UWB技术在物联网中的关键应用

UWB技术具有巨大的诱惑力，同时又向我们提出了很多的挑战。虽然FCC对UWB的发射功率、通信距离做了严格的限制，但它毕竟与现存的大多数通信系统工作在同一频段，相互之间的干扰问题将不得不考虑。要实现该技术用途的广泛性，许多关键技术有待于解决。

（1）规则与标准

UWB一项革命性的新技术，需要制定各种规则与标准来保证UWB系统与目前运行系统之间的兼容性和不同厂商UWB产品之间的兼容性。UWB要获得成功首先要有一套广为接受的物理层（PHY）和媒体接入控制（MAC）协议标准。UWB技术与（Ad-Hoc网的结合使得UWB系统容量变得很大，因此在Ad-Hoc网的管理层上也要制定相应的标准来保证各个移动节点接入的灵活性和各个产品之间的兼容性。

基于UWB技术的无线Ad-Hoc网在网络构成和路由寻找过程中，利用UWB技术的精确定位能力能准确地测量出节点之间的距离，再通过节点间的信息交互可以逐步算出网络的地理拓扑结构图。但该地理拓扑图并不能作为路由选择的唯一依据。由于UWB在距离、速率和功率上的互换性，给路由的选择带来了极大的灵活性。采用UWB技术后，需要研究一种具有无线资源管理功能的路由算法，综合考虑跳数、传输速率和发送功率等因素，使整个网络的无线资源的利用率达到最优，网络的全局运行成本最低。其中Ad-Hoc网络的动态路由协议是设计Ad-Hoc网络的关键，它要求有一个高度自适应的路由机制来处理网络拓扑结构的变化，以实现Ad-Hoc网与主干网的多跳接入和无缝接入。而现有的路由技术不适用于Ad-Hoc网络。如何把多个无线Ad-Hoc网连成一个大网以及如何与Internet相结合，是当今热点问题之一。

（2）信号的选择

UWB信号的形式主要有两种：跳时（TH）信号和直接序列（DS）信号。TH-UWB采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波形，直接将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线，以每秒几十至几百兆赫的高速率发射，这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔分布。对这些脉冲进行时间编码就可以实现多址通信。DS-UWB采用Gbit/s的速率发射的高占空比宽带脉冲，该脉冲序列以每数百Mbit/s的速率对数据进行编码，多个编码脉冲表示一个bit，编码增益能提供抗多径干扰能力，在短距离范围内，DS-UWB能提供极高的数据传输率。这两种信号在各种环境中的优缺点还有待于进一步研究与实验。

UWB虽然具有抗多径衰落的能力，但它还是受到多径衰落的影响。例如，当传播距离和天线高度之比过大时，视距信号和反射信号到达的时差可能小于发射脉冲的持续时间，这时多径干扰将不可避免。因此要对UWB系统的最大传输速率做出严格限制，使得信号的周期尽可能长一点，确保在下一个脉冲发射之前目前正在传输的脉冲所引起的多径分量基本消失，以减少传输脉冲之间的干扰；同时UWB信号的周期又不能太短，否则在一个脉冲传输过程中信道的时变效应就不能忽略。

（3）抗干扰技术

UWB采用的是频谱重叠技术，容易对其他同频系统产生干扰。UWB的发射功率虽然很小，但它的瞬时峰值功率还是比较大的，因此有必要采取一定的优化措施，例如自适应功率控制、占空比优化等，以减少对其他通信系统的干扰。另一方面，由于UWB系统传输功率很低，且大部分工作在工业区、商业区或者住宅区等一些环境恶劣的场合，容易受到噪声和其他同频无线电的干扰。如何解决UWB和其他无线电系统的兼容问题是目前UWB的一个重要课题。

（4）调制、接收技术(www.xing528.com)

UWB原先用在军事上，大容量、多用户不是它的主要目的。但在商业通信中大容量、多用户恰恰是它的主要问题，而UWB信道的时域特殊性需要一个合适的调制技术和编码方案来提高系统的用户容量。

理想的UWB接收机是RAKE接收机，但它的复杂性随着多径数的增加呈指数上升，因此一般采用的是次最佳RAKE接收机。这种次最佳RAKE接收机的性能又是任何？是否存在其他更好的接收机结构？这些都有待于进一步的研究。根据Q.Li和L.Rusch的研究，自适应多用户检测接收机能集聚多径能量，在克服符号间干扰和码间干扰等方面要比4个和8个支路的RAKE接收机好得多，特别是在抗宽带干扰方面，这种接收机具有更多的优越性。

UWB信号覆盖范围宽，频率弥散效应明显。在频段的低端和高端信号有着不同的失真、频散及损耗。另外高速器件的成本要比低速器件高得多。采用信道分割技术可以有效地克服这些问题。通过信道的分割技术还能避免与无线LAN使用的5GHz频带的干扰，不同区域可分配不同的波段，确保信号的轻松传输。

在UWB产品的天线设计方面，要求是微型、在各种条件下能正常工作（例如靠近物体或放在身边），具有超宽频带和一定增益。而UWB信号的带宽很宽，根据自由空间传播定理，频段的高端和低端增益相差大约11dB，所以实现高效的UWB天线，尤其在尺寸很小时，困难重重。

（5）信道特性

UWB不同于窄带无线通信，它在调制、编码、功率控制、天线设计等方面有着许多特殊性。在研究UWB通信技术的时候急切需要一个合适的、贴近于现实的UWB信道模型来公正地评价该技术的物理性能。令人遗憾的是至今人们对UWB的信道特性，特别是UWB信道的时变特性，还不十分清楚，我们还没有足够多的实验数据来建立一个完整的信道模型。

（6）集成电路的开发

UWB系统的带宽比窄带系统高出了几十倍，实现UWB宽带集成电路和高速非线性器件方面，器件的宽带特性是其技术瓶颈所在，它们的开发成功与否是UWB技术得以发展和应用的关键因素。