超宽带无线通信技术的特点与发展方向

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近年来，超宽带（UWB）无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。UWB（Ultra-Wideband）超宽带，一开始是使用脉冲无线电技术，此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案，由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 （RF） 的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

1 UWB的产生与发展

超宽带（UWB）有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。

其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。图1给出了带宽计算示意图。可见，UWB是指具有很高带宽比（射频带宽与其中心频率之比）的无线电技术。

UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。UWB技术最初是被作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。2002年2月，美国FCC批准了UWB技术用于民用，UWB的发展步伐开始逐步加快。

2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz～10.6 GHz。为保护现有系统（如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等）不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。图2示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。

UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出，2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。

2 UWB的技术特点

（1）传输速率高，空间容量大

根据仙农（Shannon）信道容量公式，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，系统无差错传输速率的上限为：

C=B×log2（1+SNR）　　　（1）

其中，B（单位：Hz）为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7 GHz带宽，即使信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可达到1 Gb/s。民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

（2）适合短距离通信

按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr （d ）。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数

C（d）=B×log2[1+SNRr（d ）]　 （2）

另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。因此，UWB系统特别适合于短距离通信。

（3）具有良好的共存性和保密性

由于UWB系统辐射谱密度极低（小于-41.3dBm/MHz），对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。

（4）多径分辨能力强，定位精度高

由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散（频率选择性衰落），接收机必须通过牺牲复杂度（增加分集重数）以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。

（5）体积小、功耗低

传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

3 UWB脉冲成形技术

任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息。对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为：

s（t）=∑Ing（t -T ）　　　　　　　　　　　 （3）

其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；

g（t）为时域成形波形。通信系统的工作频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g（t）的设计。

对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500MHz，且信号能量应集中于3.1 GHz～10.6 GHz频段。早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2 GHz以下。FCC对UWB的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需进行调整。近年来，出现了许多行之有效的方法。

3.1高斯单周脉冲

高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉冲波形均可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。

随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降。早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲，信号频率成分从直流延续到2GHz。图3为典型的2ns高斯单周脉冲。

3.2载波调制的成形技术

原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求。因此，传统的用于有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。此时，超宽带信号设计转化为低通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频谱在频率轴上灵活地搬移。

有载波的成形脉冲可表示为：

w（t）=p（t）cos（2πfct）（0≤t ≤Tp）　　　 （4）

其中，p（t）为持续时间为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。若基带脉冲p（t）的频谱为P（f ），则最终成形脉冲的频谱为：

可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p（t），只要使p（t）的-10dB带宽大于250 MHz，即可满足UWB设计要求。通过调整载波频率fc可以使信号频谱在3.1 GHz～10.6 GHz范围内灵活移动。若结合跳频（FH）技术，则可以方便地构成跳频多址（FHMA）系统。在许多IEEE 802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术。图4为典型的有载波修正余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz。

3.3Hermite正交脉冲

Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法。结合多进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速率。这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求。

3.4PSWF正交脉冲

PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。

与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进行频谱般移。因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度。

4 UWB调制与多址技术

调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性，同时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。对于多址技术解决多个用户共享信道的问题，合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多用户容量。通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。

4.1UWB调制技术

（1）脉位调制

脉位调制（PPM）是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM（MPPM）。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。

ppm指Papers Per Minute，即为每分钟打印的页数，这是衡量打印机打印速度的重要参数，是指连续打印时的平均速度。又指用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度，也称百万分比浓度。ppm是英文part per million的缩写，表示百万分之几，在不同的场合与某些物理量组合，常用于表示器件某个直流参数的精度。除此之外，ppm还有多种意思。

PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。

（2）脉幅调制

脉幅调制（PAM）是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM（MPAM）。UWB系统常用的PAM有两种方式：开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。

与2PPM相比，在辐射功率相同的前提下，BPSK可以获得更高的传输可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。

（3）波形调制

波形调制（PWSK）是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。在这种调制方式中，采用M个相互正交的等能量脉冲波形携带数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据符号对应。在接收端，利用M个并行的相关器进行信号接收，利用最大似然检测完成数据恢复。由于各种脉冲能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率。在脉冲宽度相同的情况下，可以达到比MPPM更高的符号传输速率。

（4）正交多载波调制

传统意义上的UWB系统均采用窄脉冲携带信息。FCC对UWB的新定义拓广了UWB的技术手段。原理上讲，-10dB带宽大于500MHz的任何信号形式均可称作UWB。在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调采用快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换（FFT/IFFT）实现。

4.2UWB多址技术

（1）跳时多址

跳时多址（THMA）是最早应用于UWB通信系统的多址技术，它可以方便地与PPM调制、BPSK调制相结合形成跳时-脉位调制（TH-PPM）、跳时-二进制相移键控系统方案。这种多址技术利用了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期（Tf，又称帧周期）划分成Nh个持续时间为Tc的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在Nh个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采用PPM调制或BPSK调制。

由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了多用户干扰。将跳时技术与PPM结合可以有效地抑制PPM信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然产生多用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题。

（2）直扩-码分多址

直扩-码分多址（DS-CDMA）是IS-95和3G移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这种多址方式同样可以应用于UWB系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，因此，在DS-CDMA系统中需要进行功率控制。在UWB系统中，DS-CDMA通常与BPSK结合。

（3）跳频多址

跳频多址（FHMA）是结合多个频分子信道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的随机跳频码控制射频频率合成器，以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传输数据，数据调制在基带完成。若用户跳频码之间无冲突或冲突概率极小，则多用户信号之间在频域正交，可以很好地消除用户间干扰。原理上讲，子信道数量越多则容纳的用户数量越大，但这是以牺牲设备复杂度和功耗为代价的。

（4）PWDMA

PWDMA是结合Hermite等正交多脉冲提出的一种波分多址方式。每个用户分别使用一种或几种特定的成形脉冲，调制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用户使用的脉冲波形之间相互正交，在同步传输的情况下，即使多用户信号间相互冲突也不会产生互干扰。通常正交波形之间的异步互相关不为零，因此在异步通信的情况下用户间将产生互干扰。目前，PWDMA仅限于理论研究，尚未进入实用阶段。