超宽带(ultra wideband,UWB)是一种无线电通信技术,可以进行短距离高带宽通信。UWB主要应用于数据通信、成像、测量、定位与跟踪、车载雷达和智能交通等。

UWB的定义

带宽大是UWB的主要的特征。应用领域不同,其所产生和调制的信号方式也有所不同。UWB的定义,除信号带宽外,一般还定义辐射功率谱密度和峰值功率等。

在ITU-R SM．1755-0建议书中对超宽带(UWB)定义:

超宽带技术 - 用于短程无线电通信的技术,其中涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有意生成和发射,此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干频带相重叠。使用超宽带技术的设备的天线一般生成两种有益辐射:至少500MHz的–10dB带宽或大于0．2的–10dB部分带宽。

根据通信行业标准《无线通信设备电磁兼容性要求和测量方法 第15部分:超宽带(UWB)通信设备》中UWB术语所描述:

超宽带通信技术(Utra WideBand Communication Technology) - 用于短距离无线电通信的技术,其中涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有用生成和发射,此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干带相重叠。使用超宽带技术的设备通过天线产生的有用辐射应至少为500MHz/-10dB带宽。

UWB技术特点

高数据速率 - 超宽带技术能以极低的功率运行,并支持多用户的高数据速率应用。如,数据速率大于100Mbit/s的短距离无线个域网。

安全通信 - 与一般无线电通信信号相比,超宽带信号可能更为隐秘,也更难检测到,UWB信号相当于白噪声。超宽带信号占用较大带宽,信号能量分布在极宽频带范围内,一般其功率谱密度低于自然的电子噪声,检出UWB信号较为困难,而采用编码对脉冲参数进行伪随机化后,脉冲的检测将更加困难。

多径效应 - 在复杂的环境中,UWB由于具有较宽的传输带宽,可以抵御多径衰落。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。而超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的。

定位 - UWB可以穿越墙壁和障碍物,提供高精度定位能力,超短脉冲定位器可以提供相对位置,定位精度可达厘米,用于探测人或物体的移动。级。

成像 - 超宽带可用于多种医疗应用,获得人或动物体内器官的影像。

低功耗 - UWB系统使用间歇的极短脉冲来传输数据,脉冲时间短,一般在0．20ns～1．5ns之间,有很低的占空比,系统耗电可以做到很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。

UWB应用

超宽带技术可集成到许多应用中。部分超宽带设备可支持多个应用。下面是各种超宽带应用大致类别及其操作特性。

超宽带应用的操作特性:

UWB发展历程

早在20世纪60年代,UWB就已应用于军事用途。

2002年,WiMdia联盟推出了第一个UWB规范,促进了个人局域网中设备之间的无线多媒体连接和互操作性。

美国联邦通信委员会(FCC) 允许在雷达、公共安全和数据通信应用中免许可使用UWB系统。

2005年,由欧洲国际计算机制造商协会(ECMA)公布ECMA-368标准,高速率超宽带PHY和MAC标准,多频带正交频分调制(MB-OFDM)方案

2007年,IEEE 802．15．4a,从OFDM发展为脉冲无线电(UWB IR),无线传感网络(WSN)或工业物联网(IIoT)室内定位

2012年,IEEE 802．15．4f标准发布,提供了LRP UWB PHY

2015年,IEEE 802．15．4-2015定义了2个UWB PHY,HRP Ch． 16(802．15．4a/802．15．4-2011)  和  LRP Ch． 19(802．15．4f-2012)

2018年,UWB联盟成立,致力于UWB全球推广和普及,包括RF频谱和互操作性问题

2019年,FiRa联盟成立,基于IEEE 802．15．4/4z标准,增强了UWB PHY & MAC

2020年,IEEE 802．15．4z发布, 增强了UWB PHY和相关测距技术

UWB行业组织

UWB行业相关的组织主要有UWB联盟、FiRa联盟、全球车联联盟(Car Connectivity Consortium)、omlox和中国的精准定位联盟。

FiRa联盟建立了在IEEE 802．15．4/4z标准的基础上的可互操作的标准,推动了UWB标准化的发展。

全球车联联盟推动了UWB在汽车领域的应用。2021年4月,全球车联联盟结合UWB技术发布了数字钥匙3．0规范。

omlox是将所有定位技术统一在一个开放的、可互操作的标准中。支持各种定位技术(如UWB、Wi-Fi、GNSS、5G、RFID、Bluetooth)的即插即用互操作性,尤其是UWB。omlox标准由PI(PROFIBUS&PROFIBUS International)托管。omlox推动了UWB在工业领域的应用。

中国的精准定位联盟是2019年底在中国移动合作伙伴大会期间宣布成立的,旨在联合产业界打造“5G+位置”行业生态,服务于垂直行业应用落地,其融合UWB技术推进了室内外精准定位产业化发展。

UWB频段

根据工信部无〔2008〕354号《关于发布超宽带(UWB)技术频率使用规定的通知》,超宽带 (UWB)无线电发射设备的发射信号带宽(-10dB 带宽)至少 500MHz。

超宽带 (UWB)无线电设备 UWB 发射信号的等效全向辐射功率谱密度限值:

根据无线电设备备案信息显示,超宽带(UWB)无线电发射设备中,使用的主要频段为6．0-9．0GHz和3．6-6．0GHz,其中以6．0-9．0GHz居多。

UWB市场概述

预测表明,到2025年,UWB技术将被集成到众多设备中,每年有超过10亿个设备采用,每年产生超过20亿美元的芯片组收入。与蓝牙和Wi-Fi等其他无线电标准的生态系统配件市场相比,这些预测是保守的。

超宽带行业正在为包括5G物联网在内的多个消费市场所接受,这些市场已推动了巨大的业务量并由此带来了经济价值。UWB与Apple iPhone 11的结合是当前UWB技术以指数级增长进入大众消费类应用,是许多重要里程碑中的第一个。其他智能电话制造商正在将UWB集成到其产品中,这体现在对IEEE 802．15．4z等标准开发组织(SDO)和其他行业协会的参与和贡献。

除在智能手机设备和汽车领域外,UWB应用范围广泛,包括用于COVID-19的高精度接触跟踪、非接触呼吸、心率、温度和跌倒监控、VR运动和手势感应、墙壁探测、通用智能遥控器、运动跟踪、专业音频、智能工厂、牲畜健康与跟踪、罐位雷达感应、机场行李托运以及公共汽车和火车的控制与通讯。其中许多用途对公众的服务价值远远超过这些设备本身,如高精度COVID-19接触追踪,。

UWB的独特属性可提供与其他无线技术协同工作的功能和性能。其他技术不能提供UWB低功耗要求的精确定位和主动跟踪位置。它是满足下一代5G无线应用对物联网的期望所需的一系列功能中必不可少的一部分。

结语

近几年来,随着苹果UWB功能手机的出现,以及UWB行业标准的完善,UWB受到了业界越来越多的关注。

日益增多的无线定位等的应用需求,推动了UWB的发展。而各种不同的定位技术(如 Wi-Fi、GNSS、RFID、Bluetooth等)不断地发展和融合,促进了UWB应用更广泛地发展。蜂窝技术(如5G、4G、NB-IoT等)和非蜂窝技术(LoRaWAN、Sigfox、ZETA等)通信技术也助推了UWB应用,提供了更多无限的可能。

基于IEEE 802．15．4/4z标准的行业联盟推动了UWB行业的发展。FiRa和UWB联盟联手共推UWB,在业界发展形势向好。omlox则在PI的引领下,积极拓展工业领域定位发展。全球车联联盟(CCC)制定的数字钥匙3．0规范有力地推动了UWB在汽车领域的应用。中国精准定位联盟 UWB与5G融合,推进了室内外精准定位产业化发展,为定位垂直化行业应用提供了新的服务。

物的移动性和网络化,使得位置服务不再局限于局域,物联网为UWB发展提供了新的发展空间,UWB将会成为定位服务一个重要的选择。