超寬帶(ultra wideband,UWB)是一種無線電通信技術,可以進行短距離高帶寬通信。UWB主要應用于數據通信、成像、測量、定位與跟蹤、車載雷達和智能交通等。

UWB的定義

帶寬大是UWB的主要的特征。應用領域不同,其所產生和調制的信號方式也有所不同。UWB的定義,除信號帶寬外,一般還定義輻射功率譜密度和峰值功率等。

在ITU-R SM.1755-0建議書中對超寬帶(UWB)定義:

超寬帶技術 - 用于短程無線電通信的技術,其中涉及在極大頻率范圍內分布的射頻能量的有意生成和發射,此頻率范圍可能與分配給無線電通信業務的若干頻帶相重疊。使用超寬帶技術的設備的天線一般生成兩種有益輻射:至少500MHz的–10dB帶寬或大于0.2的–10dB部分帶寬。

根據通信行業標準《無線通信設備電磁兼容性要求和測量方法 第15部分:超寬帶(UWB)通信設備》中UWB術語所描述:

超寬帶通信技術(Utra WideBand Communication Technology) - 用于短距離無線電通信的技術,其中涉及在極大頻率范圍內分布的射頻能量的有用生成和發射,此頻率范圍可能與分配給無線電通信業務的若干帶相重疊。使用超寬帶技術的設備通過天線產生的有用輻射應至少為500MHz/-10dB帶寬。

UWB技術特點

高數據速率 - 超寬帶技術能以極低的功率運行,并支持多用戶的高數據速率應用。如,數據速率大于100Mbit/s的短距離無線個域網。

安全通信 - 與一般無線電通信信號相比,超寬帶信號可能更為隱秘,也更難檢測到,UWB信號相當于白噪聲。超寬帶信號占用較大帶寬,信號能量分布在極寬頻帶范圍內,一般其功率譜密度低于自然的電子噪聲,檢出UWB信號較為困難,而采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后,脈沖的檢測將更加困難。

多徑效應 - 在復雜的環境中,UWB由于具有較寬的傳輸帶寬,可以抵御多徑衰落。由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間,多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。而超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低,多徑信號在時間上是可分離的。

定位 - UWB可以穿越墻壁和障礙物,提供高精度定位能力,超短脈沖定位器可以提供相對位置,定位精度可達厘米,用于探測人或物體的移動。級。

成像 - 超寬帶可用于多種醫療應用,獲得人或動物體內器官的影像。

低功耗 - UWB系統使用間歇的極短脈沖來傳輸數據,脈沖時間短,一般在0.20ns~1.5ns之間,有很低的占空比,系統耗電可以做到很低,在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW~幾十mW。

UWB應用

超寬帶技術可集成到許多應用中。部分超寬帶設備可支持多個應用。下面是各種超寬帶應用大致類別及其操作特性。

超寬帶應用的操作特性:

UWB發展歷程

早在20世紀60年代,UWB就已應用于軍事用途。

2002年,WiMdia聯盟推出了第一個UWB規范,促進了個人局域網中設備之間的無線多媒體連接和互操作性。

美國聯邦通信委員會(FCC) 允許在雷達、公共安全和數據通信應用中免許可使用UWB系統。

2005年,由歐洲國際計算機制造商協會(ECMA)公布ECMA-368標準,高速率超寬帶PHY和MAC標準,多頻帶正交頻分調制(MB-OFDM)方案

2007年,IEEE 802.15.4a,從OFDM發展為脈沖無線電(UWB IR),無線傳感網絡(WSN)或工業物聯網(IIoT)室內定位

2012年,IEEE 802.15.4f標準發布,提供了LRP UWB PHY

2015年,IEEE 802.15.4-2015定義了2個UWB PHY,HRP Ch. 16(802.15.4a/802.15.4-2011)  和  LRP Ch. 19(802.15.4f-2012)

2018年,UWB聯盟成立,致力于UWB全球推廣和普及,包括RF頻譜和互操作性問題

2019年,FiRa聯盟成立,基于IEEE 802.15.4/4z標準,增強了UWB PHY & MAC

2020年,IEEE 802.15.4z發布, 增強了UWB PHY和相關測距技術

UWB行業組織

UWB行業相關的組織主要有UWB聯盟、FiRa聯盟、全球車聯聯盟(Car Connectivity Consortium)、omlox和中國的精準定位聯盟。

FiRa聯盟建立了在IEEE 802.15.4/4z標準的基礎上的可互操作的標準,推動了UWB標準化的發展。

全球車聯聯盟推動了UWB在汽車領域的應用。2021年4月,全球車聯聯盟結合UWB技術發布了數字鑰匙3.0規范。

omlox是將所有定位技術統一在一個開放的、可互操作的標準中。支持各種定位技術(如UWB、Wi-Fi、GNSS、5G、RFID、Bluetooth)的即插即用互操作性,尤其是UWB。omlox標準由PI(PROFIBUS&PROFIBUS International)托管。omlox推動了UWB在工業領域的應用。

中國的精準定位聯盟是2019年底在中國移動合作伙伴大會期間宣布成立的,旨在聯合產業界打造“5G+位置”行業生態,服務于垂直行業應用落地,其融合UWB技術推進了室內外精準定位產業化發展。

UWB頻段

根據工信部無〔2008〕354號《關于發布超寬帶(UWB)技術頻率使用規定的通知》,超寬帶 (UWB)無線電發射設備的發射信號帶寬(-10dB 帶寬)至少 500MHz。

超寬帶 (UWB)無線電設備 UWB 發射信號的等效全向輻射功率譜密度限值:

根據無線電設備備案信息顯示,超寬帶(UWB)無線電發射設備中,使用的主要頻段為6.0-9.0GHz和3.6-6.0GHz,其中以6.0-9.0GHz居多。

UWB市場概述

預測表明,到2025年,UWB技術將被集成到眾多設備中,每年有超過10億個設備采用,每年產生超過20億美元的芯片組收入。與藍牙和Wi-Fi等其他無線電標準的生態系統配件市場相比,這些預測是保守的。

超寬帶行業正在為包括5G物聯網在內的多個消費市場所接受,這些市場已推動了巨大的業務量并由此帶來了經濟價值。UWB與Apple iPhone 11的結合是當前UWB技術以指數級增長進入大眾消費類應用,是許多重要里程碑中的第一個。其他智能電話制造商正在將UWB集成到其產品中,這體現在對IEEE 802.15.4z等標準開發組織(SDO)和其他行業協會的參與和貢獻。

除在智能手機設備和汽車領域外,UWB應用范圍廣泛,包括用于COVID-19的高精度接觸跟蹤、非接觸呼吸、心率、溫度和跌倒監控、VR運動和手勢感應、墻壁探測、通用智能遙控器、運動跟蹤、專業音頻、智能工廠、牲畜健康與跟蹤、罐位雷達感應、機場行李托運以及公共汽車和火車的控制與通訊。其中許多用途對公眾的服務價值遠遠超過這些設備本身,如高精度COVID-19接觸追蹤,。

UWB的獨特屬性可提供與其他無線技術協同工作的功能和性能。其他技術不能提供UWB低功耗要求的精確定位和主動跟蹤位置。它是滿足下一代5G無線應用對物聯網的期望所需的一系列功能中必不可少的一部分。

結語

近幾年來,隨著蘋果UWB功能手機的出現,以及UWB行業標準的完善,UWB受到了業界越來越多的關注。

日益增多的無線定位等的應用需求,推動了UWB的發展。而各種不同的定位技術(如 Wi-Fi、GNSS、RFID、Bluetooth等)不斷地發展和融合,促進了UWB應用更廣泛地發展。蜂窩技術(如5G、4G、NB-IoT等)和非蜂窩技術(LoRaWAN、Sigfox、ZETA等)通信技術也助推了UWB應用,提供了更多無限的可能。

基于IEEE 802.15.4/4z標準的行業聯盟推動了UWB行業的發展。FiRa和UWB聯盟聯手共推UWB,在業界發展形勢向好。omlox則在PI的引領下,積極拓展工業領域定位發展。全球車聯聯盟(CCC)制定的數字鑰匙3.0規范有力地推動了UWB在汽車領域的應用。中國精準定位聯盟 UWB與5G融合,推進了室內外精準定位產業化發展,為定位垂直化行業應用提供了新的服務。

物的移動性和網絡化,使得位置服務不再局限于局域,物聯網為UWB發展提供了新的發展空間,UWB將會成為定位服務一個重要的選擇。

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