什么是超寬帶無線通信技術(shù)

摘要：超寬帶（UWB）具有傳輸速率高、通信距離短、平均發(fā)射功率低等特點(diǎn)，非常適合于短距離高速無線通信。文章對UWB的發(fā)送接收技術(shù)和信道建模方式進(jìn)行了討論，指出UWB將定位于各種消費(fèi)類電子設(shè)備和終端間的高速無線連接。對于IEEE的UWB標(biāo)準(zhǔn)，文章認(rèn)為由于目前形成了脈沖無線電和多頻帶正交頻分復(fù)用（OFDM）兩大方案，因此最終采用哪種方案還需等待。

關(guān)鍵詞：超寬帶；脈沖無線電；無線個域網(wǎng)

Abstract： Ultra-wideband （UWB） is suitable for high-speed wireless communications within a small area， owing to its high data rates， short communication distance and low average transmit power. Two proposals， i.e.， impulse radio and multi-band OFDM， are under consideration in IEEE 802.15.3a standardization process on UWB， and which one will be selected has not been determined. After discussing the transmit and receive techniques as well as channel modeling method in UWB， the article points out that UWB will be targeted at providing high data rate wireless connection among a wide range of consumer electronic devices and terminals.

Key words:ultra wideband; impulse radio; wireless personal area network

無線技術(shù)在通信發(fā)展進(jìn)程中一直扮演著重要角色。伴隨著移動通信十幾年來的蓬勃發(fā)展以及3G、B3G等概念的日益普及，無線家族中的另一成員——短距離寬帶無線接入技術(shù)近年來異軍突起。從藍(lán)牙、HomeRF到IEEE 802.11（即Wi-Fi）系列，越來越多的人開始感受到了短距離無線通信技術(shù)所帶來的諸多便捷，甚至有人認(rèn)為短距離無線通信技術(shù)具有與3G抗衡之勢。

超寬帶（UWB）技術(shù)是目前備受關(guān)注的一種新型短距離高速無線通信技術(shù)。多年來，這項(xiàng)技術(shù)一直在軍事領(lǐng)域中使用。UWB在民用領(lǐng)域開放后，有望憑借其超高的傳輸速度和低功率、低成本等優(yōu)勢給短距離無線接入市場注入新的活力。

1 UWB的特點(diǎn)

應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的UWB是一種低功率的無線電技術(shù)。按照2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在向民用領(lǐng)域開放UWB時的定義，超寬帶技術(shù)指的是信號相對帶寬（即信號帶寬與中心頻率之比）不小于0.2或絕對帶寬不小于500 MHz，并使用指定的3.1 GHz～10.6 GHz頻段的通信方式。與其他傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比較，UWB的技術(shù)特點(diǎn)主要有：

（1）傳輸速率高

UWB系統(tǒng)使用上千兆赫茲的超寬頻帶，所以即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根據(jù)仙農(nóng)信道容量公式，如使用7 GHz帶寬，那么即使信噪比低至-10 dB，理論信道容量也能達(dá)到1 Gb/s［1］， 因此實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100 Mb/s以上的速率是完全可能的。

（2）通信距離短

由于隨著傳播距離的增加高頻信號強(qiáng)度衰減太快，因此使用超寬頻帶的系統(tǒng)更適合于進(jìn)行短距離通信。理論分析表明，當(dāng)收發(fā)機(jī)之間的距離大于12 m時，UWB的信道容量低于傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)。

（3）平均發(fā)射功率低

在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常可做到低于1 mW，這是通過犧牲帶寬換取的。FCC規(guī)定UWB的發(fā)送功率譜密度必須低于美國放射噪音規(guī)定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來說相對于其他通信系統(tǒng)UWB信號所產(chǎn)生的干擾僅相當(dāng)于一寬帶白噪聲。所帶來的好處體現(xiàn)在兩方面：一是可使UWB系統(tǒng)與同頻段的現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)保持良好共存性，這對于提高無線頻譜資源的利用率，緩解日益緊張的無線頻譜資源大有好處；二是使得UWB信號隱蔽性好，不易被截獲，保密性高。

（4）多徑分辨率極高

由于UWB采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨力都很強(qiáng)，因此系統(tǒng)的多徑分辨率極高（1 ns脈沖的多徑分辨率為30 cm），接收機(jī)通過分集可以獲得很強(qiáng)的抗衰落能力，同時在進(jìn)行測距、定位、跟蹤時也能達(dá)到更高的精度。值得一提的是，窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透各種障礙物的能力，例如墻壁和地板，因此UWB具有比紅外通信更為廣泛的應(yīng)用。

（5）適合于便攜型應(yīng)用

傳統(tǒng)的UWB技術(shù)使用基帶傳輸，無需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào)，由此帶來的好處是設(shè)備的功耗小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無線應(yīng)用。

歸根溯源，從頻域上來看，UWB的諸多優(yōu)點(diǎn)來自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的GSM、IS-95、3G等通信系統(tǒng)。因此，UWB的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與傳統(tǒng)的窄帶通信方式有很大差別。

2 UWB的實(shí)現(xiàn)

2.1 脈沖無線電

脈沖無線電形象地說明了UWB直接發(fā)射窄脈沖進(jìn)行通信的特點(diǎn)。將傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)與脈沖無線電的收發(fā)機(jī)進(jìn)行對比，可以看出兩種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方式上的明顯差別。窄帶系統(tǒng)一般采用正弦載波調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，信道上傳輸?shù)氖巧漕l已調(diào)信號，接收機(jī)需要經(jīng)過逐級下變頻之后再進(jìn)行解調(diào)，以恢復(fù)原始信息；脈沖無線電則是直接將經(jīng)過頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發(fā)射出去，信道上傳輸?shù)氖腔鶐盘枺邮諜C(jī)主要是一個相關(guān)檢測器，結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)簡單得多。

為了使天線把信號能量有效地輻射出去，必須對所用脈沖的頻譜特性提出一定的要求（即不含直流分量，低頻分量少，信號能量主要集中在射頻部分）。因此，脈沖無線電采用高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖波形，通過選擇脈沖寬度和階數(shù)獲得不同的帶寬及中心頻率位置。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，高斯各階導(dǎo)的10 dB帶寬大致可以近似為脈沖寬度倒數(shù)的兩倍。因此當(dāng)脈沖寬度低于1 ns時，就能獲得超過2 GHz的帶寬。中心頻率的位置會隨著求導(dǎo)次數(shù)的增加而逐漸上移。

與實(shí)際傳輸速率所對應(yīng)的符號周期相比，這種納秒級乃至亞納秒級的脈沖寬度往往小了幾個數(shù)量級，因此脈沖無線電傳輸?shù)氖且环N低占空比的信號。利用這一特點(diǎn)，系統(tǒng)中常常使用多個脈沖來傳遞一個符號，從而獲得附加處理增益。例如假定傳輸速率為10 Mb/s，脈沖寬度為0.5 ns，脈沖重復(fù)頻率（PRF）為100 Mp/s，則一個符號可以擴(kuò)散到10個脈沖上重復(fù)發(fā)送，附加處理增益將為10 dB，再考慮到20倍的占空比增益，系統(tǒng)獲得的總處理增益將達(dá)到13 dB+10 dB=23 dB。這種處理方式在實(shí)現(xiàn)上帶來的好處是在保持系統(tǒng)脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率不變的情況下，通過改變附加處理增益可以靈活地調(diào)整傳輸速率的高低，實(shí)現(xiàn)可變速率。

鑒于系統(tǒng)對功率有效性的要求比較高，脈沖無線電的調(diào)制方式一般采用二進(jìn)制的脈沖相位調(diào)制（PPM）或二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）。在多址接入方式上，有跳時擴(kuò)頻（TH-SS）和直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）兩種方式可選。典型的組合方案是TH-PPM和DS-BPSK。相比較而言，TH-SS的優(yōu)勢在于它對遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DS-SS那么高，因?yàn)橹挥挟?dāng)不同用戶的信號脈沖正好在位置上出現(xiàn)重疊時遠(yuǎn)近效應(yīng)才會體現(xiàn)出來，從而降低了對功率控制的要求。這也許是早期的UWB系統(tǒng)在信號占空比很低的條件下選用了TH-SS的重要原因［2］。不過，隨著對傳輸速率的要求越來越高，信號占空比勢必要大大增加，TH-SS的優(yōu)勢已不明顯，因此DS-SS方案現(xiàn)在重新受到研究人員的重視。

信號的功率譜密度特性也是決定發(fā)送方案的一個重要因素。理想的UWB信號應(yīng)該近似白噪聲，即功率譜密度（PSD）應(yīng)該為平坦的且幅度越低越好，這樣才不會對現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)造成明顯的干擾。周期性窄脈沖的PSD由離散譜線構(gòu)成，加上PPM調(diào)制之后，功率譜得到一定的平滑，不過更強(qiáng)的平滑作用是通過偽隨機(jī)跳時碼實(shí)現(xiàn)的，而且平滑特性的好壞與偽隨機(jī)碼的選擇密切相關(guān)［3］。如果采用BPSK調(diào)制，由于信號均值為零，功率譜中不含離散譜線，完全由高斯脈沖的頻譜決定，其平坦度與白噪聲仍有很大差距，也要通過偽隨機(jī)序列進(jìn)行平滑。因此，近來的一個研究熱點(diǎn)就是如何通過選擇調(diào)制和多址接入方式的組合及設(shè)計(jì)理想的偽隨機(jī)序列來獲得更好的功率譜密度特性［1］。

2.2 UWB信道建模

UWB信道不同于一般的無線衰落信道。例如，傳統(tǒng)上一般用Rayleigh分布來描述單個多徑分量幅度的統(tǒng)計(jì)特性，前提是每個分量可以視為多個（例如大于10）同時到達(dá)的路徑合成。但是UWB可分離的不同多徑到達(dá)時間之差可短至納秒級，每個多徑分量包含的路徑數(shù)很可能只有2～3條，顯然已經(jīng)不符合Rayleigh分布的假定［4—6］。同時由于強(qiáng)烈的散射效應(yīng)，UWB信道上的多徑分量呈現(xiàn)出成組到達(dá)的特征。在典型的室內(nèi)密集多徑環(huán)境下，接收波形的時延擴(kuò)展很大，例如比較極端的情況下，一個脈沖寬度為2 ns的信號通過UWB信道之后接收波形竟可持續(xù)230 ns［7］。這些特點(diǎn)反映到頻域上，則可以看到由于信號分量橫跨了吉赫茲的頻率范圍，頻率選擇性衰落的特征極為明顯。

對UWB信道的建模可以在時域或頻域上進(jìn)行，目前最常采用的仍是一種離散的延遲線模型，即：

?

（1）室內(nèi)信道的均方根（RMS）時延擴(kuò)展為20～30 ns，無視距分量的情況下會更高。

（2）最大時延擴(kuò)展小于250 ns；多徑強(qiáng)度譜E［|gn|2］屬于非均勻分布，滿足指數(shù)衰減特性。

（3）幅度衰落系數(shù)gn滿足對數(shù)正態(tài)分布（標(biāo)準(zhǔn)偏差為3～5 dB）。研究表明，隨著測試脈沖寬度的增加（在3 ns左右時），多徑分辨率隨之降低，gn的分布將從對數(shù)正態(tài)分布逐步演變?yōu)镹akagami分布。顯然，如果進(jìn)一步增加脈寬，當(dāng)每個多徑分量包含的路徑數(shù)足夠多時，gn的特性仍將會回到Rayleigh分布上去。

（4）多徑到達(dá)時間τn符合泊松分布，具有多徑分量的成組到達(dá)特性。

2.3 UWB接收技術(shù)

盡管UWB信道的時延擴(kuò)展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計(jì)，因此早期的UWB接收機(jī)結(jié)構(gòu)很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時為了降低對器件模數(shù)變換器（ADC）變換速率的要求，相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過程實(shí)現(xiàn)的。但是當(dāng)對傳輸速率的要求達(dá)到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴(yán)重起來。接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機(jī)收集足夠豐富的多徑分量來克服；另一方面，信號的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮。一種比較理想的解決方案應(yīng)該是RAKE+均衡，通過RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。

目前對接收機(jī)在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通常基于RAKE接收機(jī)［8］。在具體實(shí)現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可用，例如選擇信號最強(qiáng)的L條路徑或是最先到達(dá)的L條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實(shí)現(xiàn)難度較大。從仿真結(jié)果來看，就UWB信道特性而言，選擇4～6條路徑進(jìn)行合并已可獲得接近最佳的性能。

同步也是接收機(jī)中值得關(guān)注的一個問題，在高速應(yīng)用中，快速同步的實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵。如果采用最大比合并方式，接收機(jī)還需要進(jìn)行信道估計(jì)。盡管有窄帶通信系統(tǒng)中的許多算法可以借鑒，但需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，在UWB系統(tǒng)特有的信道環(huán)境下，對同步和信道估計(jì)都提出了更高的要求，再考慮到有限抽樣速率下的實(shí)現(xiàn)精度和算法復(fù)雜度問題，同步和信道估計(jì)都還需要進(jìn)行更深入地研究。

3 UWB的應(yīng)用

憑借著短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率這一巨大優(yōu)勢，UWB進(jìn)軍民用市場之初就將其應(yīng)用定位在了無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）上?，F(xiàn)有的各種無線解決方案（例如3G、802.11、藍(lán)牙等）的速率均低于100 Mb/s，UWB則在10 m左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制。這樣一種小范圍內(nèi)的通信，特別是高速通信，通常是用有線連接來完成的，而UWB的應(yīng)用將使得人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。家中的臺式電腦不再需要各種線纜分別連接顯示器、打印機(jī)和掃描儀，攝像機(jī)向電視實(shí)時輸送錄像也代之以高速無線連接，這將會給人們的生活帶來極大的便利。人們也可以用同樣的技術(shù)來幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物里面的人們，甚至防止汽車相撞。類似的應(yīng)用將會層出不窮，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們目前的想象空間。就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢來推斷，UWB的應(yīng)用將主要集中在以下幾個方面：

（1）各種移動設(shè)備之間的高速信息傳輸，例如PDA、MP3、可視電話、3G手機(jī)等設(shè)備之間的短距離點(diǎn)到點(diǎn)通信，包括多媒體文件傳輸、游戲互動等。

（2）桌面PC機(jī)、筆記本電腦、移動設(shè)備與各種外設(shè)之間的無線連接，例如與打印機(jī)、掃描儀、存儲設(shè)備等的無線連接。

（3）數(shù)字電視、家庭影院、DVD機(jī)、投影機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)頂盒等家用電子設(shè)備之間的可視文件和數(shù)據(jù)流的傳輸。

總之，UWB定位于各種消費(fèi)類電子設(shè)備和終端間的高速無線連接。由于消費(fèi)類電子設(shè)備很多，決定了UWB的應(yīng)用將非常廣泛。UWB技術(shù)專家們預(yù)計(jì)到2006年，UWB技術(shù)將帶來10億美元的市場銷售額。

4 UWB的標(biāo)準(zhǔn)化

巨大的市場誘惑力吸引了眾多通信廠商對UWB技術(shù)的關(guān)注。IEEE 802.15.3 SG3a工作組于2002年1月成立，旨在為面向WPAN應(yīng)用的IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)制定出高速物理層補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.3a，UWB的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程由此開始。工作組在標(biāo)準(zhǔn)提案征求書中提出的系統(tǒng)指標(biāo)是：

（1）使用FCC開放的3.1 GHz～10.6 GHz頻段，發(fā)送信號的功率譜密度低于-41.3 dBm/MHz。

（2）目標(biāo)速率為10 m距離上實(shí)現(xiàn)110 Mb/s，4 m距離上實(shí)現(xiàn)200 Mb/s以及1 m距離上實(shí)現(xiàn)480 Mb/s。

（3）支持4個不同步的微微網(wǎng)同時工作。

2003年3月，SG3a工作組如期收到23個提案。經(jīng)過協(xié)商討論，在2003年7月的會議上，這些提案最終融合成了兩大方案，即傳統(tǒng)的脈沖無線電方案和多頻帶正交頻分復(fù)用（OFDM）方案。前一方案的倡導(dǎo)者多是早期投身超寬帶無線通信研究與開發(fā)的中小公司，以美國MSSI、XtremeSpectrum公司等為代表，它們擁有大量脈沖無線電方面的發(fā)明專利，在UWB的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)程中已先行一步。一些傳統(tǒng)的通信大公司顯然不愿意受到這些專利的制約，于是另起爐灶，完全摒棄了無載波窄脈沖的思想，又回到傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)上，提出將可用的7.5 GHz頻段劃分成十幾個500～600 MHz左右的子頻帶，在每個子頻帶上采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶無線通信的方案。出于商業(yè)利益的爭奪，兩種方案的競爭異常激烈，在2003年7月、9月和11月會議上進(jìn)行的投票中，任何一方都沒有得到75%的贊成票，只能留待下一次會議加以解決。

為獲得更多的支持票，兩大陣營一直都在積極采取各種行動。2003年7月，以Intel和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟（MBOA）正式成立，有50多家企業(yè)加入。鑒于IEEE標(biāo)準(zhǔn)制定工作一再拖延，MBOA已于近期決定成立特別工作組，不再等待IEEE的最后結(jié)論，計(jì)劃在2004年5月發(fā)布MBOA規(guī)格Release 1.0，并開始進(jìn)行基于該規(guī)格的設(shè)備開發(fā)，預(yù)計(jì)在2004年第4季度和2005年第1季度分別提供芯片樣品和集成模塊。而另一陣營為打破僵局，一些公司已表示將免費(fèi)提供與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的UWB專利。摩托羅拉作為這一陣營的堅(jiān)定支持者，在2003年11月宣布收購XtremeSpectrum公司。從目前的形勢來看，多頻帶OFDM方案似乎占據(jù)了上風(fēng)。但是，無論哪種方案最終被采用，超寬帶畢竟帶來了一種全新的通信理念，對無線頻譜資源的利用將從窄帶有牌照分配轉(zhuǎn)向?qū)拵o牌照共享方式，由此帶來的安全問題、相互干擾問題以及對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多址接入機(jī)制的重新考慮，將會產(chǎn)生出許多新的研究機(jī)會。

5 結(jié)束語

UWB技術(shù)現(xiàn)在還處于研發(fā)階段，傳輸理論仍有待深入探討，但是其應(yīng)用前景是廣闊的。隨著電子設(shè)備趨向智能化的勢頭日漸加快，對短距離的高速數(shù)據(jù)傳輸要求越來越迫切，特別是無線局域網(wǎng)的普遍建立并與無線移動蜂窩網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，預(yù)示著UWB技術(shù)的前景將非常廣泛。

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作者簡介：

劉丹譜，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院副教授，博士。曾參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目，已發(fā)表論文30余篇。目前主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線局域網(wǎng)和超寬帶無線通信技術(shù)。