什么是超寬帶無線通信技術

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

關鍵詞：超寬帶；脈沖無線電；無線個域網

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

無線技術在通信發展進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近年來異軍突起。從藍牙、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所帶來的諸多便捷，甚至有人認為短距離無線通信技術具有與3G抗衡之勢。

超寬帶（UWB）技術是目前備受關注的一種新型短距離高速無線通信技術。多年來，這項技術一直在軍事領域中使用。UWB在民用領域開放后，有望憑借其超高的傳輸速度和低功率、低成本等優勢給短距離無線接入市場注入新的活力。

1 UWB的特點

應用于無線通信領域的UWB是一種低功率的無線電技術。按照2002年美國聯邦通信委員會（FCC）在向民用領域開放UWB時的定義，超寬帶技術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。與其他傳統的無線通信技術相比較，UWB的技術特點主要有：

（1）傳輸速率高

UWB系統使用上千兆赫茲的超寬頻帶，所以即使把發送信號功率譜密度控制得很低，也可以實現高達100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根據仙農信道容量公式，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到1 Gb/s［1］， 因此實際中實現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度衰減太快，因此使用超寬頻帶的系統更適合于進行短距離通信。理論分析表明，當收發機之間的距離大于12 m時，UWB的信道容量低于傳統的窄帶系統。

（3）平均發射功率低

在短距離應用中，UWB發射機的發射功率通常可做到低于1 mW，這是通過犧牲帶寬換取的。FCC規定UWB的發送功率譜密度必須低于美國放射噪音規定值-41.3 dBm/MHz，因此，從理論上來說相對于其他通信系統UWB信號所產生的干擾僅相當于一寬帶白噪聲。所帶來的好處體現在兩方面：一是可使UWB系統與同頻段的現有窄帶通信系統保持良好共存性，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采用持續時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨力都很強，因此系統的多徑分辨率極高（1 ns脈沖的多徑分辨率為30 cm），接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力，同時在進行測距、定位、跟蹤時也能達到更高的精度。值得一提的是，窄脈沖具有很強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用。

（5）適合于便攜型應用

傳統的UWB技術使用基帶傳輸，無需進行射頻調制和解調，由此帶來的好處是設備的功耗小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無線應用。

歸根溯源，從頻域上來看，UWB的諸多優點來自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠遠高于現有的GSM、IS-95、3G等通信系統。因此，UWB的技術實現細節與傳統的窄帶通信方式有很大差別。

2 UWB的實現

2.1 脈沖無線電

脈沖無線電形象地說明了UWB直接發射窄脈沖進行通信的特點。將傳統窄帶通信系統與脈沖無線電的收發機進行對比，可以看出兩種技術在實現方式上的明顯差別。窄帶系統一般采用正弦載波調制實現頻譜搬移，信道上傳輸的是射頻已調信號，接收機需要經過逐級下變頻之后再進行解調，以恢復原始信息；脈沖無線電則是直接將經過頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發射出去，信道上傳輸的是基帶信號，接收機主要是一個相關檢測器，結構比傳統窄帶通信系統簡單得多。

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的各階導數作為發射脈沖波形，通過選擇脈沖寬度和階數獲得不同的帶寬及中心頻率位置。通過分析可以發現，高斯各階導的10 dB帶寬大致可以近似為脈沖寬度倒數的兩倍。因此當脈沖寬度低于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次數的增加而逐漸上移。

與實際傳輸速率所對應的符號周期相比，這種納秒級乃至亞納秒級的脈沖寬度往往小了幾個數量級，因此脈沖無線電傳輸的是一種低占空比的信號。利用這一特點，系統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，脈沖重復頻率（PRF）為100 Mp/s，則一個符號可以擴散到10個脈沖上重復發送，附加處理增益將為10 dB，再考慮到20倍的占空比增益，系統獲得的總處理增益將達到13 dB+10 dB=23 dB。這種處理方式在實現上帶來的好處是在保持系統脈沖寬度和脈沖重復頻率不變的情況下，通過改變附加處理增益可以靈活地調整傳輸速率的高低，實現可變速率。

鑒于系統對功率有效性的要求比較高，脈沖無線電的調制方式一般采用二進制的脈沖相位調制（PPM）或二進制相移鍵控（BPSK）。在多址接入方式上，有跳時擴頻（TH-SS）和直接序列擴頻（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的優勢在于它對遠近效應的敏感程度沒有DS-SS那么高，因為只有當不同用戶的信號脈沖正好在位置上出現重疊時遠近效應才會體現出來，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的優勢已不明顯，因此DS-SS方案現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送方案的一個重要因素。理想的UWB信號應該近似白噪聲，即功率譜密度（PSD）應該為平坦的且幅度越低越好，這樣才不會對現有的窄帶系統造成明顯的干擾。周期性窄脈沖的PSD由離散譜線構成，加上PPM調制之后，功率譜得到一定的平滑，不過更強的平滑作用是通過偽隨機跳時碼實現的，而且平滑特性的好壞與偽隨機碼的選擇密切相關［3］。如果采用BPSK調制，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，也要通過偽隨機序列進行平滑。因此，近來的一個研究熱點就是如何通過選擇調制和多址接入方式的組合及設計理想的偽隨機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，傳統上一般用Rayleigh分布來描述單個多徑分量幅度的統計特性，前提是每個分量可以視為多個（例如大于10）同時到達的路徑合成。但是UWB可分離的不同多徑到達時間之差可短至納秒級，每個多徑分量包含的路徑數很可能只有2～3條，顯然已經不符合Rayleigh分布的假定［4—6］。同時由于強烈的散射效應，UWB信道上的多徑分量呈現出成組到達的特征。在典型的室內密集多徑環境下，接收波形的時延擴展很大，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230 ns［7］。這些特點反映到頻域上，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行，目前最常采用的仍是一種離散的延遲線模型，即：

?

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

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

（3）幅度衰落系數gn滿足對數正態分布（標準偏差為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的分布將從對數正態分布逐步演變為Nakagami分布。顯然，如果進一步增加脈寬，當每個多徑分量包含的路徑數足夠多時，gn的特性仍將會回到Rayleigh分布上去。

（4）多徑到達時間τn符合泊松分布，具有多徑分量的成組到達特性。

2.3 UWB接收技術

盡管UWB信道的時延擴展很大，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，因此早期的UWB接收機結構很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關器而已。同時為了降低對器件模數變換器（ADC）變換速率的要求，相關器是用線性相乘和積分等模擬過程實現的。但是當對傳輸速率的要求達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重起來。接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機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象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統設計中加以考慮。一種比較理想的解決方案應該是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。

目前對接收機在多徑和各種干擾環境下的性能分析通常基于RAKE接收機［8］。在具體實現上，有幾種路徑選取方法可用，例如選擇信號最強的L條路徑或是最先到達的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，只是實現難度較大。從仿真結果來看，就UWB信道特性而言，選擇4～6條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能。

同步也是接收機中值得關注的一個問題，在高速應用中，快速同步的實現尤為關鍵。如果采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計。盡管有窄帶通信系統中的許多算法可以借鑒，但需要強調的一點是，在UWB系統特有的信道環境下，對同步和信道估計都提出了更高的要求，再考慮到有限抽樣速率下的實現精度和算法復雜度問題，同步和信道估計都還需要進行更深入地研究。

3 UWB的應用

憑借著短距離傳輸范圍內的高傳輸速率這一巨大優勢，UWB進軍民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）上。現有的各種無線解決方案（例如3G、802.11、藍牙等）的速率均低于100 Mb/s，UWB則在10 m左右的范圍之內打破了這一限制。這樣一種小范圍內的通信，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、打印機和掃描儀，攝像機向電視實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。類似的應用將會層出不窮，遠遠超過人們目前的想象空間。就現在的發展趨勢來推斷，UWB的應用將主要集中在以下幾個方面：

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

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

（3）數字電視、家庭影院、DVD機、投影機、數碼相機、機頂盒等家用電子設備之間的可視文件和數據流的傳輸。

總之，UWB定位于各種消費類電子設備和終端間的高速無線連接。由于消費類電子設備很多，決定了UWB的應用將非常廣泛。UWB技術專家們預計到2006年，UWB技術將帶來10億美元的市場銷售額。

4 UWB的標準化

巨大的市場誘惑力吸引了眾多通信廠商對UWB技術的關注。IEEE 802.15.3 SG3a工作組于2002年1月成立，旨在為面向WPAN應用的IEEE 802.15.3標準制定出高速物理層補充標準IEEE 802.15.3a，UWB的標準化進程由此開始。工作組在標準提案征求書中提出的系統指標是：

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

（2）目標速率為10 m距離上實現110 Mb/s，4 m距離上實現200 Mb/s以及1 m距離上實現480 Mb/s。

（3）支持4個不同步的微微網同時工作。

2003年3月，SG3a工作組如期收到23個提案。經過協商討論，在2003年7月的會議上，這些提案最終融合成了兩大方案，即傳統的脈沖無線電方案和多頻帶正交頻分復用（OFDM）方案。前一方案的倡導者多是早期投身超寬帶無線通信研究與開發的中小公司，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明專利，在UWB的應用開發進程中已先行一步。一些傳統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，又回到傳統的窄帶通信技術上，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技術實現寬帶無線通信的方案。出于商業利益的爭奪，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聯盟（MBOA）正式成立，有50多家企業加入。鑒于IEEE標準制定工作一再拖延，MBOA已于近期決定成立特別工作組，不再等待IEEE的最后結論，計劃在2004年5月發布MBOA規格Release 1.0，并開始進行基于該規格的設備開發，預計在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提供與標準相關的UWB專利。摩托羅拉作為這一陣營的堅定支持者，在2003年11月宣布收購XtremeSpectrum公司。從目前的形勢來看，多頻帶OFDM方案似乎占據了上風。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向寬帶無牌照共享方式，由此帶來的安全問題、相互干擾問題以及對網絡結構和多址接入機制的重新考慮，將會產生出許多新的研究機會。

5 結束語

UWB技術現在還處于研發階段，傳輸理論仍有待深入探討，但是其應用前景是廣闊的。隨著電子設備趨向智能化的勢頭日漸加快，對短距離的高速數據傳輸要求越來越迫切，特別是無線局域網的普遍建立并與無線移動蜂窩網有機結合，預示著UWB技術的前景將非常廣泛。

6 參考文獻

［1］ Eric Ojard， Jeyhan Karaoguz. Ultra Wide-Band Modulation Schemes： A Communications Theory Perspective ［EB/OL］。 http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/Mar03/03095r1P802-15_TG3a-Broadcom-CFP-Presentation.ppt.

［2］ Scholtz R A. Multiple Access with Time-Hopping Impulse Modulation ［J］。 MILCOM， 1993，（2）：447—450.

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［6］ Cassioli D， Win M Z， Molisch A F. A Statistical Model for the UWB Indoor Channel［C］。 VTC′2001， 2001.1159—1163.

［7］ Cramer R J， Scholtz R A， Win M Z. Evaluation of an Ultra Wideband Propagation Model［J］。 IEEE Antennas and Propagation， 2002，50（5）：561—570.

［8］ Cassioli D. Performance of Low-Complexity Rake Reception in a Realistic UWB Channel［C］。 ICC′2002， 2002.763—767.

作者簡介：

劉丹譜，北京郵電大學電信工程學院副教授，博士。曾參與多項國家自然科學基金項目和國家“863”計劃項目，已發表論文30余篇。目前主要研究領域為無線局域網和超寬帶無線通信技術。