UWB概念技术应用与发展

2004.12UWB－概念、技术、应用和进展目次引言：无线通信研发的新热点－UWB概念：无线通信的基本问题与概念特点：有关UWB的ABC应用：UWB通信的应用技术：UWB的关键技术结语：几点体会与建议2004年十大热门技术之首UWB毕竟是何方神圣？UWB可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。（spark－gap）现代意义上的超宽带UWB无线技术(ImpulseRadio)，消灭于1960年月。超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，1998年FCC征询用于民用的意见，2002年2月确定辐射模板正式将其解禁。热点：由来非正弦载波调制传输：第一个基于UWB无线电通信的脉冲技术为SparkGap无线电通信技术，主要用来传送摩尔斯电码。在1942年和1945年，DeRose和Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。但因二战和机密缘由，被美国政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后对于相控雷达的讨论深化了脉冲无线电技术的进展。1962年随着HP采样示波器面市，微波网络基于脉冲的响应能够被直接观察与讨论，讨论表明基于脉冲的传送可广泛用于雷达及其它种类的通信，并在70年月受到雷达信号处理领域讨论人员的关注，应用到雷达高精度测距和测角。非正弦波形传输UWB放射信号传统无线放射信号热点：由来80年月，UWB技术被看成基带、无载波的脉冲技术。始终到1989年，美国国防部才采纳UWB这个称呼，此时对UWB及其相关方面的讨论已经近30年了。时隔这么多年后，在最近七八年中其它先进的无线技术如蓝牙技术、WiFi、WiMAX都先后面世，UWB为什么会重出江湖并引起如此亲密的关注呢？热点：由来90年月以来，消费者对访问网络和宽带多媒体信息猎取的需求有爆炸性的增长，超出了可用的无线系统传输能力。1996年，无线产业界商量各种小范围无线网标准的方案，包括IEEE802.11、蓝牙、HomeRF、IEEE802.15等。由于缺乏国际通用的可用频率，这些标准都工作在2.4GHz“ISM”免授权频段，难免相互干扰，而且都不能传输如HDTV等市场需要的高速宽带多媒体业务。这使得业界不得不去寻求更好的无线技术。

热点：由来UWB技术特点与时代需求的结合随着网络技术的进展，网络信息传输从以文字为主过渡到以多媒体信息为主，因此对带宽的要求就比较高；从技术层面来说，牢靠地传输视频图像所需的数据传输速度超过了蓝牙与WiFi的能力；而且，数据传输速度越高，能量损耗也就越多，不便于便携应用。UWB技术却令人惊讶地具有两种优点：一是很高的数据传输速度（×100），二是能量损耗很少（÷100）。热点：由来1950196019701980199020002003相继消灭不同体制UWB应用的芯片组和系统2002FCC允许UWB民用通信系统投入使用1998FCC发布UWB技术应用调查通告1994第一套公开的UWB通信系统消灭1990OSD/DARPA发布超宽带技术评估报告1986第一套”短脉冲”UWB通信系统问世(Ross/Fontana)1974第一个GPR系统问世（Morey）1973第一个UWB通信专利（Ross）1960sHarmuth、Ross、Robbins和Etten做了大量基础讨论1950sUWB技术始于微波网络的瞬态响应讨论热点：标准FCC一石激起千层浪NoticeofInquiry，September1998NoticeofProposedRuleMaking,June2000FirstReportandOrder,April2002madelegalunlicensedoperationofUWBdevicessubjecttocertainrestrictionsReconsiderationOrder,March2003

Principle:tolegalizingUWB“conservative”withrespecttopreventingharmfulinterferencetootherdevicesandservices，sothatUWBemissionlevelsallowedarelessthanorequaltothatforunintentionalradiatorssuchascomputers(-41.3dBm/MHz).热点：标准热点：产业热点：产业热点：讨论Globecom’04（DallasTA,Nov.29-Dec.3)2sessionsforUWBsystemandmanyotherpapersinothersessionsSpecialissueofjournalsandconferenceonUWBsince2002IntensiveregulationandstandardizationactivitiesMorethan400papersfoundfromNSTLin2003andfastgrownsince2000UWB会谈论文增长情况Globecom2004Tu05:UltrawidebandRadiosInstructor:

MoeZ.Win,MassachusettsInstituteofTechnology

Abstract:

Ultra-widebandwidth(UWB)transmissionsystemshavegainedrecentinterestinthescientific,commercialandmilitarysectors.Widebandwidthprovidesfinedelayresolution,makingUWBaviablecandidateforcommunicationsindensemultipathenvironments,suchasshort-rangeorindoorwirelesscommunications.Byvirtueoftheirrobustnessagainstfadingandsuperiorobstaclepenetration,UWBsystemsallowreliablecommunicationinextremelychallengingenvironmentswheretherearemanyobstaclesproducingdensemultipath.Therefore,theyarecurrentlyunderconsiderationforhighdataratecommunicationsandsensornetworks,becausetheyallowlow-costproductionandreuseof(alreadyoccupied)spectrum.UWBisalsohighlyinterestingformilitaryapplicationbecauseitprovideslowprobabilityofdetectionaswellasanti-jamcapabilities.InterestinUWBsystemshasintensifiedrecentlyduetotherulingbytheUSFederalCommunicationsCommission(FCC)concerningUWBemissionmasks.ThisrulingopensthewayforcoexistencewithtraditionalandprotectedradioservicesandallowsthepotentialuseofUWBtransmissionwithoutallocatedspectrum.Standardizationbodies(likeIEEE802.15)havestartedtodevelopstandardsforUWBsystemsandcompaniesareannouncingproducts.Inthistutorial,wewillgiveatechnicaloverviewthatwillallowtheattendantstodistinguishbetweencommercialhypeandthetruetechnicalpossibilities.WC18:UWBCommunicationsIWC18-1:EmpiricalEigen-analysisofIndoorUWBPropagationChannels

RachidSaadane,AawatifMenouni,RaymondKnopp,DrissAboutajdine(Eurécom,France)

WC18-2:ANovelPulseDesignAlgorithmforUltra-widebandCommunications

NormanC.Beaulieu,BoHu(UniversityofAlberta,Canada)

WC18-3:PerformanceofSpace–TimeBlockcodingandSpace–TimeTrelliscodingforImpulseRadio

FabienHéliot,M.Ghavami,R.Nakhai,A.H.Aghvamii(UniversityofLondon,UK)

WC18-4:TernaryComplementarySetsforMultipleChannelDS-UWBwithReducedPeaktoAveragePowerRatio

DiWu,PredragSpasojevi,IvanSeskar(RutgersUniversity,USA)WC15-7:ApplicationofTime-ReversalwithMMSEEqualizertoUWBCommunications

ThomasStrohmer(UniversityofCalifornia,Davis,USA);MajidEmami,JanHansen,GeorgePapanicolaou,ArogyaswamiJ.Paulraj(StanfordUniversity,USA)WC15-1:PerformanceEvaluationofUWB-IRandDS-UWBwithMMSE-FrequencyDomainEqualization(FDE)

YoshiyukiIshiyama,TomoakiOhtsuki(TokyoUniversityofScience,Japan)

ICC‘04：UltraWidebandSystemsIWC14-1Multi-AccessInterferenceCancellationReceiverforTime-HoppingUltra-WidebandCommunicationHüseyinArslan,UniversityofSouthFlorida,USAWC14-2TrainingSequenceDesignforData-AidedTimingAcquisitioninUWBRadiosZhiTian,MichiganTechnologicalUniversity,USAGeorgiosB.Giannakis,UniversityofMinnesota,USAWC14-3PerformanceComparisonsbetweenTwoSignalingFormatsforUWBCommunicationsA.A.D’Amico,UniversityofPisa,ItalyU.Mengali,UniversityofPisa,ItalyL.Taponecco,UniversityofPisa,ItalyWC14-4UltrawideBandwidthTransmitted-ReferenceSignalingTonyQ.S.Quek,MassachusettsInstituteofTechnology,USAMoeZ.Win,MassachusettsInstituteofTechnology,USAWC14-5UWBPropagationMeasurementsbyPN-SequenceChannelSoundingAnnalisaDurantini,UniversityofRomeTorVergata,ItalyWalterCiccognani,UniversityofRomeTorVergata,ItalyDajanaCassioli,UniversityofRomeTorVergata,ItalyWC14-6ParsimoniousCorrelatedNon-StationaryModelsforRealUWBDataQ.T.Zhang,CityUniversityofHongKong,HongKongS.H.Song,CityUniversityofHongKong,HongKongWC14-7Cramér-RaoLowerBoundsfortheTimeDelayEstimationofUWBSignalsJ.Zhang,TheAustralianNationalUniversity,AustraliaR.A.Kennedy,TheAustralianNationalUniversity,AustraliaT.D.Abhayapala,TheAustralianNationalUniversity,AustraliaWC14-8PerformanceofCoherentandNon-CoherentReceiversforUWBCommunicationsG.Durisi,IstitutoSuperioreMarioBoella,ItalyS.Benedetto,PolitecnicodiTorino,ItalyICC‘04：UltraWidebandSystems2WC18-1PowerSpectralDensityandIn-BandInterferencePowerofUWBSignalsatNarrowbandSystemsZhenzhenYe,NationalUniversityofSingapore,SingaporeA.Madhukumar,NanyangTechnologicalUniversity,SingaporeFrancoisChin,InstituteforCommunicationsResearch,SingaporeWC18-2OntheDependenceofUWBImpulseRadioLinkPerformanceonChannelStatisticsR.D.Wilson,UniversityofSouthernCalifornia,USAR.A.Scholtz,UniversityofSouthernCalifornia,USAWC18-3OntheUWBCoexistencewithUMTSTerminalsRomeoGiuliano,ConsorzioUniversitàIndustria,ItalyGianlucaGuidoni,ConsorzioUniversitàIndustria,ItalyFrancoMazzenga,UniversityofRomeTorVergata,ItalyFrancescoVatalaro,UniversityofRomeTorVergata,ItalyWC18-4PowerLimitsFulfilmentandMUIReductionBasedonPulseShapinginUWBLucaDeNardis,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyGuerinoGiancola,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyMaria-GabriellaDiBenedetto,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyWC18-5DynamicResourceAllocationinTime-VaryingUltraWidebandChannelsGuerinoGiancola,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyLucaDeNardis,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyMaria-GabriellaDiBenedetto,UniversitàdegliStudidiRoma“LaSapienza”,ItalyEmmanuelDubuis,EcoleNationaleSupérieuredel'ElectroniqueetdesesApplications,FranceWC18-6ScramblerDesigntoReducePowerSpectralDensityofUWBSignalsinIEEE802.15.3aShaominS.Mo,PanasonicInformation&NetworkingTechnologiesLab,USAAlexanderD.Gelman,PanasonicInformation&NetworkingTechnologiesLab,USAWC18-7PerformanceEvaluationofSpaceHoppingUltraWidebandImpulseRadio(SH-UWB-IR)SystemTakahiroEzaki,TokyoUniversityofScience,JapanTomoakiOhtsuki,TokyoUniversityofScience,JapanWC18-8TheTrade-offbetweenProcessingGainsofImpulseRadioSystemsinthePresenceofTimingJitterSinanGezici,PrincetonUniversity,USAAndreasF.Molisch,3MitsubishiElectricResearchLabs,USA,andLundUniversity,SwedenH.VincentPoor,PrincetonUniversity,USAHisashiKobayashi,PrincetonUniversity,USAWC26:UWBCommunicationsIIWC26-1:ANewUWBPulseDesignMethodforNarrowbandInterferenceSuppression

ZhendongLuo,HongGao,YuananLiu,JinchunGao(BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,China)

WC26-2:Bi-orthogonalPulseShapeModulationforUltra-widebandWirelessCommunications

NejibBoubaker,KhaledBenLetaief(TheHongKongUniversityofSciencesandTechnology,HongKong)

WC26-3:M-aryPulseShapeModulationforPSWF-basedUWBSystemsinMulti-pathFadingEnvironment

KazutoUsuda,MasaoNakagawa(KeioUniversity,Japan);HonggangZhang(Create-Net,Italy)

WC26-4:EquivalentSystemModelofISIinaFrame-DifferentialIR-UWBReceiver

KlausWitrisal(GrazUniversityofTechnology,Austria);MarcoPausini(DelftUniversityofTechnology,TheNetherlands)

WC26-5:UWBChannelMeasurementsinanIndustrialEnvironment

JohanKaredal,ShurjeelWyne,FredrikTufvesson,(LundUniversity,Sweden);PeterAlmers(LundUniversity,Sweden,andTeliaSoneraAB,Sweden);AndreasF.Molisch(LundUniversity,Sweden,andMitsubishiElectricResearchLabs,USA)

WC26-6:PerformanceAnalysisofNon-CoherentUWBReceiversatDifferentSynchronizationLevels

NingHe,CihanTepedelenlioglu(ArizonaStateUniversity,USA)

WC26-7:MaximumLikelihoodReceiverforMulti-bandKeyingSignalsinAWGNChannel

XiangGao,MortNaraghi-Pour(LouisianaStateUniversity,USA)

WC26-8:PerformanceAnalysisofTimeHoppingandDirectSequenceUWBSpace–TimeSystems

W.PamSiriwongpairat,MasoudOlfat,K.J.RayLiu目次引言：无线通信研发的新热点－UWB概念：无线通信的基本问题与概念特点：有关UWB的ABC应用：UWB通信的应用技术：UWB的关键技术结语：几点体会与建议

有关无线通信的基本问题与概念为什么会成为热点？需求与资源的冲突不断增长的服务速率

102Kbpsto102Mbps不断增长的服务业务

Voice,data,video,…不断增长的服务对象人、设备、….不断增长的服务要求随时、随地、….高清、定位、….日益缺乏的频谱日益受限的功率日益敏感的价格UWBmightprovideanovelsolutiontoreusethespectruminpersonalareanetwork(PAN)概念：带宽什么是“带宽”和“宽带”？频谱安排的观点信号特性的观点电波传播的观点器件设计的观点“相对带宽”与“肯定带宽”两种途径提高载频（高频器件，分布参数，电磁设计）加大带宽（宽带系统，宽带匹配，时域设计）概念：容量信息是通过“信道”传输的信道的最大信息传输量为“信道容量”传统的系统通常是在带宽（B)受限的前提下，提高改善信噪比提高容量；UWB系统则是通过增加带宽来提高容量。但是，增加B并不能无限地增加容量。Cmax=1.44S/no概念：兼容带宽与功率的互换性带宽从哪里来？重用！54321fGHzGPSBlutooth802.11bHomeRFPCSSatelliteFuture802.11aHiperLAN功率谱密度(dBm/MHz)-75.3-41.3概念：性能什么是系统“容量”和“性能”？掩盖因素（用户数）价格（成本）因素、功耗因素、体积因素目次引言：无线通信研发的新热点－UWB概念：无线通信的基本问题与概念特点：有关UWB的ABC应用：UWB通信的应用技术：UWB的关键技术结语：几点体会与建议定义TimeFrequency-20-100绝对带宽(DARPA)绝对带宽(FCC)中心频率频率轴归一化功率谱（dB）分数带宽（FBW）＝肯定带宽/中心频率DARPA：FBW>25％（－20dB）FCC：FBW>20％或者肯定带宽>0.5GHz（－10dB）这样的系统被定义为UWB系统时域波形信号频谱LargeRelative(andAbsolute)BandwidthUWBisaformofextremelywidespreadspectrumwhereRFenergyisspreadovergigahertzofspectrumWiderthananynarrowbandsystembyordersofmagnitudePowerseenbyanarrowbandsystemisafractionofthetotalUWBsignalscanbedesignedtolooklikeimperceptiblerandomnoisetoconventionalradiosNarrowband(30kHz)WidebandCDMA(5MHz)UWB(SeveralGHz)FrequencyPart15Limit波形与频谱1M10M100M速率功率1μW10μW100μW1mW10mW100mW1W蓝牙IEEE802.11bIEEE802.11aUWB速率更高功耗更低时域频域放射天线空间电场接收天线负载UWB通信的优势功率频率常规通信宽带意味着什么？高传输速率高牢靠传输高时间分辨率高空间分辨率带内干扰多径效应辐射模板–75–70–65–60–55–50–45–40–35123410FCCPart150.961.611.993.110.6Frequency(GHz)GPS频带0.961.611.993.110.6GPSBandUWBEmissionLimitforIndoorSystems0.961.611.993.110.6GPSBandUWBEmissionLimitforOutdoorHand-heldSystems0.961.611.993.110.6Operationislimitedtolawenforcement,fireandrescueorganizations,scientificresearchinstitutions,commercialminingcompanies,andconstructioncompanies.GPSBandUWBEmissionLimitsforGPRs,WallImaging,&MedicalImagingSystems0.961.611.9910.6Operationislimitedtolawenforcement,fireandrescueorganizations.Surveillancesystemsmayalsobeoperatedbypublicutilitiesandindustrialentities.GPSBandUWBEmissionLimitsforThru-wallImaging&SurveillanceSystems容量优点１．频谱利用率高

ＵＷＢ－ＲＴ不需要产生正弦载波信号，可以直接放射冲激脉冲序列，因而具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其它系统共存，从而提高频谱利用率。２．系统结构简洁

ＵＷＢ－ＲＴ不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积小，系统结构比较简洁。ＵＷＢ－ＲＴ信号的处理也比较简洁，只需要使用很少的射频或微波器件；射频设计简洁，系统的频率自适应能力强。３．成本低

将脉冲放射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基和掌握器，就可以构成一部ＵＷＢ通信设备，因此其成本低。４．系统平安性能好

由于ＵＷＢ－ＲＴ信号采纳了跳时扩频，其射频带宽可以达到１ＧＨｚ以上，它的放射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采纳与发端全都的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增强了系统的平安性。５．抗多径衰落能力强

ＵＷＢ－ＲＴ信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落的能力。６．系统容量大

ＵＷＢ－ＲＴ信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于ＵＷＢ－ＲＴ信号放射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其它的无线技术都高。７．其他

由于ＵＷＢ－ＲＴ信号的扩频处理增益比较大，即使采纳低增益的全向天线，也可使用小于１ｍＷ的放射功率实现几公里内的通信。如此低的放射功率延长了系统电源的使用时间，格外适合移动通信设备的应用。有讨论表明，使用ＵＷＢ－ＲＴ的手机其待机时间可达６个月；而且其低辐射功率可以避开过量的电磁波辐射对人体的损害。目次引言：无线通信研发的新热点－UWB概念：无线通信的基本问题与概念特点：有关UWB的ABC应用：UWB通信的应用技术：UWB的关键技术结语：几点体会与建议三类应用的初步规范2002年4月，FCC公布了超宽带设备在三类民用领域应用的初步规范，规定了工作频段、功率限制、开放范围和使用对象。三类超宽带设备为:成像系统包括透地探测雷达（GPRS）、墙内、穿墙和医用成像以及监视设备；车辆雷达系统通信系统这些设备的功率和频谱都受到严格的限制，只能作用于短距离、小范围。但FCC指出，今后经过更充分的测试和讨论，有可能有条件地逐步放宽对超宽带设备应用的限制。

UWB在工作时可以发送出大量的格外短、格外快的能量脉冲，这些脉冲都是经过精确计算的，每个只有几个毫微秒长，它将会为无线局域网和个人域网接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简洁的无线通信技术。UWB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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感、放射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统简洁度低，能供应数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集场所的高速无线接入和军事通信应用中。超宽带与WLAN技术的比较，由图可见距离在20米以内和85米以外，采纳相应合适的超宽带技术在速度、容量、功耗和成本上可优于无线局域网,而距离在20～85米之间，WLAN具有优势。缺点UWB也有其目前本身还未克服的、致命的缺点：有效范围太小，10米左右；在传输速度为100Mbps时，其有效范围牵强达到20米左右，也就是说其用武之地太小。就是由于这个要命的有效范围，UWB要想大规模地走向商用还不大现实。WirelessPANIEEE802.15.1-Bluetooth1.0/15.1a-BT1.2IEEE802.15.2-Wlan&Wpan-coexistIEEE802.15.3-HigherdaterateIEEE802.15.3a-UWB-highrateIEEE802.15.4-ZigBee-LowrateIEEE802.15.4a-AltlowratePHY-UWBIEEE802.15.5-MeshNetwork超宽带无线技术以极宽的频带换取高速、大容量、低功耗和低成本的优点。一个相同作用范围10米的超宽带无线通信系统，其速率可达到无线局域网802.11b的10倍，蓝牙(Bluetooth)的100倍，而其平均功率仅为上述系统的1/10～1/100，而且还具有更低的成本。各种短距离无线通信系统的空间通信容量，可见超宽带通信系统的优势是格外显著的。2004年5月在北京海尔与飞思卡尔(Freescale)共同展现了应用无线UWB技术将数码摄录机与等离子平板电视的无线连接。这是首款采纳DS-UWB融入家庭影像设备的全功能模式。InformationServices

Info-stationconceptRoadside‘markers’containingUWBtransmitters.Shortburstofveryhighratedata(100sofMbpsfor1-3secatatime)Messagescouldcontainroadconditions,construction,weatheradvisories.Allowforemergencyassistancecommunication.InformationServices

Info-stationconceptServicestationWhile,pumpinggas,latestvideo/movieorothercontentcouldpurchasedfordownloadandviewinglaterathomeorbypassengersinthevehicle.VehicularRadarCollisionAvoidance/DetectionDriveraid/alerttoavoidcollisions.Aidforairbag/restraintdeploymentResolutiontodistinguishcars/people/animals/polesonornearroadVehicularRadarRoadConditionsSensingUWBradarhastheresolutiontosenseroadconditions(i.e.potholes,dips,bumps,gravelvs.pavement).Informationtodynamicallyadjustsuspension,braking,andotherdrivesystems.CollisionAvoidanceExampleFromMultispectralSolutionsC-bandUWBbackupsensor

(notFCCvehicularradarband)600MHzinstantaneousBWHigh-speed,dualtunneldetectorRange1-50feetagainsthumantarget1-200feetagainstpickuptruckClutterresistantExtremelylowfalsealarmrateUWB的主要市场在家庭与其他无线技术WLAN、蓝牙相比，UWB较适合家庭无线消费市场的需求，例如取代USB作为外设的接口、把DVD机播放的视频流传输到隔壁房间的电视或PC机上、在小型公司内部进行数据传输等。有的专家猜测，家用市场将是UWB大显身手的舞台。nstat/MDR公司猜测，家庭网络市场将于2007年增长至53亿美元，其中家庭多媒体无线网络技术将占约49%。今年5月海尔、三星和GlobalSun等公司已采纳飞思卡尔半导体的UWB技术在手持摄像机与等离子电视之间实现无线视频流传输。2004年4月，英特尔于进行了速率为480Mbit/s的无线传送试验。日本的情报通信综合讨论所(NTCT)5月利用其试制的UWB无线传送装置成功进行了速率最大为320Mbit/s的数据传送试验。火爆应用-幻景还是真实需求？UWB和802.11n都强调要瞄准家庭多媒体应用，但是，家庭中是否真的需要这种应用还有待讨论。目前，在收看数字电视节目时，多是机顶盒通过线缆和电视机或其他设备连接，将来，家庭中真的需要通过无线方式来传输这些信号吗？还有，各种高速无线协议在家庭中应用，是否有干扰或平安方面的影响？这些都将左右UWN或WLAN的应用。目次引言：无线通信研发的新热点－UWB概念：无线通信的基本问题与概念特点：有关UWB的ABC应用：UWB通信的应用技术：UWB的关键技术结语：几点体会与建议UWB通信系统关键技术脉冲产生技术脉冲调制技术脉冲检测技术天线技术组网技术电磁兼容技术电波传播技术脉冲波形UWB依靠脉冲串传递信息，因此，脉冲波形的特征及设计是UWB系统重要的讨论内容之一。依据频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类：基带脉冲，该类脉冲包含从低频到高达几个GHz频率的连续带宽；如矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲和瑞利单脉冲等。矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流重量，工程应用价值不大。工程上常用对高斯脉冲求一阶导数获得瑞利单脉冲，求二阶导数获得高斯单脉冲。高斯单脉冲更适合作为传递信息的超宽带脉冲。特殊脉冲，即满意特定频谱要求的脉冲，例如，为了满意FCC规定的频谱特性或抑制窄带干扰而设计的特殊脉冲，一般通过特殊设计或滤波获得。例如，用汉明窗调制载波的方法，汉明窗超宽带脉冲中心频率和带宽可以便利地通过参数调节获得。一个2GHzGaussianMonocycle的时域波形和功率谱Monocycle构成的PulseTrain的时域波形和功率谱调制技术在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。1．单脉冲调制对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典的单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)脉冲位置调制(PPM)二相调制(BPM)开关键控(OOK)脉冲调制技术从UWB脉冲极性上来分，有单极性(mono-phase)、双极性(Bi-phase)和多极性(multi-phase)调制。单极性调制中接收机从脉冲的幅度、到达时间或脉冲间隔时间、脉冲有无来区分信息，分别称为脉冲幅度调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）和开关键控（OOK）；双极性调制，利用脉冲的正负极性来表示“0”和“1”，与单极性调制相比，脉冲与脉冲可以连续放射，允许更长的码字，具有更高的效率、更佳的抗干扰和多径能力，技术也更简洁。多极性调制技术最简洁，成本最高，应用受到限制。PAMPPMOOKBi-phasePPM-UWB基本原理抱负高斯型单周波脉冲等间隔单周波脉冲串位置调制脉冲串时域波形相应的频谱时域波形与微分高斯脉冲波形相像，其频谱中心频率为脉冲长度的倒数，半功率带宽约为中心频率的1.16倍等间隔单周波脉冲串不携带信息，其频谱呈规章的蔬齿状，信号能量分散在各个蔬齿中，容易产生频谱干扰脉冲位置按信息调制后其蔬齿状频谱不再规章分布，能量在各蔬齿间分布比较均匀，频谱干扰有所降低，但不很显著特点和规律PN码通道编码调制脉冲串PN通道编码后，频谱近似白噪声分布，不再是蔬齿状，对其他系统频谱干扰很小。从时域来看，每个用户有唯一的伪随机跳时编码，系统则有很多信道编码PPM检测UWB系统采纳相关接收技术，相关器用筹备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。右图显示了不同位置脉冲经相关器后的波形走势，750ns后的稳定波形是输出结果。ModulationExamplesPulsePositionModulation(PPM)Thedataiscarriedinthe‘fine’timeshiftofthepulse.M-aryPPMpossible(higherMcanmeanfewertimehoppositionsforagivenframetime)Orthogonal(orbetterdependingonpulseshape)Example:4-aryPPM,

withdata01ModulationExamplesBipolarsignalingThedataiscarriedinthepolarityofthepulse.Antipodal(veryenergyefficient)BiorthogonalsignalingCombinationofPPMandbipolarsignalingM-arybiothogonalhasM/2possiblePPMshiftExample:4-ary

biorthogonal,

withdata10Example:bipolar

withdata1ModulationExamplesPAMVerypoorenergyefficiency.OOKSimpleimplementation.Poorenergyefficiency.Example:OOK

withdataseq:1,0,0,1Example:4-aryPAM

withdataseq:01,11,00,102．多脉冲调制为了降低脉冲的幅度或提高抗干扰性能，往往采纳多个脉冲传递相同的信息，调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制，称为扩谱(SpreadSpectrum)跳时扩谱(TH-SS)－PPM直接序列扩谱(DS-SS)－BPM其次步为每组脉冲作为整体被调制。每组脉冲作为整体通常可以采纳PAM、PPM或BPM调制。把第一步和其次步组合起来可得到TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SSPAM、TH-SSBPM和DS-SSBPM等。多脉冲调制不仅通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或放射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。TH-SSDS-SSPPMPAMDS信道传输与调制基带传输载波传输UWB信号形式可分为两大类：基带窄脉冲形式，窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制，采纳时域信号处理方式，这种传输方式在中低速应用时具有系统实现简洁、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间分辨率高、具穿透性、不易被截获/检测、隐秘平安等优点，是超宽带技术早期进展首先采纳的方式。

带通载波调制方式，可以采纳不同的无线传输技术，如OFDM、DS-CDMA等，有利于实现高数据速率低功率传输，适用于短距离室内高速率传输的应用，是目前高速多媒体智能家庭/办公室网络应用中的优选技术。基带传输脉冲无线电UWB

使用一连串的短脉冲来建构单一基本脉冲波型。脉冲短波长度为0.2ns至1ns，脉冲重复间隔可至25ns至1ms（占空比1/1000左右）。这种模式让每个脉冲之间消灭较长的无讯号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间干扰降至可忽视的程度，因此不需要使用均衡器。脉冲产生器码产生器时钟振荡器数据输入调制可编程定时延迟乘法器积分器S/H脉冲产生器基带信号处理可编程定时延迟时钟振荡器码产生器数据输出相关器接收机放射机放射机不含功放，由脉冲产生器产生所需功率可编程延时受控于伪随机时间编码和时间调制精密定时器的时间分辨度约为几个皮秒相关器进行“乘-积分-跟踪/保持”处理基带信号处理器包含锁定时间编码序列的跟踪环路，对时间调制进行解调/解码，并且提取截获和跟踪信号去掌握可编程时间延迟。接收机系统框图及其特点基带传输时延模板积分器相关器方案产生模板信号利用放射参考信号利用PN码序列以右上图为例，平均重复周期为100ns，超前100ps放射时表示数字“0”，滞后100ps放射时表示“1”。在接收端，相关器对脉冲消灭的早晚进行探测，当接收脉冲早1/4个脉冲，相关器输出为“＋1”，当接收脉冲晚1/4个脉冲，相关器输出为“－1”，当接收脉冲在相关窗口中心到达，则输出为“0”。相关器输出100ns100ps位置调制δ01基带传输基带传输无需射频模块，收发机结构简洁，系统功耗小可通过全数字的软件无线电的技术实现系统极窄脉冲使得信道中的多个反射能够被独立地分辨出来，因此对多径衰落存在固有的鲁棒性可以动态的调整数据率含较多低频重量，在FCC规定下频谱效率不高在实现高速（100Mbps以上）超宽带通信时，对硬件处理速度要求较高载波传输调制载波的超宽带，即将超宽带信号搬移到合适的频段进行传输，具有频谱资源利用灵敏、效率高、技术成熟度高等优点。调制载波的超宽带系统，依据频谱使用方式不同，可以分为单带方式和多带（MB）方式；依据采纳的关键技术的不同，可以分为直接序列－码分多址（DS-CDMA）方案、正交频分复用（OFDM）方案等。载波传输调制载波的超宽带通信系统，在原理、结构上与传统的通信系统有很多相像之处，因此，目前应用于传统通信系统的各种先进技术，如CDMA、OFDM、多输入/多输出（MIMO）、Turbo检测等，都可以应用在调制载波的超宽带系统中。但是，超宽带信号的超宽带特性，又使这些技术的应用有不少与传统应用方式不同的地方。目前，在IEEE802.15.3a进行的高速无线个域网（HR－WPAN）物理层技术的标准化工作中，采纳了超宽带技术，并已从众多的提案中，通过比较和合并，形成了两个主要的候选方案：Motorola等公司支持的DS-CDMA方案和Intel等公司支持的MB-OFDM方案。最后的标准化工作尚在进行之中。载波传输：单带与多带单带载波传输：DS-CDMADS-CDMA方案将FCC规定的3.1～10.6GHz的可用频段划分为高、低两个频段，分别为3.1～5.15GHz（低频段）和5.825～10.6GHz（高频段），分别或同时使用。两个频段之间的部分没有利用，是为了避开与使用U-NII频段的其他系统，如802.11a系统的相互干扰。单独使用低频段，可实现28.5M～400Mbps的传输速率；单独使用高频段，可实现57M～800Mbps的传输速率；两个频段同时使用，可实现高达1.2Gbps的传输速率。图1为DS-CDMA系统的放射端框图。与一般的扩频通信系统一样，数字信号经过信道编码、调制、扩频、星座映射和脉冲成形，成为基带模拟信号，再调制载波，然后通过天线放射到空中。在不同的系统速率配置下，信道编码采纳不同的方案，包括卷积码、Reed-Solomon（RS）码和级联码。信道交织采纳卷积交织。系统中采纳了M－进制双正交键控（M-BOK）的联合编码扩频调制方案。单带载波传输：DS-CDMA系统的超宽带特性主要体现在其参数配置上。下表为信息速率为114Mbps时的系统参数配置。从表中可以看到，RRC脉冲的带宽为1.368GHz，码片速率为1.368Gcps，都远高于一般的扩频通信系统。系统使用低频段，载波中心频率为4.104GHz，相对带宽为1/3，也远大于一般的通信系统。调制方式为最简洁的二进制相移键控（BPSK）。使用超宽的频带、简洁的低阶调制方式，实现高的信息传输速率，正是超宽带通信的主要特点之一。DS-CDMA方案可以支持最多8个Piconet同时工作，其中4个工作在低频段，另4个工作在高频段。同一频段的4个Piconet使用不同的扩频码集合以相互区分。在一个Piconet内部，各个用户以时分多址（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA）的方式共享信道，与802.15.3的媒体接入掌握（MediaAccessControl,MAC）层协议兼容。单带载波传输：DS-CDMA系统实例——Xtreme公司套片（Freescale）多带载波传输基本思想将频带划分为多个>500MHz的子频带基于原有的无线通信的原则设计各子频带信号多带载波传输多频带UWB(跳频)

在数GHz的频谱上直接建立UWB讯号所衍生的各种建置问题，可以执行一套2阶段的步骤加以解决，首先建立一套占用500MHz频宽的调制机制，其次针对讯号套用跳频技术得到最终的传输频宽。上述全部调制机制都可再套用跳频机制来扩增频宽。这种模式成为业界所称的多频带。多带载波传输：MB-OFDMMB-OFDM方案为一种多带超宽带系统方案。它将3.1G～10.6GHz的可用频谱划分为13个子频带，每个子频带的宽度为528MHz。依据目前的需要和硬件实现水平，采纳了两种子频带配置方案，一种是3带方案，使用子频带1～3，另一种是7带方案，使用子频带1～3和6～9，可以实现480Mbps的信息传输速率。以后通过使用更多的子频带，还可以实现更高的速率。7带方案中没有使用子频带4、5，是为了避开和U-NII频段设备的相互干扰。系统采纳时频交织的方式，在每个子频带中传输OFDM信号。比如当采纳3带方案时，第1、2、3、4、5、6个OFDM符号分别在子频带1、2、3、1、2、3中传输，依此类推。通过时频交织，可以支持多个Piconet同时工作。图2为MB-OFDM方案的放射端框图。与一般的OFDM系统相像，数据经过信道编码、交织、QPSK调制后，进行串并变换、快速Fourier反变换（IFFT）和并串变换，然后加上循环前缀和保护间隔，生成OFDM符号，接着经过数模变换器（DAC）和低通滤波器（图中未画出）得到基带模拟信号。另一方面，时频码产生器产生变化的子频带编号，选择不同的载波中心频率，不同的OFDM符号调制不同的载波，实现时频交织。在超宽带系统中采纳OFDM技术，能够简洁、有效地收集密集多径信道中的信号能量，能进一步提高频谱利用效率和利用灵敏性，从而提高系统的性能。多带载波传输：MB-OFDM多带载波传输系统具有自适应功能并可升级可以适应不同国家的无线电管理条例；采纳多频带方案，可以使得系统更有效的与现有系统（例如IEEE802.11a）共存；多频带的各个子带技术都是基于传统的通信方案传输的，因此有利于实现商业化。

标准之争2003年12月，IEEE有关UWB标准的大商量，让很多无线芯片供应商焦躁关注。一方是MBOA的标准，另一方是以摩托罗拉为首的DS-SS(CDMA)标准。前者采纳多频带方式，后者则为单频带方式。MBOA联盟的成员包括Intel、TI、Philips等。联盟曾对外表示计划将在2004年5月正式发表其针对下一代无线技术--UWB的标准，2004年第四季度发布其标准下的UWB芯片样片，在2005年其次季度估计使用该标准无线技术的产品将会上市。而摩托罗拉一方也不甘示弱。飞思卡尔半导体已经推出了目前业界唯一实现正常操作的UWB方案和最新的移动多媒体技术（Freescale的UWB芯片XS110通过FCC认证，成为第一家可以将超宽带技术应用到通信领域110Mbps的公司），其中包括UWBXtremeSpectrum芯片组、移动平台架构MXC以及视频技术的i.MX21的应用处理器。在2004年的国际消费电子展上，韩国三星公司展现了采纳UWBXtremeSpectrum芯片组的无线电视广播系统。UWB天线技术宽带偶极子天线TEM喇叭宽频带微带天线与阵列加脊喇叭对数周期天线螺旋天线UWB天线技术电磁兼容技术与设计UWB系统之间及其与现有系统之间的共存问题成为超宽带脉冲系统及网络设计的关键问题之一。解决途径有:特殊的脉冲设计例如，设计具有带宽限制的脉冲避开窄带干扰对超宽带信号的影响。而设计正交脉冲则可以解决多个超宽带系统共存的问题。多脉冲调制技术可以通过SS码的正交性或准正交性实现对多用户干扰和窄带干扰的抑制。对多脉冲SS序列的设计也可以认为是一种特殊的脉冲波形的设计。干扰抑制技术依据期望信号与干扰信号之间的特征差异来实现，特征差异既可以体现在时域、频率和空间，也可以体现在其他变换域或者混合域。信号处理算法的设计既包括模拟、数字滤波器的设计，也包括统计信号的各种检测方法。共存问题还可以通过媒介接入掌握(MAC)和网络资源管理等手段解决。例如，通过带宽资源、路由或多址技术的自适应安排避开干扰产生，或把干扰降低到最低。电磁兼容技术与设计虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是全部带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰，UWB可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。ＦＣＣ许可的ＵＷＢ－ＲＴ信号源仅能放射很小的功率，通信距离较短，而且使用的是已经安排给其它业务的频段。然而，很少有人关注ＵＷＢ－ＲＴ信号源可能带来的干扰问题，更多人认为应该关注ＵＷＢ－ＲＴ设备是否应该大量增加，并试图让其变得无所不在。在一个很小的范围内，几百个ＵＷＢ－ＲＴ放射机同时工作可能会对周围的其它业务如导航、救援、移动或者固定无线接入业务产生有害的干扰。到目前为止，ＵＷＢ－ＲＴ组织花费了很大精力来解决上述问题，提出和设计了可以避开产生这些干扰的系统。电磁兼容技术与设计Example-EffectiveNoiseFigureofa2dBNFGPSAssumesNoThermalAntennaNoise(antennacannotseetheearth)AssumesallUWBdevicestransmittingsimultaneously(butreallyTDMA)AllUWBdevices10mfromGPSantennaIndoorAggregationIsInsignificant

By4thring,thereare64simultaneoustransmittersaddedatequaldistance,

yettogethertheyproducelessthe1/2percentofthetotalinterferencepowerThetinyreceivednoisedoesnotincreasewithoutboundThemoredistantWPANsbecomeinsignificanti.e.In-buildingaggregationisinsignificantIndoorAggregationIsInsignificantYes,PoweraddsLinearlyBut…asthenumberofdevicesgrows,theenergyaddedbecomesinsignificanti.e.AggregationeffectisimmaterialOutdoorAggregationIsInsignificantAsheightgoesdownBlockagebybuildingstendstoreducethesignal,butTheshorterpathtendstoincreasethesignalOkumura-HatapropagationmodelAntennapatternsGPSantenna:0dBathorizon,-10dBstraightdownUWBantenna:-2dBaverageLowAltitudeAirborneGPSSafetyCriteriaSatisfied

Citywith200UWBdevicespersq.km—aggregationisinsignificantEmitterdensityfromNTIAreportAlldevicestransmittingsimultaneouslyAlldevicesoutside,nobuildingattenuationPlanepassesoverhighestelevationUWBMargingreaterthan30dB23dB34dBbelowThermalnoise!HataR-SquaredThermalNoiseAirplane28metersabovebuildings(RTCAworstcase)-162-157-152-147-142-137-132-127-122-117-11200.511.52DistanceTraveled(km)dBm/MHzHigherAltitudeAirborneGPSSafetyCriteriaSatisfied

Citywith200UWBdevicespersq.km—aggregationisinsignificantEmitterdensityfromNTIAreportAlldevicestransmittingsimultaneouslyAlldevicesoutside,nobuildingattenuationPlanedirectlyoverhighestelevationUWBMargingreaterthan30dBandincreaseswithaltitudeHataR-SquaredThermalNoiseNoiseDieswithAltitudeAggregationisimmaterial-160-155-150-145-140-135-130-125-120-1152575125175225275HeightAboveBuildings(m)dBm/MHz电磁兼容技术与设计电波传播与信道模型Ultra-widebandwidthprovidesrobustperformanceinmultipathenvironmentsLessseveresignalfadingduetomultipathpropagationmeansfademarginofonlyafewdBExtremelyshortpulsesenableresolutionandconstructiveuseofmultipathenergyusingRAKEreceivertechniques电波传播与信道模型电波传播与信道模型ChannelMeasurementPropagationforcommunicationsandradarsystem.Interferencetonarrowbandcommunicationsandotherelectronics.ResistanceofUWBtointerference.MustunderstandchanneleffectstofullyexploittheuniquepropertiesofUWB.IndoorWithinaroom(LOS,NLOS),Betweenrooms/floors,DownhallwaysinvestigatetheimpactofdistanceRx/TxAntennaHeightantennapolarizationIndoor-to-outdoorOutdoorCampusenvironmentRural,Hilly,foliageUrban“Lowaltitude”distance(upto~1km)MobilityInVehicleAutomotive,airlinerChannelMeasurementEnvironmentsE.g.IndoorMeasurementsE.g.:OutdoorMeasurementsBasebandChannelSounderHP54124AFourchanneltestsetPulseGeneratorPico-secondPulseLabsmodel4100StepGeneratorDriverHP54120ADigitizingOscilloscopeDataAcquisitionunitBalunandwidebandhorntransmittingantennaBalunandwidebandhornreceivingantennaChannelRunningL