ＵＷＢ技术的发展前景及其频率规划

【摘要】文章介绍了UWB产生的背景及定义，技术优势与市场前景，论述了我国频率规划及标准化有关进展。

【关键词】超宽带（UWB） 认知无线 电动态频谱 管理

1 UWB产生的背景与定义

1.1 背景

早在上世纪四十年代（1942年），De Rose 提交了涉及UWB型随机脉冲系统专利，但由于第二次世界大战的原因直至50年代（1954年）才得以发表；1961年Hoeppner的专利也涉及脉冲通信系统的表述；1964～1987年，Harmuth的著作奠定了UWB收发信机设计基础；Ross及Robbins（R&R）的美国专利于1974年发表，是UWB通信方面最早的里程碑式专利。这些均窄脉冲无载波UWB方式，多半用于国防军用通信、穿地雷达、穿墙成像等领域。由于脉冲UWB技术的脉冲宽度通常为亚纳秒量级，信号带宽经常达数GHz，比现有各类无线通信技术的带宽要大得多，由此，最终在1989年被美国国防部确定为超宽带（UWB）技术。直至2002年，美国FCC批准UWB无线电在严格限制条件下可在公众通信频段3.1GHz~10.6GHz上运行，才有力推进了UWB通信的发展，并催生了有载波型UWB，诸如高速直接序列扩频DS-UWB及多频带OFDM MB-OFDM-UWB的快速创新与发展应用。

1.2 定义

通常UWB的定义以FCC工作为基础，即：传输频带超越其中心频率25％以上、或者其传输带宽超越1.5GHz（后为扩展其商业应用，将此要求放松为500GHz ）的无线通信技术。美国FCC已于2002年批准UWB技术商用，运行频率必须高于3.1GHz或低于960MHz，限制在GPS占用的1559MHz~1601MHz频带运作，以避免对其干扰，但未保护5090MHz~5204MHz频段的微波着陆系统及在4200MHz~4400MHz运行的无线高度计免受此UWB干扰。而且，FCC还认为此决定有些过份保守，拟探索制订一个更灵活的UWB标准，以便共享带宽，更好地利用紧缺的频谱资源，即产生了FCC现已规定的3.1GHz~10.6GHz频带内其功率谱密度应<-41.3dBm/MHz。为保护上述GPS及航空无线电导航及军事应用，960MHz~3.1GHz频段应有更严功率谱限制要求。但此定义与频谱框架要求对不同国家与区域，往往会根据其实际情况有所修订。

UWB技术是现今正被广泛研究和推向应用的一种新兴无线技术，由于其窄脉冲高浸透能力、高数据速率（100Mb/s~1.3Gb/s）、低功耗、低费用等特点，为包括宽带泛在/普适通信在内的各类无线技术新发展与新应用开辟了大量新机遇；同时，由于其占用极宽带宽资源，与其它系统共享频谱，这给干扰、协调、兼容等相关领域的研究又带来了新的挑战。

2 技术优势与市场前景[2]

UWB的优越性在于它有三大技术特征，一是瞬间高速脉冲运作，大大降低了其耗电量，传输期间亦仅为数十微瓦，为现有通常系统的1/100~1/10000，并以很低功率谱密度运作，从而获得很强的电磁兼容能力；二是此低能耗状况可导致能以CMOS技术实现面向Gbit/s量级高速传送的ＲＦ电路装备，这是目前Ku/Ka/V/Q/W等高频段系统所难能实现的；三是此高速脉冲技术不仅可用于极高精度的人与物的定位应用，同时还可实现贯穿性视频传送及地质勘探传感等，具有巨大军用、商用潜能。通过一种特殊的芯片，可以实现方圆50英尺范围内穿墙数字视频传送，这无疑对方兴未艾的宽带无线接入是一个鼓舞人心的信号。FCC已确定了需规定其发射功率标准的三类具体商用对象：地质勘探及可穿透障碍物的传感，汽车防冲撞传感及家电设备与便携终端间的无线数据通信等。

因此，不难理解，为何许多国际大企业争相加大UWB的研发力度。Sony、Siemens、Intel、Philips、Microsoft、Samsung等诸多公司均看中UWB的商用前景，拟运用UWB技术进行未来大量普及应用的高速数字视频多媒体信号传送，其传输速度能力将为目前有线电视MODEM的10倍以上；当然，从军用角度一些公司也在利用UWB技术取得其运作支持，例如美国Time Domain公司2002年利用该技术获得的军方合同全年总销售额即达750万美元。

UWB形成了两种主要方案，一种是以Motorola、 Freescale 等公司为代表的DS-CDMA-UWB方案（简称DS-UWB，起始由XSI联盟推进；另一种为TI、Intel、HP等公司为代表的多频带OFDM（UWB-MFB-OFDM，简称MB-UWB）方案（由MBOA联盟/ WiMedia联盟推进）。两种方案各有其特点与长处，但2005年底未能在IEEE 802.15.3a融合为统一标准。目前WiMedia成员众多，成为主要推进力量，而DS-UWB亦可由无载波窄脉冲成形实现。脉冲UWB在雷达、穿透成像、精确定位等方面有定强能力。

因此，无论商用或军用，UWB的应用前景是毫无疑问的。 具体而言，如UWB技术可用于穿墙成像、大地成像、公路调度、生命探测、信息通信、车载雷达、医疗电子、物体探伤、近距离高精度定位、半导体集成电路布线及UWB测量等各种领域应用。就信息通信领域而言，它可应用于移动通信、计算机及其外设、消费电子、信息安全等诸多方面。如：家用HDTV图像传送、数字家庭宽带无线连线、高速集成电路设计乃至取代模块间连线、消费电子中高速数据传输、个人无线存储、高清图片及视频显示、高分辨彩照打印、汽车视频与媒体中心、手机遥控个人设备宽带互联，以及个体域层面进行投影在眼镜上的屏幕、戴在手腕上的键盘及穿戴在身上的计算机及手机（Wearable computer and mobile phone）等设备间的宽带高速无线互联，应有尽有。而且高速下载特别快速有效，如带硬盘10Gbit的MP3播放器下载，用蓝牙需32小时、用802.11b需2小时，而用高速UWB仅需3分钟不到即行。

关于其全球产品增长预测，ETSI的一些早期数据为2005年1500万台、2007年1.65亿台、2009年5.43亿台；就硬件版权保护安全设备UWB Dongle（常称 UWB“加密狗”或“硬件钥匙”）而言，一些预测称2011年可达100~200万件，以后可能按每年1~2倍速率增长，殊为惊人！

3 UWB的频率规划与标准化[2]

3.1 频率规划

2002年美国FCC一马当先，发布了UWB室内外应用频率规划电磁兼容发射柜架（Mask）要求；尔后许多国家与地区于2005~2007年（香港2005年，韩国2006年，日本2006年，欧洲2007年）亦制订发布了UWB频率规划相关要求。我国从2006年开始调研，随后进行了一系列诸如涉及UWB与射电天文业务、2G/3G业务、船舶水上业务、航空业务、FWA及PHS业务、卫星业务及室内EMC等的电磁兼容研究，起草相应文件。接着从公众网络上征求了包括BlueSig、WiMedia Alliance、Nokia and Nokia Siemes and WiQuest等各方面意见与建议，再由以中国国家频率规划专家咨询委员会一些专家为主体及部分此领域专家组成专家评审组进行评审后，最后定稿并报上级主管部门审批后于2008年12月12日正式发表，即工信部[2008]354号文“关于发布超宽带（UWB）技术频率使用规定的通知”，其相关内容如下：

（1）UWB无线发射设备的发射信号带宽（-10dB带宽）至少500MHz。

（2）UWB无线发射设备的发射信号的等效全向辐射功率谱密度限值如表1所示：

注①：4.2GHz～4.8GHz频段，到2010年12月31日前，UWB无线电发射设备的全向辐射功率限值可以为-41dBm/MHz。在此之后，该频段的UWB设备必须采用信号检测避让等干扰缓解技术，该技术的有效性应得到国家无线电管理机构的认定。

（3）UWB 无线发射设备窄带杂散辐射限值如表2所示。

（4）禁止在航空器上使用UWB设备。

（5）《中华人民共和国无线电频率划分规定》脚注“CHN12”中列出的射电天台址周围1公里范围内禁止使用UWB无线电发射设备。

（6）UWB无线电发射设备按微功率（短距离）无线电发射设备进行管理。设备投入使用前需获得工业和信息化部核发的无线电发射设备型号核准证。

（7）UWB无线电发射设备使用时，不得对其它无线电业务的电台产生无线电干扰，也不得向其它无线电业务的电台提出干扰保护要求。

应该指出，任何国家与地区UWB频率规划均为结合其相应国家与地区的实际情况而确定，应用时应严格遵从相应要求。

3.2 标准化

国际上一些相关标准以WiMedia为中心在逐步走向完善，如WiMedia联盟和Ecma（欧洲计算机制造商协会）的成员在2005年初将WiMedia UWB平台规范提交给Ecma，经过修订，推出了下述标准：

（1）ECMA-368标准

该标准定义分散式系统的PHY和MAC层，采用未授权的3.1GHz～10.6GHz UWB频谱，强制支持至少53.3Mb/s、106.7Mb/s和200Mb/s数据速率。

（2）ECMA-369标准

该标准规定MAC-PHY接口。2007年3月，WiMedia Alliance的超宽带“标准”现在已成为正式标准，ISO和IEC已批准ECMA International组织的通用无线平台作为ISO/IEC 26907发布。该标准为无线网络定义分布式系统的PHY和MAC层。ECMA-369标准也被批准为ISO/IEC 26908，规定高速超宽带无线收发器的MAC-PHY接口。该标准覆盖以480Mb/s数据速率工作在3.1GHz~10.6 GHz的UWB频谱上的收发器。

从全球来看，UWB市场虽属刚刚起步，但已有一些UWB芯片制造商可供货，如Staccato SC3400、SC3500；Alereon AL4100、AL4300等。亦出现了一些UWB USB典型产品，如贝尔金（Belkin）及利用Alereon的解决方案的IOGEAR 等。还出现了一些UWB的系统与网络制造商，如Aetherwire、Memsen、MeshDynamics、Multispectral Solutions等。

从国内来看，随着“863”研究计划进展，及UWB频率规划发布与中长期新一代宽带无线移动通信网研究与产业化工作推进，涉及符合中国UWB频率规划要求的DC-OFDM-UWB（双载波OFDM UWB）及利用MBOK（M-ary Bi-Orthogonal Key，M元双正交键控调制的SC-UWB）等标准化研究与芯片开发研制工作亦在积极进行中。

4 结束语

随着新一代宽带无线移动通信的发展，泛在化已成大势所趋。而欲实现个性化/个体化/泛在/普适连接，与有效的窄带与宽带无线传感器网络（WSN）及无线连接器件密切相关，诸如RFID、NID、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、NFC及 UWB 等，UWB尤为重要。

经过近几年努力，全球范围UWB的频率规划及标准化工作正在逐步完善，芯片制作及产品市场已开始启动，泛在化大势与UWB的广泛商业/军用市场定位决定UWB的发展前景极其光明，争分夺秒创新发展必然是明智的决策。

任何国家与地区UWB频率规划均为结合其相应国家与地区的实际情况而确定，应用时应严格遵从相应要求；我国的相应要求已由工信部无[2008]354号文发布，在中国的UWB应用必须严格遵循其相关要求，对2010年后的应用来讲，及时开发自适应信号感知检测与干扰避让的DAA技术尤为重要。

参考文献

[1]J Metola III. Cognitive Radio:An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[M]. Stockholm,Sweden:Royal Institute of Technology(KTH),2000.

[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.

【作者简介】

陈如明：教授，主任高级工程师。工业和信息化部通信科技委副主任及国家无线电管理机构原副局长兼总工程师，中国国家无线电频率规划专家咨询委员会主任。曾主持和参加多种科研项目，获多项国家级、部级奖励及国家科学研究突出贡献特殊津贴。发表中英文论文250多篇，出版专著4本。