超宽带无编還信执术及发是 作者:张靖黎海涛张平发布日期:200111 (1电子科技大学电子技术系成都610054:2北京邮电大学电信工程学院北京100876) 摘要首先介绍了超宽带UWB技术的发展,然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点,包括信号调制方式、多径传播、传输速率 接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方面,最后展望了它的发展趋势和进一步研究的课题 关键词宽带无线通信信号 在过去数年中,短距离无线系统,从10m到100m,由于数据业务的推动,呈现出巨大的发展潜力,特别是近年在短距离无线通信领 域提出了个人局域网(PAN)的概念。PAN的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆,组建个人化的信息网络。实现PAN的主 要技术有:蓝牙( Bluetooth)、IDA( Infrared DataAssociation)、 Home rF以及超宽带UWB)等4种,其中具有高性能、低功耗和低成本无线 数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术 众所周知,一般通信技术是把信号从基带调制到载波上,所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率而UWB是通过 对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制,从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方 面的重大难题,它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。同时,它还具有对信道衰落不敏感:发射信号功率谱密度 低(数十mW范围),有低截获能力:系统复杂度低:能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线 接入和军事通信应用中。 随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展,超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会(FCC)以及全球其他标准化组 织正在制定UWB无线技术规范。UwB可能在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和数据通信方式。美国、欧 洲等许多学者目前都在对UwB技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和 Internet 来实现传输数据、话音、视频等业务,进而形成新一代蜂窝系统。 2,1UwB信号 现超宽带通信的首要任务是产生UWB信号,从本质上看,UWB是发射和接收超短电磁脉冲的技术,可使用不同的方式来产生和接 收这些信号以及对传输信息进行编码。这些脉冲可以单独发射或成组发射,并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编 目前较成熟的UwB通信信号有两种:时间调制( IMUWB和直接序列相位编码 DSC)UWB. IM-UWB采用瞬时开关技术来产生短脉 冲或只有很少几个过零点的波形,可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线辐射,以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射 这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布,进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间 编码形成多个信道,实现多址通信。直接序列相位编码UWB采用一种以千兆赫兹速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列 以数百Mbi/s的速率对数据进行编码,多个编码脉冲表示一个比特,编码增益能提供抗多径干扰能力,在短距离范围内,DSC-UwB能提 供极高的数据率。 可以看到,与一般的扩频波形(直接序列扩频DSSs或跳频扩频FHSS)不同,UwB波形的扩频带宽是直接产生的,即单个比特未经扩 频序列如PN码调制,本质上是时域概念。另外,DSSs、FHSS波形是恒包络,扩频波形占空比 即峰平比相等,在UWB中,脉 冲持续时间相对脉冲间隔很短,波形的占空比为一个小的百分数,峰平比很大 另外,UWB脉冲比传统无线信号更加难以探测,例如,TM-UWB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间,采用一种独特的时序 编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率,以提供难以被探测和截听的安全传输,而 且由于极短的波形持续时间,更易于实现多用户通信中的分组突发传输。 2多径传播 多径衰减是无线通信的一大障碍,传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径的困扰,难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪, 而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外,多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差,这在建筑物中尤为明显,而UWB 技术特别适合室内使用,它有抗多径衰落的固有鲁棒性。UWB非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨,而不是在接收端被破坏
超宽带无线通信技术及发展 作者：张 靖 黎海涛 张 平 发布日期：200111 (1.电子科技大学电子技术系 成都 610054；2.北京邮电大学电信工程学院 北京 100876) 摘 要 首先介绍了超宽带(UWB)技术的发展，然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点，包括信号调制方式、多径传播、传输速率、 接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方面，最后展望了它的发展趋势和进一步研究的课题。 关键词 宽带 无线通信 信号 1 引言 在过去数年中，短距离无线系统，从 10m 到 100m，由于数据业务的推动，呈现出巨大的发展潜力，特别是近年在短距离无线通信领 域提出了个人局域网(PAN) 的概念。PAN 的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。实现 PAN 的主 要技术有：蓝牙(Bluetooth)、IrDA(Infrared Data Association)、Home RF 以及超宽带(UWB)等 4 种，其中具有高性能、低功耗和低成本无线 数据通信能力的 UWB 成为未来富有竞争力的技术之一。 众所周知，一般通信技术是把信号从基带调制到载波上，所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。而 UWB 是通过 对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有 GHz 量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方 面的重大难题，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。同时，它还具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度 低(数十 mW 范围) ，有低截获能力；系统复杂度低；能提供数厘米的定位精度等优点。UW B 尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线 接入和军事通信应用中。 随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会(FCC)以及全球其他标准化组 织正在制定 UWB 无线技术规范。UWB 可能在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和数据通信方式。美国、欧 洲等许多学者目前都在对 UWB 技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和 Internet 来实现传输数据、话音、视频等业务，进而形成新一代蜂窝系统。 2 UWB 性能特点 2.1 UWB 信号 实现超宽带通信的首要任务是产生 UWB 信号，从本质上看，UWB 是发射和接收超短电磁脉冲的技术，可使用不同的方式来产生和接 收这些信号以及对传输信息进行编码。这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。 目前较成熟的 UWB 通信信号有两种：时间调制(TM)UW B 和直接序列相位编码(DSC)UWB。TM-UWB 采用瞬时开关技术来产生短脉 冲或只有很少几个过零点的波形，可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线辐射，以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射， 这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布，进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间 编码形成多个信道，实现多址通信。直接序列相位编码 UW B 采用一种以千兆赫兹速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列 以数百 Mbit/s 的速率对数据进行编码，多个编码脉冲表示一个比特，编码增益能提供抗多径干扰能力，在短距离范围内，DSC-UWB 能提 供极高的数据率。 可以看到，与一般的扩频波形(直接序列扩频 DSSS 或跳频扩频 FHSS)不同，UWB 波形的扩频带宽是直接产生的，即单个比特未经扩 频序列如 PN 码调制，本质上是时域概念。另外，DSSS、FHSS 波形是恒包络，扩频波形占空比为 100%，即峰平比相等，在 UW B 中，脉 冲持续时间相对脉冲间隔很短，波形的占空比为一个小的百分数，峰平比很大。 另外，UWB 脉冲比传统无线信号更加难以探测，例如，TM-UWB 系统在多个成对配置的接收机和发射机之间，采用一种独特的时序 编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率，以提供难以被探测和截听的安全传输，而 且由于极短的波形持续时间，更易于实现多用户通信中的分组突发传输。 2.2 多径传播 多径衰减是无线通信的一大障碍，传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径的困扰，难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪， 而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外，多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差，这在建筑物中尤为明显，而 UWB 技术特别适合室内使用，它有抗多径衰落的固有鲁棒性。UW B 非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨，而不是在接收端被破坏
从而在窄带系统中的时变衰落被大大减小。UWB其定位精度小于几个厘米,并通常遵循自由空间传播规律 下面对多径传播作定量分析。扩频带宽为1228MHz的IS-95蜂窝系统和PCS系统可以分辨时延差异略小于1us的多径信号←在室外 环境中,时延可能有好几个ps,因此一些多径信号要采用Rake技术加以分辨和接收,但室内信道中多径时延常为ns级,它无法在相对窄 带的s-95信道中进行分辨,因此类似IS-95这样的系统必须克服严重的 Ravleigh衰落,它要求信号必须在静态信号级的20dB以上,才能 达到规定的性能。而带宽超过1GHz的UwB系统,能分辨出时延小于1ns的多径信号,然后采用Rake接收机可获得足够的信号能量 UwB系统性能受信道传播和多径的影响很大,需要对UWB传播环境进行深入研究以更精确地预测UWB系统性能和优化收发信机设 传输速率 如前所述,UWB系统中有不同的调制方法,下面将以 PAMUWE系统为例分析传输距离与速率之间的关系。假设噪声为AWGN,未 编码时系统BER达到103,编码后减小为105-10 发射功率谱密度限制在-41dBm/MHz,工作频段从2.5GHz到5GHz 故带宽为2.5GHz,中心频率为3.75GHz。路径模型设为自由空间传播,采用MPAM调制和相干检测时的误符号率为PM=crfc,误比 特率为Pb=PM,这里M=2k,Yb为每比特的SNR。若每个符号传送k个信息比特,则符号的SNR为kyb,还可表示为 sd B sT p/n0,这里Psd是FCC限制的平均发射功率谱密度,Bs是发射脉冲带宽,Tp指脉冲重复频率(PRF),n0是噪 声功率谱密度。因此,在平均发射功率谱和系统BER一定的条件下,增加脉冲带宽或减小PRF,都会影响系统速率和工作距离。在以上假 设条件下,定量研究表明,当通信距离为125m时,2PAM调制时系统传输速率为250Mbis,8PAM调制时速率为50Mbit/s:当距离为275m 时,2PAM调制时系统速率为50 Mbit/s,8PAM调制时速率为10Mbit/s;当距离为100m时,系统吞吐量严重下降 可見,UwB在近距离能提供很高速率,结果还表明高阶PAM调制没有提高速率,这个问题可以这样理解,PAM是一种频谱有效的调 制方式,但不是功率有效的。采用其他方法,如增加天线增益、提高编码增益、减小噪声、增大带宽能进一步提高传输速率和距离 从通信的角度来看,无论扩频还是UwB系统性能都由有效比特信噪比Eb/No确定,这里No=kleB,k是 boltzmann's常数, 是系统噪声温度,B是瞬时带宽。Eb=PT,对UWB系统,P是脉冲峰值功率,T是有效脉冲持续时间,对扩频波形而言,同样Eb由 門决定,但T表示比特持续时间。可以看出,在给定εER条件下,脉冲越短,带宽越宽,所需的峰值功率越高,而在相同的平均功率量 级,扩频和UWB有同样的BER性能 24干扰 由于UwB发射的宽带特性,可能对其他已申请的使用频段造成干扰,因此FCC正在审定UWB技术的合法性。FCC的目标是在满足 市场对高效频谱利用率的UwB技术需要的同时,保证它对目前用户已经申请的频段不会造成干扰。 1998年9月,FCC第一次发出征询通知(NOI),要求工业界对发射功率严格受限时在非授权频段使用UWB技术的提出反馈意见.FCC 第15条款规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限制,具体如下: FCC Part15209规定对频率高于960MHz,在1MHz带宽内,测 量距离3m,发射功率在500W/m内,相应的发射功率谱密度限制在-413 d Bm/MHz以下。自第一次发出NOl后,收到了500多份意见 显示了业界对UWB技术的浓厚兴趣2000年5月,FCC对工业界发出在Part15规定下允许UWB发射机工作而修改条款的通知(NPRM), 并征询反馈意见 C还考虑在2GHz以下对发射功率谱做更低的限制,以保护GPS等,但目前还没有定义界限。国家电信信息管理局(NmA)的报道结 果分析出UWB发射机对工作在12GHz和15 GHzGPS的影响很大,有20~-35dB甚至更大的衰减,超出了 FCC Part15.209对功率的限制, 需要对GPS工作频段进行保护。 由于频段共享会造成潜在的干扰。有许多因素对UWB系统与其他窄带系统的共存有影响,包括UWB系统中器件之间的隔离,信道 传播的损耗,调制技术,脉冲重复频率,接收天线的增益。例如,一个UWB以脉冲重复频率发送未调制的脉冲时,会在频域产生以PRF 重复出现的峰值。加入幅度调制后,UWB信号经过扩频后更为平坦。结果,UWB发射机产生的干扰类似宽带干扰,它对窄带接收机的背 景噪声有影响。UWB系统中需要考虑两方面的问题:一是要求UWB进行低功率发射,这使得UWB有很高的功效比和能低成本实现,可 以省电,也限制了UwB通信的距离:二是UWB系统可能受其他窄带无线通信设备的干扰 FCC的限制仅是个开端,对工业界来说,通过制定标准来推广这项技术并与其它无线通信设备共存是重要解决途径。例如,若UWB 应用于个人局域网(PAN),则与802.1aLAN邻近,因此,UWB系统必须设计成与LAN共存,这可通过工业协作和标准化工作来完成 2.5接收机 与传统的无线收发信机结构相比,UWB收发信机的结构相对简单,如图1所示。为对比分析其优点,把UWB接收机与实现短距离通 信的蓝牙接收机进行比较。 Bluetooth采用跳频技术把1MHz带宽的信号扩展到79MHz,发射信号的中心频率为245GHz,带宽为79MHz 在接收端,弱信号首先经过放大器放大后下变频到中频I=120MHz,下变频使用外差技术,混频后会产生镜像信号,在低频端,解调并恢
从而在窄带系统中的时变衰落被大大减小。UW B 其定位精度小于几个厘米，并通常遵循自由空间传播规律。 下面对多径传播作定量分析。扩频带宽为 1.228MHz 的 IS-95 蜂窝系统和 PCS 系统可以分辨时延差异略小于 1μs 的多径信号。在室外 环境中，时延可能有好几个 μs，因此一些多径信号要采用 Rake 技术加以分辨和接收，但室内信道中多径时延常为 ns 级，它无法在相对窄 带的 IS-95 信道中进行分辨，因此类似 IS-95 这样的系统必须克服严重的 Rayleigh 衰落，它要求信号必须在静态信号级的 20dB 以上，才能 达到规定的性能。而带宽超过 1GHz 的 UWB 系统，能分辨出时延小于 1ns 的多径信号，然后采用 Rake 接收机可获得足够的信号能量。 UWB 系统性能受信道传播和多径的影响很大，需要对 UWB 传播环境进行深入研究以更精确地预测 UWB 系统性能和优化收发信机设 计。 2.3 传输速率 如前所述，UWB 系统中有不同的调制方法，下面将以 PA M UWB 系统为例分析传输距离与速率之间的关系。假设噪声为 AWGN，未 编码时系统 BE R 达到 10 -3 ，编码后减小为 10 -5 ～10 -9 ，发射功率谱密度限制在-41 dBm/MHz，工作频段从 2.5GHz 到 5GHz， 故带宽为 2.5GHz，中心频率为 3.75GHz。路径模型设为自由空间传播，采用 M-PAM 调制和相干检测时的误符号率为 P M＝ erfc ，误比 特率为 P b＝ P M，这里 M＝2 k，γ b 为每比特的 SNR。若每个符号传送 k 个信息比特，则符号的 SNR 为 kγ b，还可表示为 P sd B sT p/η 0，这里 P sd 是 FCC 限制的平均发射功率谱密度，B s 是发射脉冲带宽，T p 指脉冲重复频率(PRF)，η 0 是噪 声功率谱密度。因此，在平均发射功率谱和系统 BER 一定的条件下，增加脉冲带宽或减小 PRF，都会影响系统速率和工作距离。在以上假 设条件下，定量研究表明，当通信距离为 12.5m 时，2PAM 调制时系统传输速率为 250Mbit/s，8PAM 调制时速率为 50Mbit/s；当距离为 27.5m 时， 2PAM 调制时系统速率为 50Mbit/s，8PAM 调制时速率为 10Mbit/s；当距离为 100m 时，系统吞吐量严重下降。 可见，UWB 在近距离能提供很高速率，结果还表明高阶 PAM 调制没有提高速率，这个问题可以这样理解，PAM 是一种频谱有效的调 制方式，但不是功率有效的。采用其他方法，如增加天线增益、提高编码增益、减小噪声、增大带宽能进一步提高传输速率和距离。 从通信的角度来看，无论扩频还是 UWB 系统性能都由有效比特信噪比 E b/N o 确定，这里 N o=k TeB，k 是 Boltzmann's 常数，Te 是系统噪声温度，B 是瞬时带宽。E b=PT，对 UWB 系统， P 是脉冲峰值功率，T是有效脉冲持续时间，对扩频波形而言，同样 E b 由 PT 决定，但 T 表示比特持续时间。可以看出，在给定 BE R 条件下，脉冲越短，带宽越宽，所需的峰值功率越高，而在相同的平均功率量 级，扩频和 UWB 有同样的 BER 性能。 2.4 干扰 由于 UWB 发射的宽带特性，可能对其他已申请的使用频段造成干扰，因此 FCC 正在审定 UWB 技术的合法性。FCC 的目标是在满足 市场对高效频谱利用率的 UWB 技术需要的同时，保证它对目前用户已经申请的频段不会造成干扰。 1998 年 9 月，FCC 第一次发出征询通知(NOI)，要求工业界对发射功率严格受限时在非授权频段使用 UWB 技术的提出反馈意见。FCC 第 15 条款规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限制，具体如下：FCC Part 15.209 规定对频率高于 960MHz，在 1MHz 带宽内，测 量距离 3m，发射功率在 500μW/m 内，相应的发射功率谱密度限制在-41.3dBm/MHz 以下。自第一次发出 NOI 后，收到了 500 多份意见， 显示了业界对 UWB 技术的浓厚兴趣。2000 年 5 月，FCC 对工业界发出在 Part15 规定下允许 UW B 发射机工作而修改条款的通知(NPRM)， 并征询反馈意见。 FCC 还考虑在 2GHz 以下对发射功率谱做更低的限制，以保护 GPS 等，但目前还没有定义界限。国家电信信息管理局(NTIA)的报道结 果分析出 UWB 发射机对工作在 1.2GHz 和 1.5GHz GPS 的影响很大，有 20~35dB 甚至更大的衰减，超出了 FCC Part 15.209 对功率的限制， 需要对 GPS 工作频段进行保护。 由于频段共享会造成潜在的干扰。有许多因素对 UWB 系统与其他窄带系统的共存有影响，包括 UWB 系统中器件之间的隔离，信道 传播的损耗，调制技术，脉冲重复频率，接收天线的增益。例如，一个 UWB 以脉冲重复频率发送未调制的脉冲时，会在频域产生以 PRF 重复出现的峰值。加入幅度调制后，UWB 信号经过扩频后更为平坦。结果，UWB 发射机产生的干扰类似宽带干扰，它对窄带接收机的背 景噪声有影响。UWB 系统中需要考虑两方面的问题：一是要求 UWB 进行低功率发射，这使得 UWB 有很高的功效比和能低成本实现，可 以省电，也限制了 UWB 通信的距离；二是 UWB 系统可能受其他窄带无线通信设备的干扰。 FCC 的限制仅是个开端，对工业界来说，通过制定标准来推广这项技术并与其它无线通信设备共存是重要解决途径。例如，若 UWB 应用于个人局域网(PAN)，则与 802.11a LAN 邻近，因此，UWB 系统必须设计成与 LAN 共存，这可通过工业协作和标准化工作来完成。 2.5 接收机 与传统的无线收发信机结构相比，UWB 收发信机的结构相对简单，如图 1 所示。为对比分析其优点，把 UWB 接收机与实现短距离通 信的蓝牙接收机进行比较。Bluetooth 采用跳频技术把 1MHz 带宽的信号扩展到 79MHz，发射信号的中心频率为 2.45GHz，带宽为 79MHz。 在接收端，弱信号首先经过放大器放大后下变频到中频 IF=120MHz，下变频使用外差技术，混频后会产生镜像信号，在低频端，解调并恢
UwB收发信机中,信息可被几种不同技术调制,如M-ary脉冲幅度调制或PM调制发射脉冲。在接收端,天线收集信号能量经放大 后通过匹配滤波或相关接收机处理,再经高增益门限电路恢复原来信息。相对于超外差接收机而言,它实现相对简单,没有本振、功放 L(锁相环)、ⅤCO压控振荡器)、混频器等,制造成本低。UWB接收机的一个优点是它可以全数字化实现,采用软件无线电技术,可动 态调整数据率、功耗等.例如,当距离增加时,UwB能用几个脉冲发送同一信息比特从而在接收端提高了SNR。这种灵活性是功率受限 的未来移动计算所必须的。蓝牙发射机在1mW平均发射功率时速率为1Mbts,工作的距离范围为10m。而发射功率小于10pW,带宽为 2GHz的UwB发射 LNA:低噪声放大器IF:中频Up/ down converter:上下变频器PA:功率放大器T(Rx:发送/接收 RefOsc:本振MF/Com:匹配滤波 相关器 Synth:频率合成 UpDown converter 基÷ISK 解调 基带 RX nth Ref osc 监牙 基带 RX (b)UWH 图1接收机结构
复信号。 UWB 收发信机中，信息可被几种不同技术调制，如 M-ary 脉冲幅度调制或 PPM 调制发射脉冲。在接收端，天线收集信号能量经放大 后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。相对于超外差接收机而言，它实现相对简单，没有本振、功放、 PLL(锁相环)、VCO(压控振荡器)、混频器等，制造成本低。UWB 接收机的一个优点是它可以全数字化实现，采用软件无线电技术，可动 态调整数据率、功耗等。例如，当距离增加时，UWB 能用几个脉冲发送同一信息比特从而在接收端提高了 SNR。这种灵活性是功率受限 的未来移动计算所必须的。蓝牙发射机在 1mW 平均发射功率时速率为 1Mbit/s，工作的距离范围为 10 m。而发射功率小于 10μW，带宽为 2.5GHz 的 UWB 发射 (a)Bluetooth (b)UWB LNA：低噪声放大器 IF：中频 Up/down converter：上/下变频器 PA：功率放大器 T(R)X：发送/接收 Ref Osc：本振 MF/Corr：匹配滤波/ 相关器 Synth：频率合成 图 1 接收机结构
机能提供同样的吞吐量和覆盖距离。这对便携式通信装置来说,可大大延长电池工作时间。UWB技术的最重要的特点是其低成本和 低系统复杂性,可全数字化实现。它只需要一种数字方式产生脉冲,并对脉冲进行调制,而这些电路都可以被集成到一个芯片上,目前己 有这种产品。另外,它只用很少的RF或微波器件,因其RF设计简化,系统的频率自适应能力 但是,UWB系统设计时也面临一些挑战,一个普遍关心的问题是在UwB接收机的频带内,宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰: 匹配滤波器的精度:超宽带天线等也不易满足.由于短的脉冲持续时间,为相关检测接收脉冲需要精确的定时,这些问题可通过采用先进 技术来解决。若把UWB发射机设计成频率自适应,带宽自适应结构,则UWB系统能与共享频段的其他通信设备共存而不造成干扰 26空间容量 这里空间容量定义为比特/秒平方米bi/sm2)空间容量的概念已被许多学者使用,如加州 Berkeley的 Jan Rabaey教授等,文中采用 平方米,因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比IEEE80211b工作的距离范围是100m,在24 GHZISM 频段,有80MHz的未用频宽。因此,在半径为100m的覆盖范围内,3个22 MHZ IEEE802.11b系统可同时工作互不干扰,每个系统提供 的峰值速率达11Mbit/s,总共的速率达33 Mbit/s,产生的空间容量为1000 bit/s-m2.蓝牙在低功耗模式下,在10m距离内,速度可达1Mbit/s, 10个蓝牙微微蜂窝( piconets)能在10m圆周范围内同时工作,速度达10 mbit/s,从而得到的空间容量近似为30000 bit/sn2.IEEE8021la 的工作距离范围在50m,峰值速率达5Mbis,假设在5GHz频段内,有200MHz可得到的频宽,系统的空间容量可达83000bit/s UwB系统在10m距离范围内的峰值速率可达50Mbit/s,系统的空间容量达1000000bt/sm2 可以看出,目前的一些标准如蓝牙和IEEE802.11,其峰值速度和空间容量都远低于UwB,这可从理论上找到答案。根据经典的信道 容量理论,C=Blog2(1+S/N),最大信道容量的与带宽成线性关系,UWB系统带宽一般有2GHz甚至更宽,比带宽受限的 Bluctooth、 IEEE8①,11以及 HiperLAN2等无线系统有更大的容量。因此,UwB系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来,随着系统功率的 增大,UWB系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来,像无线以太局城网802.11b和短距的蓝牙通信技术,都有可能被UwB所 取代,这是因为UWB产品的吞吐量将比采用80211b的产品大1000倍,也就是说UWB系统与80211b相比,能够支持更多的用户,而 且比当前无线LAN系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为,就速度和传输距离而言,超宽带无线通信技术当前还 只是处于其萌芽阶段,他们认为,随着功率和芯片制造技术的提高,UWB产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。 UwB系统在短距离范围内的高数据率能力,很适用于带宽/时延敏感的视频通信,为保证业务的高QoS等级,除了物理层外,还应研 究媒体访问控制(MAC层的设计。高速数据在无线信道中传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点,同时,无线信道随时间、地 点而变,用户的移动性也提出另外的要求,如当接入点改变时,用户希望仍能接收到同样的QoS业务,问题在于新无线链路并不一定支持 要求的QoS。这些都需要对MAC层合理设计来处理。UWB系统的MAC层设计包括控制信道接入,QoS、安全性的保证等。下面着重讨 论信道接入和QoS功能 EEE80211Tg专门委员会在研究增强型的80211MAC协议以优化信道接入和保证QoS.802.1MAC层基本的信道接入采用分布式 访问控制方式DCF,以及建立在DCF之上的集中访问控制PCF,提供一种集中化轮询式的通信欧洲提出的与8021充争的技术 HiperLAN2 H2),则采用不同的MC和Qos保证方法.80211的MAC来源于 Ethernet和p,增强Oos的同时能后向兼容.HL2MAC基于无线 mM板念,没有后向容的要求,H12和801的根本区别在于它采用聿常短定长度的分组,集中控制随机接入资源预留道,基于 成功资源预留的TDMA类型的信道分配。这种结构能提供好的QoS性能,但是,与802.11MAC相比,它实现的复杂性较高。 在高速率UWB系统的MAC层设计中,可以根据它的特点进行设计选择,这是MAC层设计时一个要考虑的重要问题。当UWB技术 走向标准化和产品化时,一个待决定的问题是:是否采纳一些其他无线网络中的MAC技术或者完全开发新的技术。这一方面要看到现存 的MAC协议是否适用于UWB应用,另一方面是根据UWB的特性要求加入新的技术到MAC层,一定程度上的兼容性能获得市场和用户 的接受。如UwB系统中,在发射功率恒定时,速率与RF和峰值功率成反比。在MAC可利用这个特点,通过适当调整来灵活控制,根 据通信的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号:为使UWB系统间能共存,可在MAC层利用不同的扩频码来设计UwB系统:为解 决UWB与WLAN系统,如802.11a的共存性问题,也可通过物理层和MAC层的联合设计来实现.UWB系统成功应用的一个重要考虑是 它与其它WLAN或WPAN的共存性 已有大量关于UWB技术的性能和局限的分析,一个较普遍的误解是UwB技术是适合于所有应用的最佳设计。实际上,UWB技术最 适合于拥挤的室内应用,并不适合于室外应用。因为UWB在大气环境下距离越远信号衰减越厉害。另一种误解是将UWB无线技术和冲
机能提供同样的吞吐量和覆盖距离。这对便携式通信装置来说，可大大延长电池工作时间。UWB 技术的最重要的特点是其低成本和 低系统复杂性，可全数字化实现。它只需要一种数字方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，目前已 有这种产品。另外，它只用很少的 RF 或微波器件，因其 RF 设计简化，系统的频率自适应能力很高。 但是，UWB 系统设计时也面临一些挑战，一个普遍关心的问题是在 UWB 接收机的频带内，宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰； 匹配滤波器的精度；超宽带天线等也不易满足。由于短的脉冲持续时间，为相关检测接收脉冲需要精确的定时。这些问题可通过采用先进 技术来解决。若把 UWB 发射机设计成频率自适应，带宽自适应结构，则 UWB 系统能与共享频段的其他通信设备共存而不造成干扰。 2.6 空间容量 这里空间容量定义为比特/秒/平方米(bit/s·m2)。空间容量的概念已被许多学者使用，如加州 Berkeley 的 Jan Rabaey 教授等，文中采用 平方米，因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比。IEEE 802.11b 工作的距离范围是 100m，在 2.4GHz ISM 频段，有 80MHz 的未用频宽。因此，在半径为 100m 的覆盖范围内，3 个 22MHz IEEE 802.11b 系统可同时工作互不干扰，每个系统提供 的峰值速率达 11Mbit/s，总共的速率达 33Mbit/s，产生的空间容量为 1000 bit/s·m2。蓝牙在低功耗模式下，在 10m 距离内，速度可达 1Mbit/s， 10 个蓝牙微微蜂窝(piconets)能在 10m 圆周范围内同时工作，速度达 10Mbit/s，从而得到的空间容量近似为 30000 bit/s·m2。IEEE 802.11a 的工作距离范围在 50m，峰值速率达 54Mbit/s，假设在 5GHz 频段内，有 200MHz 可得到的频宽，系统的空间容量可达 83000 bit/s·m2。 UWB 系统在 10m 距离范围内的峰值速率可达 50Mbit/s，系统的空间容量达 1000000 bit/s·m2。 可以看出，目前的一些标准如蓝牙和 IEEE 802.11，其峰值速度和空间容量都远低于 UWB，这可从理论上找到答案。根据经典的信道 容量理论，C＝Blog 2(1+S/N)，最大信道容量的与带宽成线性关系，UWB 系统带宽一般有 2GHz 甚至更宽，比带宽受限的 Bluetooth、 IEEE802.11 以及 HiperLAN2 等无线系统有更大的容量。因此，UWB 系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来，随着系统功率的 增大，UWB 系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来，像无线以太局域网 802.11b 和短距的蓝牙通信技术，都有可能被 UWB 所 取代，这是因为 UWB 产品的吞吐量将比采用 802.11b 的产品大 1000 倍，也就是说 UWB 系统与 802.11b 相比，能够支持更多的用户，而 且比当前无线 LAN 系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为，就速度和传输距离而言，超宽带无线通信技术当前还 只是处于其萌芽阶段，他们认为，随着功率和芯片制造技术的提高，UWB 产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。 2.7 MAC 层 UWB 系统在短距离范围内的高数据率能力，很适用于带宽/时延敏感的视频通信，为保证业务的高 QoS 等级，除了物理层外，还应研 究媒体访问控制(MAC)层的设计。高速数据在无线信道中传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点，同时，无线信道随时间、 地 点而变，用户的移动性也提出另外的要求，如当接入点改变时，用户希望仍能接收到同样的 QoS 业务，问题在于新无线链路并不一定支持 要求的 QoS。这些都需要对 MAC 层合理设计来处理。UWB 系统的 MAC 层设计包括控制信道接入，QoS、安全性的保证等。下面着重讨 论信道接入和 QoS 功能。 IEEE 802.11 Tge 专门委员会在研究增强型的 802.11 MAC 协议以优化信道接入和保证 QoS。802.11 MAC 层基本的信道接入采用分布式 访问控制方式DCF，以及建立在DCF之上的集中访问控制PCF，提供一种集中化轮询式的通信。欧洲提出的与802.11 竞争的技术HiperLAN/2 (HL2)，则采用不同的 MAC 和 QoS 保证方法。802.11 的 MAC 来源于 Ethernet 和 IP，增强 QoS 的同时能后向兼容。HL2 MAC 基于无线 ATM 概念，没有后向兼容的要求。HL2 和 802.11 的根本区别在于它采用非常短固定长度的分组，集中控制随机接入资源预留信道，基于 成功资源预留的 TDMA 类型的信道分配。这种结构能提供好的 QoS 性能，但是，与 802.11 MAC 相比，它实现的复杂性较高。 在高速率 UWB 系统的 MAC 层设计中，可以根据它的特点进行设计选择，这是 MAC 层设计时一个要考虑的重要问题。当 UW B 技术 走向标准化和产品化时，一个待决定的问题是：是否采纳一些其他无线网络中的 MA C 技术或者完全开发新的技术。这一方面要看到现存 的 MAC 协议是否适用于 UWB 应用，另一方面是根据 UWB 的特性要求加入新的技术到 MAC 层，一定程度上的兼容性能获得市场和用户 的接受。如 UWB 系统中，在发射功率恒定时，速率与 PRF 和峰值功率成反比。在 MAC 可利用这个特点，通过适当调整来灵活控制，根 据通信的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号；为使 UWB 系统间能共存，可在 MAC 层利用不同的扩频码来设计 UWB 系统；为解 决 UWB 与 WLAN 系统，如 802.11a 的共存性问题，也可通过物理层和 MAC 层的联合设计来实现。UW B 系统成功应用的一个重要考虑是 它与其它 WLAN 或 WPAN 的共存性。 3 结论 已有大量关于 UWB 技术的性能和局限的分析，一个较普遍的误解是 UWB 技术是适合于所有应用的最佳设计。实际上，UWB 技术最 适合于拥挤的室内应用，并不适合于室外应用。因为 UWB 在大气环境下距离越远信号衰减越厉害。另一种误解是将 UWB 无线技术和冲
击雷达技术混为一谈。UWB无线技术采用的脉冲和冲击雷达的脉冲相似,但传输功率大大不同。商用UWB产品将利用接收机领域的最新 技术,并将以非常低的功率(mW级)进行发射。而冲击雷达,必须以极高的功率kW级)发射信号。明晰这些区别后,我们对UWB在无线 通信中应用才能有更清楚的认识 WB可以满足全球对更大带宽的强烈需求。全球频谱规划组织已注意到UwB具有巨大潜力,它的优点促使全球频谱规划组织思考如 何更好地推广这项先进的无线技术。2000年5月美国rCC公布了一条UwB规则制订通知。最近,欧洲也正在评估UWB规则提案,欧洲 标准化组织的一些成员已经建议欧洲应该在2001年底之前确定UwB的使用规则,而英国无线通信协会已经开始带头评估UWB辐射对现 有系统的影响。据悉,FCC对UwB通信的管理规则将在2001年内确定。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入, IEEE Journal on Selected Areas in Communications杂志将在2002年出版有关UWB 技术的专辑论文“ Ultra wide band radio in multi- Access wireless communications”我国也非常重视这项革命性的技术,在2001年9月初发 布的“十五"863计划通信技术主题研究项目中,把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究 内容,鼓励国内学者加强这方面的研发工作。 UwB技术领域,有着广泛的研究内容,除了UwB波形、发射机、检测器、天线、信道特点、UWB系统的多址等物理层实现技 术外,空中接口的灵活性,开放的网络还要求重新定义高层而不仅限于物理层,这方面包括UwB资源和移动管理、安全性、在保证Qos 下UwB与固定网的互通、UwB与其它无线技术的糍容性等问题。为充分利用移动通信的潜力,还需要研究在UWB通信中移动接入技术 的可行性、要求和性能以及相应的资源管理技术。 参考文献 Taylor J D, Introduction to Ultra-wideband Radar Systems, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1995 2 FCC notice of proposed rule making Revision of part 15 of the commission'srules regarding ultra-wideband transmission systems, ET-Docket Win MZ, Scholtz A Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications, IEEE Irans on COM,2000,48(4:679-691 4 Win Mz, Scholtz RA. On the robustness of ultra-wide bandwidth signals in dense multpath environments. IEEE Comm, Letters, 1998, 2(2) [作者简介]张靖,电子科技大学博士生,目前从事3G关键技术研究工作。黎海涛,北京邮电大学博士后,从事宽带无线通信方面的研 究工作,已发表论文20余篇。张平,北京邮电大学教授,博士生导师 (1. Dept of Elec, ofUESIC, Chengdu 610054; 2. School of telecom of BUPT, Beijing 100876 Abstract on this paper, the development of ultra wideband communication technology is introduced. The system performance is analyzed, including waveform,multipath propagation, system thoughout, receiver and coexistence with other radio equipments et al. At last the research project is Key words tra wideband, wireless communication, signal(收稿日期:2001-09-19)
击雷达技术混为一谈。UWB 无线技术采用的脉冲和冲击雷达的脉冲相似，但传输功率大大不同。商用 UWB 产品将利用接收机领域的最新 技术，并将以非常低的功率(mW 级)进行发射。而冲击雷达，必须以极高的功率(kW 级)发射信号。明晰这些区别后，我们对 UWB 在无线 通信中应用才能有更清楚的认识。 UWB 可以满足全球对更大带宽的强烈需求。全球频谱规划组织已注意到 UWB 具有巨大潜力，它的优点促使全球频谱规划组织思考如 何更好地推广这项先进的无线技术。2000 年 5 月美国 FCC 公布了一条 UWB 规则制订通知。最近，欧洲也正在评估 UWB 规则提案，欧洲 标准化组织的一些成员已经建议欧洲应该在 2001 年底之前确定 UWB 的使用规则，而英国无线通信协会已经开始带头评估 UWB 辐射对现 有系统的影响。据悉，FCC 对 UWB 通信的管理规则将在 2001 年内确定。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入，IEEE Journal on Selected Areas in Communications 杂志将在 2002 年出版有关 UWB 技术的专辑论文“Ultra Wide Band Radio in Multi-Access Wireless Communications”。我国也非常重视这项革命性的技术，在 2001 年 9 月初发 布的“十五”863 计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究 内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。 在 UWB 技术领域，有着广泛的研究内容，除了 UWB 波形、发射机、检测器、天线、 信道特点、UWB 系统的多址等物理层实现技 术外，空中接口的灵活性，开放的网络还要求重新定义高层而不仅限于物理层。这方面包括 UWB 资源和移动管理、安全性、在保证 QoS 下 UWB 与固定网的互通、UWB 与其它无线技术的兼容性等问题。为充分利用移动通信的潜力，还需要研究在 UWB 通信中移动接入技术 的可行性、要求和性能以及相应的资源管理技术。 参 考 文 献 1 Taylor J D. Introduction to Ultra-wideband Radar Systems, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1995 2 FCC notice of proposed rule making.Revision of part 15 of the commission's rules regarding ultra-wideband transmission systems, ET-Docket: 98~153 3 Win M Z，Scholtz R A.Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications，IEEE Trans on COM，2000，48 (4):679~691 4 Win M Z, Scholtz R A.On the robustness of ultra-wide bandwidth signals in dense multipath environments. IEEE Comm, Letters, 1998,2(2) ［作者简介］张靖，电子科技大学博士生，目前从事 3G 关键技术研究工作。黎海涛，北京邮电大学博士后，从事宽带无线通信方面的研 究工作，已发表论文 20 余篇。张平，北京邮电大学教授，博士生导师。 Ultra Wideband Wireless Communication Technology Zhang Jing 1 Li Haitao 2 Zhang Ping 2 (1. Dept. of Elec. of UESTC，Chengdu 610054; 2. School of Telecom. of BUPT， Beijing 100876) Abstract on this paper，the development of ultra wideband communication technology is introduced.The system performance is analyzed，including waveform、multipath propagation、system throughout、receiver and coexistence with other radio equipments et al.At last the research project is reviewed. Key words tra wideband，wireless communication，signal (收稿日期:2001-09-19)