。事實(shí)上，市場對(duì)于UWB技術(shù)也做出了選擇，早期UWB的技術(shù)研究主要用來解決短距離，高速率的傳輸問題，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)市場需求還沒有起來，并且相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)工作也緩慢，導(dǎo)致目前短距離高速率通信市場已經(jīng)被Wi－Fi所占領(lǐng)。

正所謂失之東隅，收之桑榆，在短距離通信市場不如意的UWB技術(shù)卻在高精度定位領(lǐng)域被市場重新發(fā)現(xiàn)了他的價(jià)值。早在二十一世紀(jì)初期，以Ubisense與Zebra為代表的國外技術(shù)企業(yè)就開始研發(fā)基于UWB技術(shù)的定位產(chǎn)品與方案，不過在他們的UWB定位方案中，采用的是搭建分離元器件的方式，并沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的芯片級(jí)產(chǎn)品，這種方式注定了其市場普及程度不會(huì)太廣，而要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的市場應(yīng)用就需要對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行充分的標(biāo)準(zhǔn)化。

為了推進(jìn)UWB的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，IEEE成立了802．15．4a任務(wù)小組，該小組致力于為低等級(jí)工業(yè)市場開發(fā)一種無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位功能是該標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。目前基于802．15．4a技術(shù)定位的芯片供應(yīng)商主要有Decawave以及Bespoon，其中，Bespoon的市場推廣比較少，而Decawave是當(dāng)前UWB定位芯片的主要供應(yīng)商。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，目前國內(nèi)的UWB定位技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，并且保持著很高的發(fā)展速度，整個(gè)產(chǎn)業(yè)正在呈現(xiàn)星火燎原之勢(shì)。

UWB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)容量大，傳輸速度快：根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越寬，系統(tǒng)的最大傳輸速率就越大，而UWB通信的帶寬都在500MHz以上，其傳輸速率也可達(dá)到1Gbps以上。

發(fā)射功率低：UWB極大的帶寬保證了較低的發(fā)射功率。在短距離無線通信應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)發(fā)射的UWB信號(hào)功率要低于1mW，這大大延長了電池壽命，保證了較長的系統(tǒng)工作時(shí)間，同時(shí)對(duì)人體的輻射危害也更小。

多徑分辨率高：UWB信號(hào)采用持續(xù)時(shí)間很短的窄脈沖，具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間分辨率，系統(tǒng)的多徑分辨率高，整個(gè)系統(tǒng)能夠充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。此外，UWB信號(hào)具有良好的抗多徑性能，對(duì)于信道衰減不敏感，接收機(jī)通過分級(jí)便可以獲得很強(qiáng)的抗衰減能力，在室內(nèi)或者建筑物比較密集的場合可以獲得良好的定位效果，同時(shí)在進(jìn)行測(cè)距、定位、跟蹤時(shí)也能達(dá)到更高的精度。

系統(tǒng)保密性好：UWB發(fā)射功率低，僅在1mW以下。它可以把信號(hào)彌散在一個(gè)極寬的頻帶范圍內(nèi)，對(duì)于一般的通信信號(hào)而言，UWB信號(hào)類似于白噪聲可以安全地隱藏起來；而UWB信號(hào)的功率譜密度要低于普通的環(huán)境噪聲，要將UWB信號(hào)從環(huán)境噪聲中甄別出來不是一件容易的事情，這很好地保證了UWB信號(hào)的安全性。

定位精度高：UWB信號(hào)具有超寬頻帶的特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其他系統(tǒng)的成千上百倍。UWB信號(hào)的距離分辨能力可達(dá)到厘米級(jí)，這是其它窄帶系統(tǒng)望塵莫及的。

穿透能力強(qiáng)：窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透能力，可以幫助比如警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在建筑物里面的人們。

UWB技術(shù)的用途

UWB技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代，主要用于軍事雷達(dá)。由于它具有隱蔽性好、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于通信和定位領(lǐng)域。特別是FCC在解除UWB在民用領(lǐng)域的限制后，UWB得到了迅速的發(fā)展。

表 UWB常見用途

資料來源：千際投行，資產(chǎn)信息網(wǎng)，物聯(lián)傳媒