超宽带无线通信技术简介

引言

超宽带技术不同于其它无线通信技术，它具有隐蔽性好、抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等一系列优点，而且可以重复利用频谱，解决频谱拥挤不堪的问题。

超宽带的概念

UWB的定义

超宽带的定义经历了以下几个阶段：

1989年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。

1989年美国国防部(DARPA)首次使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在 20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或分数带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号。

2002年FCC颁布了UWB的频谱规划，并规定只要一个信号在 10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射，分数带宽定义为：

公式(略)

其中，f_{H}、f_{L}分别为系统的高端和低端频点。一般超宽带脉冲无线电使用分数带宽定义，由(1)式可知，一个信号是否是UWB信号取决于中心频率。若信号A与信号B带宽相同，但A的中心频率远高于B的中心频率，则A的分数带宽很小，A不属于UWB信号。

UWB的频谱规划

FCC关于UWB系统的频谱模板

根据FCC的规定，UWB 在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3.1～10.6 GHz，并在这一频率范围内，带宽为1MHz的辐射体在三米距离处产生的场强不得超过500 V/m，相当于功率谱密度为75nw/MHz，即 41.3dBm/MHz。FCC 规定的UWB频谱范围和谱密度限制分为室内、室外两个标准。

其他国家的频谱模板

为了更有效的进行频谱管理，各国的频谱管理机构提出了一些新的频谱管理思路。新加坡于2003年2月底宣布启动"超宽带计划"， 积极发展UWB技术，并且为了进行测试提出了一套新的模板。日本则正在讨论UWB走向实用应解决哪些课题，并于2004年3月24日发布了中期草案报告，并提出两个模板修正提议。这些模板基本上都是基于FCC标准提出的，在部分频段上与FCC标准完全一致。

UWB的调制与多址技术

无载波方案(脉冲无线电方案)

早期的UWB 系统是通过发送一串时间上不重叠的纳秒级脉冲来传输数据的，不像传统通信系统使用正弦波把信号调制到载频上，所以又称为基带无载波系统。

TH-UWB

TH-UWB是指由实现多址的PN码来决定脉冲的发射时刻，属于伪随机跳时多址方式。数据调制则可采用PAM或PPM。

TH-PAM

这种方式中，发送的数据采用PAM调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。C_{j}^{(k)}为第k个用户PN码的第j个码元，其取值范围为{0,N_{h} -1}，伪码周期为N_{p}。则第k个用户的信号波形为：

公式(略)(2)

其中d_{j}是信息序列， T_{f}是脉冲重复周期，[ ]表示取整符号，上标k为用户索引，T_{c}表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据符号周期T_{s}=N_{s}T_{f}。由(2)式知，一个数据符号在持续时间上发射N_{s}个脉冲，当N_{s}=1时，则一个符号只发射一个脉冲。

TH-PPM

跳时脉冲位置调制TH PPM的信号波形为：

公式(略)(3)

TH-PPM仍然是用N_{S}个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。

DS-UWB

这种方式中，发送的数据经伪随机序列扩频后再用BPSK调制，其信号波形为：

公式(略)(4)

这种情况下码片持续时间T_{c}等于帧持续时间T_{f}，其中有关符号说明同TH-PAM模型。

在TH-UWB中信道资源是由时间与PN码组成，多址方式既可以是TDMA，也可以是CDMA；而DS-UWB的信道资源仅是PN码，其多址方式是CDMA。

基于载波的UWB

单载波DS-CDMA

在单载波DS-CDMA 方案中，经过DS-CDMA 扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。XtremeSpectrum 等公司提出的方案共有两个可用频段：3.1-5.15 GHz(低频段)和5.825-10.6 GHz(高频段)。UWB 信号通过对载波调制在这两个频段之一进行传输，或在这两个频段同时传输。为了避免对美国非特许的国家信息基础设施(UNII)频段和IEEE 802.11a 系统的产生干扰，这两个频段之间的部分没有利用。

传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA 方案通过频谱搬移解决了这一问题。

多频带正交频分复用(OFDM)方案

这种方案是将7.5 GHz频段划分成十几个500～600 MHz左右的子频带，在每个子频带上采用OFDM技术实现宽带无线通信。

DS-UWB与多频带UWB的比较

2004年5月SG3a工作组确定了两个提案：无载波DS-UWB与多频带UWB。

UWB的路径损耗模型与多径信道模型

路径损耗模型

目前所用的窄带路径损耗模型都不随频率变化而变化，超宽带信号由于所涉及的频谱范围极宽，所以路径损耗模型是频率的函数，如(5)式所示：

公式(略)(5)

假设发射机的发射的功率谱密度为P_{t}(f)，则接收到的功率谱密度为：

公式(略)(6)

SG3a工作组对其子委员会在2002年11月提交的UWB的信道模型稍作改进后，于2003年7月颁布了UWB的室内信道模型，这个信道模型被假定在观察期间是静止的。

公式(略)(7)

其中， X代表对数正态分布的信道增益的变化； K代表观察到的总群数；N(k)代表第k群中接收到的总多径数； _{nk}代表第k群中第n个多径分量的幅度： _{nk}=P_{nk} _{nk}，其中P_{nk}等概取值 1来表示由于反射引起的信号极性发生翻转； _{nk}表示对数正态分布的第 k群中第n个多径分量的幅度增益；T_{k}表示第k群的到达时间，即第k 群中第一个多径分量的到达时间； _{nk} 表示以T_{k}为时间基准，第 k群中第n个多径分量的到达时间，所以每群中第一个多径分量的到达时间 _{1k}为0。

这个模型在用于脉冲无线电时没有考虑到脉冲在经过信道传播后由于反射、散射其形状会发生变化。另外这个模型假设了衰落与时延无关，但是一些实验结果表明衰落深度随时延增大而增大。这是因为多径分量的到达时间间隔随时延增大而减小，因此时延越大，在一个可分辨的时间段上到达的多径数目就越大，根据中心极限定理此时信号经历的是瑞利衰落。所以对此信道模型还需继续改进。

UWB技术的应用前景非常诱人，如在高速无线个域网、无线以太接口链路、智能无线局域网、户外对等网络以及传感、定位和识别网络等众多领域有着广泛的应用，尤其是在数字家庭的应用。目前众多公司都选择无线家庭应用作为UWB技术的突破口。正因为有这些应用场景与许多优点，所以全球各大著名公司正在积极进行UWB无线设备的开发与推广。

2002年5月，全球召开了关于UWB技术的第一次会议；2002年下半年至今，ITU-R 召开了两次会议专门讨论UWB技术， 特别是电磁兼容问题。中国也积极参与各种会议，2003年10月由无线电监测中心派人参加ITU-R-SG1会议，讨论和研究UWB电磁兼容等问题。2003年信息产业部下达"UWB系统电磁兼容分析"软科学研究项目，由国家无线电监测中心承担、北京邮电大学协助研究。2004年9月24日"首届中国超宽带无线技术论坛"在北京国宾饭店召开。

2004年4月，Intel 展示的UWB传输速率高达480Mbps。2003年，Motorola生产出实用的UWB收发设备，2004年8月获FCC批准，并已开始向全球客户提供样品，有望于2004年第三季度实现正式商用化。 而原来是Motorola子公司的飞思卡尔将于2004 年第四季度开始提供速度220Mbps的第三代双芯片UWB样片。飞思卡尔还计划在2005年发布速度为500Mbps和1Gbps的UWB 芯片样品。2004年5月，飞思卡尔与全球主要消费电器生产商海尔集团，在北京全国科学技术展览会上成功展示了利用超宽带无线技术将手提摄录机与等离子平面电视机无线连接。这是市场上首度采用DS-UWB融入家庭影音设备的全功能模式。预计消费者最快将于2004年底能够购买到具备UWB能力的产品。

UWB是一种新兴无线通信技术，有许多问题亟待研究。除了可控窄脉冲产生技术、UWB波形、收发机、天线及传播特性与信道模型等物理层技术需研究外，完整的通信协议还需研究链路接入协议、空中接口的灵活性、资源管理和移动管理等问题。另外，UWB与其它无线技术的互相兼容问题也是一个很重要的课题。