ＵＷＢ技術(shù)的發(fā)展前景及其頻率規(guī)劃

【摘要】文章介紹了UWB產(chǎn)生的背景及定義，技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)前景，論述了我國頻率規(guī)劃及標(biāo)準(zhǔn)化有關(guān)進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】超寬帶（UWB） 認(rèn)知無線 電動(dòng)態(tài)頻譜 管理

1 UWB產(chǎn)生的背景與定義

1.1 背景

早在上世紀(jì)四十年代（1942年），De Rose 提交了涉及UWB型隨機(jī)脈沖系統(tǒng)專利，但由于第二次世界大戰(zhàn)的原因直至50年代（1954年）才得以發(fā)表；1961年Hoeppner的專利也涉及脈沖通信系統(tǒng)的表述；1964～1987年，Harmuth的著作奠定了UWB收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；Ross及Robbins（R&R）的美國專利于1974年發(fā)表，是UWB通信方面最早的里程碑式專利。這些均窄脈沖無載波UWB方式，多半用于國防軍用通信、穿地雷達(dá)、穿墻成像等領(lǐng)域。由于脈沖UWB技術(shù)的脈沖寬度通常為亞納秒量級(jí)，信號(hào)帶寬經(jīng)常達(dá)數(shù)GHz，比現(xiàn)有各類無線通信技術(shù)的帶寬要大得多，由此，最終在1989年被美國國防部確定為超寬帶（UWB）技術(shù)。直至2002年，美國FCC批準(zhǔn)UWB無線電在嚴(yán)格限制條件下可在公眾通信頻段3.1GHz~10.6GHz上運(yùn)行，才有力推進(jìn)了UWB通信的發(fā)展，并催生了有載波型UWB，諸如高速直接序列擴(kuò)頻DS-UWB及多頻帶OFDM MB-OFDM-UWB的快速創(chuàng)新與發(fā)展應(yīng)用。

1.2 定義

通常UWB的定義以FCC工作為基礎(chǔ)，即：傳輸頻帶超越其中心頻率25％以上、或者其傳輸帶寬超越1.5GHz（后為擴(kuò)展其商業(yè)應(yīng)用，將此要求放松為500GHz ）的無線通信技術(shù)。美國FCC已于2002年批準(zhǔn)UWB技術(shù)商用，運(yùn)行頻率必須高于3.1GHz或低于960MHz，限制在GPS占用的1559MHz~1601MHz頻帶運(yùn)作，以避免對(duì)其干擾，但未保護(hù)5090MHz~5204MHz頻段的微波著陸系統(tǒng)及在4200MHz~4400MHz運(yùn)行的無線高度計(jì)免受此UWB干擾。而且，F(xiàn)CC還認(rèn)為此決定有些過份保守，擬探索制訂一個(gè)更靈活的UWB標(biāo)準(zhǔn)，以便共享帶寬，更好地利用緊缺的頻譜資源，即產(chǎn)生了FCC現(xiàn)已規(guī)定的3.1GHz~10.6GHz頻帶內(nèi)其功率譜密度應(yīng)<-41.3dBm/MHz。為保護(hù)上述GPS及航空無線電導(dǎo)航及軍事應(yīng)用，960MHz~3.1GHz頻段應(yīng)有更嚴(yán)功率譜限制要求。但此定義與頻譜框架要求對(duì)不同國家與區(qū)域，往往會(huì)根據(jù)其實(shí)際情況有所修訂。

UWB技術(shù)是現(xiàn)今正被廣泛研究和推向應(yīng)用的一種新興無線技術(shù)，由于其窄脈沖高浸透能力、高數(shù)據(jù)速率（100Mb/s~1.3Gb/s）、低功耗、低費(fèi)用等特點(diǎn)，為包括寬帶泛在/普適通信在內(nèi)的各類無線技術(shù)新發(fā)展與新應(yīng)用開辟了大量新機(jī)遇；同時(shí)，由于其占用極寬帶寬資源，與其它系統(tǒng)共享頻譜，這給干擾、協(xié)調(diào)、兼容等相關(guān)領(lǐng)域的研究又帶來了新的挑戰(zhàn)。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)前景[2]

UWB的優(yōu)越性在于它有三大技術(shù)特征，一是瞬間高速脈沖運(yùn)作，大大降低了其耗電量，傳輸期間亦僅為數(shù)十微瓦，為現(xiàn)有通常系統(tǒng)的1/100~1/10000，并以很低功率譜密度運(yùn)作，從而獲得很強(qiáng)的電磁兼容能力；二是此低能耗狀況可導(dǎo)致能以CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向Gbit/s量級(jí)高速傳送的ＲＦ電路裝備，這是目前Ku/Ka/V/Q/W等高頻段系統(tǒng)所難能實(shí)現(xiàn)的；三是此高速脈沖技術(shù)不僅可用于極高精度的人與物的定位應(yīng)用，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)貫穿性視頻傳送及地質(zhì)勘探傳感等，具有巨大軍用、商用潛能。通過一種特殊的芯片，可以實(shí)現(xiàn)方圓50英尺范圍內(nèi)穿墻數(shù)字視頻傳送，這無疑對(duì)方興未艾的寬帶無線接入是一個(gè)鼓舞人心的信號(hào)。FCC已確定了需規(guī)定其發(fā)射功率標(biāo)準(zhǔn)的三類具體商用對(duì)象：地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感，汽車防沖撞傳感及家電設(shè)備與便攜終端間的無線數(shù)據(jù)通信等。

因此，不難理解，為何許多國際大企業(yè)爭(zhēng)相加大UWB的研發(fā)力度。Sony、Siemens、Intel、Philips、Microsoft、Samsung等諸多公司均看中UWB的商用前景，擬運(yùn)用UWB技術(shù)進(jìn)行未來大量普及應(yīng)用的高速數(shù)字視頻多媒體信號(hào)傳送，其傳輸速度能力將為目前有線電視MODEM的10倍以上；當(dāng)然，從軍用角度一些公司也在利用UWB技術(shù)取得其運(yùn)作支持，例如美國Time Domain公司2002年利用該技術(shù)獲得的軍方合同全年總銷售額即達(dá)750萬美元。

UWB形成了兩種主要方案，一種是以Motorola、 Freescale 等公司為代表的DS-CDMA-UWB方案（簡(jiǎn)稱DS-UWB，起始由XSI聯(lián)盟推進(jìn)；另一種為TI、Intel、HP等公司為代表的多頻帶OFDM（UWB-MFB-OFDM，簡(jiǎn)稱MB-UWB）方案（由MBOA聯(lián)盟/ WiMedia聯(lián)盟推進(jìn)）。兩種方案各有其特點(diǎn)與長(zhǎng)處，但2005年底未能在IEEE 802.15.3a融合為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前WiMedia成員眾多，成為主要推進(jìn)力量，而DS-UWB亦可由無載波窄脈沖成形實(shí)現(xiàn)。脈沖UWB在雷達(dá)、穿透成像、精確定位等方面有定強(qiáng)能力。

因此，無論商用或軍用，UWB的應(yīng)用前景是毫無疑問的。 具體而言，如UWB技術(shù)可用于穿墻成像、大地成像、公路調(diào)度、生命探測(cè)、信息通信、車載雷達(dá)、醫(yī)療電子、物體探傷、近距離高精度定位、半導(dǎo)體集成電路布線及UWB測(cè)量等各種領(lǐng)域應(yīng)用。就信息通信領(lǐng)域而言，它可應(yīng)用于移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)、消費(fèi)電子、信息安全等諸多方面。如：家用HDTV圖像傳送、數(shù)字家庭寬帶無線連線、高速集成電路設(shè)計(jì)乃至取代模塊間連線、消費(fèi)電子中高速數(shù)據(jù)傳輸、個(gè)人無線存儲(chǔ)、高清圖片及視頻顯示、高分辨彩照打印、汽車視頻與媒體中心、手機(jī)遙控個(gè)人設(shè)備寬帶互聯(lián)，以及個(gè)體域?qū)用孢M(jìn)行投影在眼鏡上的屏幕、戴在手腕上的鍵盤及穿戴在身上的計(jì)算機(jī)及手機(jī)（Wearable computer and mobile phone）等設(shè)備間的寬帶高速無線互聯(lián)，應(yīng)有盡有。而且高速下載特別快速有效，如帶硬盤10Gbit的MP3播放器下載，用藍(lán)牙需32小時(shí)、用802.11b需2小時(shí)，而用高速UWB僅需3分鐘不到即行。

關(guān)于其全球產(chǎn)品增長(zhǎng)預(yù)測(cè)，ETSI的一些早期數(shù)據(jù)為2005年1500萬臺(tái)、2007年1.65億臺(tái)、2009年5.43億臺(tái)；就硬件版權(quán)保護(hù)安全設(shè)備UWB Dongle（常稱 UWB“加密狗”或“硬件鑰匙”）而言，一些預(yù)測(cè)稱2011年可達(dá)100~200萬件，以后可能按每年1~2倍速率增長(zhǎng)，殊為驚人！

3 UWB的頻率規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)化[2]

3.1 頻率規(guī)劃

2002年美國FCC一馬當(dāng)先，發(fā)布了UWB室內(nèi)外應(yīng)用頻率規(guī)劃電磁兼容發(fā)射柜架（Mask）要求；爾后許多國家與地區(qū)于2005~2007年（香港2005年，韓國2006年，日本2006年，歐洲2007年）亦制訂發(fā)布了UWB頻率規(guī)劃相關(guān)要求。我國從2006年開始調(diào)研，隨后進(jìn)行了一系列諸如涉及UWB與射電天文業(yè)務(wù)、2G/3G業(yè)務(wù)、船舶水上業(yè)務(wù)、航空業(yè)務(wù)、FWA及PHS業(yè)務(wù)、衛(wèi)星業(yè)務(wù)及室內(nèi)EMC等的電磁兼容研究，起草相應(yīng)文件。接著從公眾網(wǎng)絡(luò)上征求了包括BlueSig、WiMedia Alliance、Nokia and Nokia Siemes and WiQuest等各方面意見與建議，再由以中國國家頻率規(guī)劃專家咨詢委員會(huì)一些專家為主體及部分此領(lǐng)域?qū)＜医M成專家評(píng)審組進(jìn)行評(píng)審后，最后定稿并報(bào)上級(jí)主管部門審批后于2008年12月12日正式發(fā)表，即工信部[2008]354號(hào)文“關(guān)于發(fā)布超寬帶（UWB）技術(shù)頻率使用規(guī)定的通知”，其相關(guān)內(nèi)容如下：

（1）UWB無線發(fā)射設(shè)備的發(fā)射信號(hào)帶寬（-10dB帶寬）至少500MHz。

（2）UWB無線發(fā)射設(shè)備的發(fā)射信號(hào)的等效全向輻射功率譜密度限值如表1所示：

注①：4.2GHz～4.8GHz頻段，到2010年12月31日前，UWB無線電發(fā)射設(shè)備的全向輻射功率限值可以為-41dBm/MHz。在此之后，該頻段的UWB設(shè)備必須采用信號(hào)檢測(cè)避讓等干擾緩解技術(shù)，該技術(shù)的有效性應(yīng)得到國家無線電管理機(jī)構(gòu)的認(rèn)定。

（3）UWB 無線發(fā)射設(shè)備窄帶雜散輻射限值如表2所示。

（4）禁止在航空器上使用UWB設(shè)備。

（5）《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》腳注“CHN12”中列出的射電天臺(tái)址周圍1公里范圍內(nèi)禁止使用UWB無線電發(fā)射設(shè)備。

（6）UWB無線電發(fā)射設(shè)備按微功率（短距離）無線電發(fā)射設(shè)備進(jìn)行管理。設(shè)備投入使用前需獲得工業(yè)和信息化部核發(fā)的無線電發(fā)射設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)證。

（7）UWB無線電發(fā)射設(shè)備使用時(shí)，不得對(duì)其它無線電業(yè)務(wù)的電臺(tái)產(chǎn)生無線電干擾，也不得向其它無線電業(yè)務(wù)的電臺(tái)提出干擾保護(hù)要求。

應(yīng)該指出，任何國家與地區(qū)UWB頻率規(guī)劃均為結(jié)合其相應(yīng)國家與地區(qū)的實(shí)際情況而確定，應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵從相應(yīng)要求。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化

國際上一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以WiMedia為中心在逐步走向完善，如WiMedia聯(lián)盟和Ecma（歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)）的成員在2005年初將WiMedia UWB平臺(tái)規(guī)范提交給Ecma，經(jīng)過修訂，推出了下述標(biāo)準(zhǔn)：

（1）ECMA-368標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)定義分散式系統(tǒng)的PHY和MAC層，采用未授權(quán)的3.1GHz～10.6GHz UWB頻譜，強(qiáng)制支持至少53.3Mb/s、106.7Mb/s和200Mb/s數(shù)據(jù)速率。

（2）ECMA-369標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MAC-PHY接口。2007年3月，WiMedia Alliance的超寬帶“標(biāo)準(zhǔn)”現(xiàn)在已成為正式標(biāo)準(zhǔn)，ISO和IEC已批準(zhǔn)ECMA International組織的通用無線平臺(tái)作為ISO/IEC 26907發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)為無線網(wǎng)絡(luò)定義分布式系統(tǒng)的PHY和MAC層。ECMA-369標(biāo)準(zhǔn)也被批準(zhǔn)為ISO/IEC 26908，規(guī)定高速超寬帶無線收發(fā)器的MAC-PHY接口。該標(biāo)準(zhǔn)覆蓋以480Mb/s數(shù)據(jù)速率工作在3.1GHz~10.6 GHz的UWB頻譜上的收發(fā)器。

從全球來看，UWB市場(chǎng)雖屬剛剛起步，但已有一些UWB芯片制造商可供貨，如Staccato SC3400、SC3500；Alereon AL4100、AL4300等。亦出現(xiàn)了一些UWB USB典型產(chǎn)品，如貝爾金（Belkin）及利用Alereon的解決方案的IOGEAR 等。還出現(xiàn)了一些UWB的系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)制造商，如Aetherwire、Memsen、MeshDynamics、Multispectral Solutions等。

從國內(nèi)來看，隨著“863”研究計(jì)劃進(jìn)展，及UWB頻率規(guī)劃發(fā)布與中長(zhǎng)期新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)研究與產(chǎn)業(yè)化工作推進(jìn)，涉及符合中國UWB頻率規(guī)劃要求的DC-OFDM-UWB（雙載波OFDM UWB）及利用MBOK（M-ary Bi-Orthogonal Key，M元雙正交鍵控調(diào)制的SC-UWB）等標(biāo)準(zhǔn)化研究與芯片開發(fā)研制工作亦在積極進(jìn)行中。

4 結(jié)束語

隨著新一代寬帶無線移動(dòng)通信的發(fā)展，泛在化已成大勢(shì)所趨。而欲實(shí)現(xiàn)個(gè)性化/個(gè)體化/泛在/普適連接，與有效的窄帶與寬帶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）及無線連接器件密切相關(guān)，諸如RFID、NID、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、NFC及 UWB 等，UWB尤為重要。

經(jīng)過近幾年努力，全球范圍UWB的頻率規(guī)劃及標(biāo)準(zhǔn)化工作正在逐步完善，芯片制作及產(chǎn)品市場(chǎng)已開始啟動(dòng)，泛在化大勢(shì)與UWB的廣泛商業(yè)/軍用市場(chǎng)定位決定UWB的發(fā)展前景極其光明，爭(zhēng)分奪秒創(chuàng)新發(fā)展必然是明智的決策。

任何國家與地區(qū)UWB頻率規(guī)劃均為結(jié)合其相應(yīng)國家與地區(qū)的實(shí)際情況而確定，應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵從相應(yīng)要求；我國的相應(yīng)要求已由工信部無[2008]354號(hào)文發(fā)布，在中國的UWB應(yīng)用必須嚴(yán)格遵循其相關(guān)要求，對(duì)2010年后的應(yīng)用來講，及時(shí)開發(fā)自適應(yīng)信號(hào)感知檢測(cè)與干擾避讓的DAA技術(shù)尤為重要。

參考文獻(xiàn)

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[2]Chen Ruming. Broadband Wireless Mobile Communications Development and UWB Frequency Planning in China[C]. 2008 3rd CJK-WPAN/WBAM Workshop,Dec.2008,Yokosuka,Japan.

【作者簡(jiǎn)介】

陳如明：教授，主任高級(jí)工程師。工業(yè)和信息化部通信科技委副主任及國家無線電管理機(jī)構(gòu)原副局長(zhǎng)兼總工程師，中國國家無線電頻率規(guī)劃專家咨詢委員會(huì)主任。曾主持和參加多種科研項(xiàng)目，獲多項(xiàng)國家級(jí)、部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)及國家科學(xué)研究突出貢獻(xiàn)特殊津貼。發(fā)表中英文論文250多篇，出版專著4本。