2022年超宽带技术行业研究报告

2022-04-08 17:56

第一章行业概况

UWB （Ultra Wide band）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号。UWB是一个既古老又崭新的研究领域，现代意义上的超宽带UWB数据传输技术，又称脉冲无线电（IR，Impulse Radio）技术，出现于1960年，通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技术在70年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统等。美国国防部在1989年首次使用了＂超带宽＂这一术语。

为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会（FCC）对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见。2002年，美国FCC（美国联邦通信委员会）正式将3．1GHz－10．6GHz频带作为室内通信用途的UWB开放，标志着UWB开始用于民用无线通信。随后几年中，一些国家和地区如日本、新加坡和欧盟等的无线电管理部门都颁布了类似的法令。中国从2006年开始进行UWB频谱规划的准备工作。经过2年多的调研，2008年12月12日，中国自己的UWB频谱规划正式发布，包括UWB信号的射频指标、应用场所限制、设备核准等方面的内容。

表超宽带（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

资料来源：千际投行，资产信息网，物联传媒

表超宽带（UWB）无线电发射设备窄带杂散辐射限值

资料来源：千际投行，资产信息网，物联传媒

UWB的技术标准之争

由于UWB有着巨大的发展潜力和广阔的市场应用前景，UWB的标准之争从其开始民用之时就非常激烈。UWB规范，在演进的过程中，主要有三种。

（1）脉冲无线电（IR－UWB）

最初的UWB是脉冲通信技术，使用极窄的脉冲信号（纳秒或皮秒级别）传输数据，所以称为脉冲超宽带，又称为脉冲无线电（IR－UWB：Impulse Radio UWB）。这种方案的特点是系统收发机结构简单，系统功耗小，成本低，具有良好的定位功能。但是无载波脉冲方案存在两个主要的缺点：存在严重的符号间干扰（ISI）和频谱利用率不高。目前UWB定位主要是基于这种标准。

（2）DS－UWB方案

该方案是以摩托罗拉为首的企业所提出，在DS－UWB方案中，经过DS－UWB扩频之后的信号再通过对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。DS－UWB方案的特点是提高了频带利用率高，但复杂度较高，成本增加，且依然无法解决ISI问题。

（3）多带（MB－OFDM）方案

该方案是以Intel为首的Wi Media联盟提出，该方案将可用的频段分为多个子频带，通过时频编码（TFC）跳频选择在不同的子频带上发送信号。每个子频带带宽大于500MHz，每个子频带的信号为一个OFDM信号，它由许多个正交的子载波信号合成。该方案降低了电路的成本并且提升了频谱的利用率，但是相应的，其数据传输能力降低了，并且失去了精准定位的特性。

在UWB的标准推进过程中，DS－UWB方案与MB－OFDM方案这两种UWB方案有着本质区别，无法实现彼此妥协。因此，关于UWB技术的标准选择最好的方法是交给市场进行选择。事实上，市场对于UWB技术也做出了选择，早期UWB的技术研究主要用来解决短距离，高速率的传输问题，但因为当时市场需求还没有起来，并且相关的标准推动工作也缓慢，导致目前短距离高速率通信市场已经被Wi－Fi所占领。

正所谓失之东隅，收之桑榆，在短距离通信市场不如意的UWB技术却在高精度定位领域被市场重新发现了他的价值。早在二十一世纪初期，以Ubisense与Zebra为代表的国外技术企业就开始研发基于UWB技术的定位产品与方案，不过在他们的UWB定位方案中，采用的是搭建分离元器件的方式，并没有形成标准的芯片级产品，这种方式注定了其市场普及程度不会太广，而要实现大规模的市场应用就需要对技术方案进行充分的标准化。

为了推进UWB的标准化进程，IEEE成立了802．15．4a任务小组，该小组致力于为低等级工业市场开发一种无线个人区域网络（PAN）标准，而实时精准定位功能是该标准的一个重要的应用领域。目前基于802．15．4a技术定位的芯片供应商主要有Decawave以及Bespoon，其中，Bespoon的市场推广比较少，而Decawave是当前UWB定位芯片的主要供应商。经过数年的发展，目前国内的UWB定位技术产业已经初具规模，并且保持着很高的发展速度，整个产业正在呈现星火燎原之势。

UWB技术的优势

系统容量大，传输速度快：根据香农公式，带宽越宽，系统的最大传输速率就越大，而UWB通信的带宽都在500MHz以上，其传输速率也可达到1Gbps以上。

发射功率低：UWB极大的带宽保证了较低的发射功率。在短距离无线通信应用中，发射机发射的UWB信号功率要低于1mW，这大大延长了电池寿命，保证了较长的系统工作时间，同时对人体的辐射危害也更小。

多径分辨率高：UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲，具有较强的时间和空间分辨率，系统的多径分辨率高，整个系统能够充分利用发射信号的能量。此外，UWB信号具有良好的抗多径性能，对于信道衰减不敏感，接收机通过分级便可以获得很强的抗衰减能力，在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。

系统保密性好：UWB发射功率低，仅在1mW以下。它可以把信号弥散在一个极宽的频带范围内，对于一般的通信信号而言，UWB信号类似于白噪声可以安全地隐藏起来；而UWB信号的功率谱密度要低于普通的环境噪声，要将UWB信号从环境噪声中甄别出来不是一件容易的事情，这很好地保证了UWB信号的安全性。

定位精度高：UWB信号具有超宽频带的特性，使得UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成千上百倍。UWB信号的距离分辨能力可达到厘米级，这是其它窄带系统望尘莫及的。

穿透能力强：窄脉冲具有很强的穿透能力，可以帮助比如警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在建筑物里面的人们。

UWB技术的用途

UWB技术最早出现在上世纪60年代，主要用于军事雷达。由于它具有隐蔽性好、传输速率高、系统容量大、功耗低、抗干扰能力强等诸多优势，逐渐应用于通信和定位领域。特别是FCC在解除UWB在民用领域的限制后，UWB得到了迅速的发展。

表 UWB常见用途