您是否还记得「UWB(Ultra Wide Band, 超宽带无线通信)」这个词语轰动业界的事情么？可以通过墙壁通信，可以比有线连接更快的通信，可以使用噪声通信，可以不再受频率限制等等非常不合常理的功能，但如果是真的，那就是革命性发展等等谣言。在之后报道传出关于规格的制定出现问提等的新闻后，终于确立它的规格了！并有新闻称等待已久的“Certified”UWB产品要面市了！...但是不知为何突然变得杳无音讯了。
那么UWB 到底是什么呢？为什么有那种像是梦一样的谣言呢，并在解决了制定规格上的问题之后，以为终于要发售此类产品后直接消失不见了，这到底是为什么呢？我们这次分几期来介绍一下已经成为梦幻的无线通信方式——UWB。

「穿透墙壁也可以达到1Gbps的通信速度？！」
我最早听说UWB的新闻是在2003年左右，当时日本的IT网站介绍了“美国正在开发新的通信技术”。具体情况我已经记不清了，但据说这是一种“限定在极近距离内”，“通过墙壁”“以1Gbps的速度进行通信”的无线通信技术。我至今还清楚地记得当时的想法:“这是不可能的。”这样的新闻中哪些是正确的，哪些是误解的呢?这次我们就来深入挖掘一下。

UWB顾名思义就是“超宽带(无线通信技术)”。请注意，定义并不是“超高速”。这里所说的“带宽”指的是占用带宽，802.11g无线LAN通常占用20MHz的带宽，802.11n高速模式(HT40)占用40MHz的带宽，而UWB的带宽非常宽…至少是500MHz的带宽，而将来可能会达到数GHz，实现“划时代的超高速通信”。但是，为什么占用频带增加的话通信速度就会提高(传递信息量增加)呢?为了理解这一点，首先要简单理解“时间轴”和“频率轴”的关系，以及信息量和频率的关系。

T-Domain 和 F-Domain
首先，请考虑电波一直以某个频率发出的状态。此时传递的信息量为零(注)。如果以时间为轴，就会变成下图左侧;如果以频率为轴，就会变成下图右侧。如果波形是理想的正弦波的话，占据频率轴的宽度是无限小的。 

(注：)为什么连续波的信息量不是“1（=有波浪的信息）”而是“零”，这原本就是与“信息是什么”这一信息工学根源相关的有趣问题。如果有机会再深入探讨。



下面让我们考虑一下“信号可能会有无法发射的情况”的状态。像这样切断或者连接信号的话，传送波不会以“理想的正弦波”的型态传输而是会以“有波乱的信号型态”来传播，而此“波乱的程度”会以频率轴的扩散的形式表现出来。
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如果把信号的开启/关闭速度调得更高，就会变成下图这样。波形越来越远离理想形的正弦波，而且占据频率轴的宽度会越来越大。

如上所述，如果在载波上承载更多的信息(实行调制)，波形就会发生更大的紊乱，导致信息量越大的信号就会越像噪声。那么，如果将该波形的开启/关闭速度提高到极致会怎样呢? 换句话讲，当开启/关闭的间隔比载波的周期短时会发生什么，这也是UWB的根本构想“冲激无线电”的原理。

在冲激无线电中，传递波形不再是“波”的形状，而是由尖锐的尖峰状波形(脉冲)以无秩序的周期排列而成。这作为信号来看更接近于多噪声，且占据了扩大的频率，但是请注意这只是在冲激发出的一瞬间才能出现的效果。
信息量为零的连续波在时间轴(T-Domain)上一直存在，但在频率轴(F-Domain)上只占据无限小的宽度。另一方面，信息量巨大的冲激在时间轴上只存在一瞬间，但在频率轴上却占有很大的宽度。这个时间轴和频率轴的关系和傅立叶展开、采样理论有很深的关系，是构成信息工程学基础的基本原理，详细内容就不讲了。总而言之，“短脉冲可以占用比较宽的频带”也是UWB的出发点。
信息量的传递极限可以用“香农公式(shannon's equation)”来表示。香农极限就像热力学中引擎效率的卡诺极限一样，表明了物理学上的极限，即无论在工学上花费多少心思，因其原理导致无法传递出此数学公式之上的信息量，另一方面表示了物理上的极限的公式。

香农公式表明，即使提高信号强度(S/N比)，传递的信息量也只能是以2的对数增加，但信号频带相比，传递的信息量却是成正比增加的。也就是说，如果使用占用频带较大的UWB，就有可能实现“划时代的”高速通信，但也有必要注意，即使频带再大，也不能忽视S/N比。开头所写的直觉感到“不可能做到”，是对“通过墙壁通信(低S/N比)”和“1Gbps(超高速信息传输)”两者并存的报道所感受到的不可能。

误解的原点
解释一下，问题的报道是把“UWB穿墙”和“用UWB超高速通信”这两个不同的说法混为一谈。UWB(≈冲激无线电)原本是作为军用雷达技术被开发出来的，因为其穿透障碍物的能力特别出色，所以被期待应用于地下探测用雷达和墙壁穿透检查装置。
潜水艇的声呐发出“哔”的声音，然后根据反射声观察周围的情况，我想大家应该也在电影中看到过。而冲激雷达的原理也是一样的。但是，代替“哔”声呐的是宽度比较窄，且作为峰值输出高的脉冲状电波振荡(注)。其特点是“峰值功率高”，穿透力好，而且“宽度窄”，所以精度好。但是单位时间左右的脉冲密度很低，最多几千脉冲每秒。

(※注)海豚要捕捉猎物的时候所发出的生态定位音是发出“咔，咔，咔”的一种尖锐声的脉冲的集合，而冲激UWB声纳正是应用此原理实现的。而众所周知的可以在黑夜中自由飞行的蝙蝠也会用超声波波段进行同样的信号处理。大自然是值得敬畏的。

而超高速通信则是基于香农公式的“如果能够占用更宽的频带，那么信息传输频带应该能够得到性能的提高”的预想成立的。这里需要注意的是，为了增加信息量，不仅要看F-Domain，还要看T-Domain。也就是说，信息的传递量如下：

信息传达 = 单位频率的信息量 × 单位时间的信息量 × 传达时间

纯粹的冲激无线电的情况，单个频率的信息量是1bit。也就是说只有无脉冲的信息(注)。因此，为了增加信息量，必须尽可能缩短脉冲的宽度，并增加单位时间的脉冲密度。如果你想传输1Gbps的信息，需要每秒上10亿脉冲密度，但如果用穿墙雷达那样的大功率来发射的话，就会对时间轴和频率轴上扩散惊人的密度能量。如上述所说，冲激是一种“类似噪声”的信号，而要以大功率、高密度的方式发出，就好比制造一个大功率噪声发生器，如果启动这样的装置，周围的无线装置（无论是电视、手机还是无线LAN）都会受到噪音的影响而全军覆没吧。

(注：)此方式是一种被称为 Pulse On-Off Keying 的调制方式，而此外还有 Pulse Position Modulation (PPM), Bi-phase Pulse Modulation (BPM), Pulse Amplitude Modulation (PAM), Pulse Shape Modulation (PSM), Orthogonal Pulse Modulation (OPM) 等，几乎所有能想到的脉冲调制方式都被提出。

也就是说，“穿墙”所使用的大功率、低密度脉冲和在“超高速通信”所使用的微弱功率、高密度脉冲虽然原理相同，但用途和特性却完全不同。如果将UWB用于高速通信，那么作为高速传输的代价，就必须降低功率来使用，而结果必然会成为“近距离专用”的技术。

2002 年的情人节 · 礼物
为什么会出现这样的误会的报道呢?因为美国的电波监督管理局FCC在2002年2月14日发表了“Order FCC 02-48，Part15”这一法令是其根本原因。这是为了将之前只在军用和科学技术研究等特殊领域使用的UWB技术普及到民用而制定的法令。可以说此法令是UWB的普罗米修斯之火，也是因为这个消息，UWB的热潮骤然燃起，也在这个Order FCC 02-48中，UWB的应用领域大致被分为7大类别。

· Imaging Systems
· Wall Imaging Systems
· Through-wall Imaging Systems
· Medical Systems
· Surveillance Systems
· Vehicular Radar Systems
· Communications and Measurement Systems

我们发现「穿过墙壁的图像传感器(Through-wall Imaging Systems)」和「通信系统(Communications and Measurement Systems)」这俩种系统被并列记载了，估计也是因此导致了认为「穿墙通信可以达到1Gbps」这种误解的吧。

那么，此FCC Part 15中规定了民用UWB的2种非常重要的规格。

频率范围：3.1GHz～10.6GHz
振荡输出：-41.3dBm/MHz

此规格虽然也是导致了许多骚动的原因，但是在这里重要的是「-41.3dBm/MHz」这种振荡输出的规定。事实上此数值和FCC规定的一般电子设备的「不需要辐射杂音」处于同一水平。原来“UWB利用噪声进行通信”这句话的源头就在这里。准确地说，并不是“使用噪声进行通信”，而应该是“用噪声一样的波状信号以低功率噪声的形式来使用，这样即可实现仅限于近距离的高速无线通信的技术”。

宴会开始，然后...
总而言之，在巨大期待和各种的误解后，“UWB”这种技术语也是被世人所知了。而工业界对此技术都有什么打算和反应呢，我们会在下一期以“IEEE 802.15.3a”这个轰动业界的关键词为中心展开讨论。
 

下一期：什么是UWB (2)