通信技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)于超寬帶無(wú)線的應(yīng)用

梁云杰

（應(yīng)急管理部消防救援局，北京100054）

超寬帶無(wú)線技術(shù)利用脈沖信號(hào)來(lái)傳遞信息，其相對(duì)帶寬大于25%、中心頻率大于500MHZ，是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，其在通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。2019 年蘋(píng)果公司發(fā)布了帶有超寬帶（UWB）收發(fā)器的iphone11，使得超寬帶無(wú)線在社會(huì)各領(lǐng)域中重新得到了廣泛的關(guān)注。

1 超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 實(shí)現(xiàn)短距離通信

資料表明，通信信號(hào)的強(qiáng)弱與無(wú)線通信空間距離的長(zhǎng)短有著直接的關(guān)系，空間距離越長(zhǎng)，信號(hào)傳輸?shù)膿p耗越多，通信質(zhì)量就會(huì)越差。一般超寬帶無(wú)線技術(shù)應(yīng)用在空間距離小于12km 的范圍內(nèi)，其信道容量能夠保持額定值不變，當(dāng)空間距離超出12km 時(shí)，超寬帶無(wú)線的信道容量將大幅下降，且小于窄帶寬系統(tǒng)的信道容量。因此，超寬帶無(wú)線一般在短距離通信方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，可在短距離通信范圍內(nèi)，增強(qiáng)信息傳遞的可靠性。

1.2 傳輸速率高

超寬帶無(wú)線通信技術(shù)傳輸信號(hào)過(guò)程中，采用脈沖作為信號(hào)的載體，因此其傳輸時(shí)間相對(duì)較短，傳輸時(shí)所占帶寬一般控制在1～10GHZ。超寬帶無(wú)線通信技術(shù)使用的是千兆HZ 的頻帶，傳播速率可以達(dá)到Mbit/s 或幾百M(fèi)bit/s，可高于藍(lán)牙技術(shù)的100 倍，也普遍高于IEEE802.11a 和IEEE802.11b，即使發(fā)送信號(hào)功率譜的密度較低,也可以達(dá)到100～500Mb/s 的傳輸速率。

1.3 分辨率高

由于傳輸信號(hào)時(shí)采用的是持續(xù)時(shí)間較短的窄脈沖，因此其傳遞的信息具有較高的分辨率和多徑分辨率，能夠在工程領(lǐng)域中提高測(cè)距、定位、跟蹤的數(shù)據(jù)精度。同時(shí)此種信號(hào)傳輸?shù)姆绞綄?duì)介質(zhì)的穿透率比較高，可以有效突破空間中的介質(zhì)障礙，如墻壁、門(mén)窗等，其在通信技術(shù)領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用，可大幅提升人們的工作效率。

1.4 發(fā)射功率低

超寬帶無(wú)線通信在短距離空間內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，可在一定程度上增強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)膹?qiáng)度，同時(shí)還能夠?qū)⑿盘?hào)發(fā)射設(shè)備的工作頻率降至最低，一般通信設(shè)備的發(fā)射功率小于1mW 時(shí)，也能達(dá)到較高的通信效果。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表明，超帶寬無(wú)線通信技術(shù)發(fā)射功率不可高于-41.3d Bm/MHz，其發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)干擾相當(dāng)于一寬帶的噪聲功率，這說(shuō)明信號(hào)傳輸時(shí)的隱蔽性相對(duì)較好具有極高的保密性，不會(huì)被輕易截獲，在網(wǎng)絡(luò)信息傳播高度發(fā)達(dá)的今天，可有效保障用戶(hù)的信息安全。

1.5 抗干擾能力強(qiáng)

超寬帶無(wú)線在通信領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中，一般采用的是跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，此種信號(hào)在發(fā)射時(shí)，能夠把無(wú)線電脈沖信號(hào)擴(kuò)散到廣域頻帶上，使得輸出功率相對(duì)較小，接收端接收信號(hào)時(shí)，能夠?qū)⒃盘?hào)的能量全部還原，同時(shí)還能在解擴(kuò)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)增益的效果。這說(shuō)明超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，能夠有效解決特定空間范圍內(nèi)信號(hào)屏蔽設(shè)備對(duì)信息傳遞產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，可降低信號(hào)傳輸?shù)膿p耗，從而有效提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量[1]。

1.6 支持多跳擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，多跳網(wǎng)格是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造而成的，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的的移動(dòng)設(shè)備都可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，所有無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)均可以同時(shí)作為AP 和路由器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通信。當(dāng)前人們對(duì)無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室笤絹?lái)越高，在此情況下網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍將大幅降低，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)中的中繼器能夠有效構(gòu)建起多跳網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的作用，從而使超寬帶無(wú)線通信技術(shù)同時(shí)具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣的使用優(yōu)勢(shì)。

2 超寬帶無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用的途徑

2.1 個(gè)域網(wǎng)

當(dāng)前現(xiàn)有的無(wú)線通信方式，如802.11b、藍(lán)牙等普遍存在著傳播速率慢的特點(diǎn)，不適合傳輸視頻或高精度圖片等數(shù)據(jù)信息，給人們的工作生活帶來(lái)了諸多不便，而超寬帶無(wú)線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在10m 距離內(nèi)，以110 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)行文件下載和視頻導(dǎo)入、導(dǎo)出的操作，可大幅提高人們的工作效率和娛樂(lè)體驗(yàn)。超寬帶無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用起來(lái)較為方便，通信系統(tǒng)搭建比較容易，其發(fā)射信號(hào)功率譜密度相對(duì)較低，應(yīng)用時(shí)保密性較強(qiáng)，比較適合在密集多徑場(chǎng)所進(jìn)行高速無(wú)線接入，在個(gè)域網(wǎng)（WPAN）或無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的搭建中使用此技術(shù)能夠大幅提高用戶(hù)體驗(yàn)感。

2.2 智能交通

利用超寬帶無(wú)線通信技術(shù)可以在市政交通體系內(nèi)建立起一個(gè)完善的智能交通管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)一般由站臺(tái)裝置和車(chē)載裝置共同組成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，兩種通信裝置可通過(guò)超寬帶無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種管理功能[2]。2019 年5 月深圳市11 號(hào)線列車(chē)即在5G 超寬帶車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)應(yīng)用的前提下實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)行。在5G 超寬帶車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)的應(yīng)用部署下，地鐵系統(tǒng)有效解決了地下空間中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、傳輸速率不穩(wěn)、車(chē)載數(shù)據(jù)容量超負(fù)荷以及人工處理硬盤(pán)數(shù)據(jù)效率低的問(wèn)題，其傳輸速率達(dá)1.5Gbps，在5G 技術(shù)不斷提升的發(fā)展趨勢(shì)下，未來(lái)超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的傳輸速率將達(dá)到3Gbps，可在150 秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)50GB 的數(shù)據(jù)雙向傳輸，可進(jìn)一步提升地鐵無(wú)線局域網(wǎng)運(yùn)行的效率，提高列車(chē)運(yùn)行的安全性。

2.3 應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)

超寬帶無(wú)線通信技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)，如火災(zāi)、地震、泥石流、洪澇等自然災(zāi)害的應(yīng)急救援活動(dòng)就經(jīng)常應(yīng)用這一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)救援情況以高清視頻的形式快速傳輸?shù)骄仍笓]中心，以此來(lái)提高應(yīng)急事件處理的效率、確保作戰(zhàn)人員與現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)民的安全性。在城市火災(zāi)救援中，高樓建筑對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)形成了較為嚴(yán)重的遮擋，普通無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法在消防人員進(jìn)行建筑物內(nèi)部進(jìn)攻時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的通信，這對(duì)火災(zāi)救援十分不利，而超寬帶無(wú)線通信技術(shù)可在1～2 公里范圍內(nèi)對(duì)消防應(yīng)急人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位，其定位精度一般可控制在30cm 之內(nèi)，能夠有效傳遞火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援情況的同時(shí)，保障消防人員的生命安全，救出被困人員。地震、泥石流等自然災(zāi)害多發(fā)于偏遠(yuǎn)山區(qū)，其信號(hào)覆蓋范圍要求極大，使用超寬帶無(wú)線通信技術(shù)制造穿墻雷達(dá)，能夠在礦場(chǎng)開(kāi)采勘測(cè)以及災(zāi)害搜救過(guò)程中發(fā)揮其最大的價(jià)值，救援人員能夠借助其信號(hào)穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，感應(yīng)到墻體對(duì)面的信號(hào)源，從而能夠明確建筑中被困人員的具體位置，有效提高人員搜救的效率。

2.4 無(wú)線傳感器

由于超寬帶無(wú)線通信技術(shù)具有應(yīng)用低成本、低耗能且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可將該技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線傳感器上，有效應(yīng)用于建筑質(zhì)量檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)以及地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)。雖然當(dāng)前超寬帶無(wú)線通信芯片及其他技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品還未在市場(chǎng)中廣泛流通，相關(guān)應(yīng)用還未得到有效開(kāi)發(fā)，但在5G 技術(shù)的推動(dòng)下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的市場(chǎng)空間將越來(lái)越廣闊。

2.5 軍事通信

在軍事通信領(lǐng)域中，軍隊(duì)的通信活動(dòng)保密性要求極強(qiáng)，然而當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展仍存在許多局限，黑客攻擊事件頻頻發(fā)生，一旦在軍事演習(xí)或軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)生信息泄露，將會(huì)對(duì)軍隊(duì)和軍事局勢(shì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的研發(fā)源于軍事通信領(lǐng)域，其保密性能是該技術(shù)應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域的決定性因素。隨著超寬帶無(wú)線通信技術(shù)水平的不斷提高，在當(dāng)前軍事活動(dòng)中應(yīng)用此技術(shù)，軍隊(duì)間的通信信號(hào)幾乎很難被敵方檢測(cè)到，因此當(dāng)前其仍是軍事通信領(lǐng)域常用的通信技術(shù)之一。

隨著各國(guó)間國(guó)防力量的不斷加強(qiáng)，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)還可應(yīng)用于智能彈藥高精度傳感器和作戰(zhàn)人員的作訓(xùn)裝備上，不僅可以大幅提升軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，還可為指揮中心實(shí)時(shí)提供作戰(zhàn)人員的具體位置，從而提升作戰(zhàn)人員執(zhí)行任務(wù)的安全性。另外在科技創(chuàng)新發(fā)展的背景下，應(yīng)用于監(jiān)獄外服人員的智能監(jiān)控定位系統(tǒng)也是依靠超寬帶無(wú)線通信技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，為社會(huì)治安提供了安全保障[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，世界工業(yè)進(jìn)入4.0 時(shí)代背景下，人們的生產(chǎn)生活對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用需求大幅提高，超寬帶無(wú)線技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展與社會(huì)時(shí)代潮流變革的產(chǎn)物，為人們的工作與生活帶來(lái)了極大的便利。當(dāng)前通信技術(shù)領(lǐng)域深受容量與有限的頻譜資源分配等問(wèn)題的干擾影響技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，超寬帶無(wú)線技術(shù)為通信技術(shù)領(lǐng)域提供了一條有效解決發(fā)展瓶頸的途徑，在5G技術(shù)的推動(dòng)下，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。