超宽带技术研究报告Word下载.docx

1、3.2.1 频谱划分 83.2.2 DS-CDMA技术 93.2.3 共同信令模式 114. UWB系统的MAC层发展现状 125. 超宽带系统与其他无线通信系统的兼容 155.1 FCC的UWB频谱规划 155.2 ETSI的UWB频谱规划 165.3 ITU的UWB电磁兼容性研究 175.4 中国对UWB电磁兼容性研究 196. 超宽带通信技术的标准化、产业化及应用 196.1 UWB技术的标准化进程 196.2 UWB技术的应用前景 207. IEEE 802.15.4a标准化近况 238. 结论与未来工作展望 251. 介绍超宽带（Ultra Wideband，UWB）技术是现在正在被

2、广泛研究的一种新兴无线通信技术。一方面，由于其具有高数据率（可达100Mbps1Gbps）、低功耗和低费用等特点，为无线通信的发展开辟了新的机遇。另一方面，由于其占用极宽的带宽，与其他通信系统共享频段，又给干扰、兼容等相关领域的研究带来了挑战。最近，美国联邦通信委员会（FCC）已经规定UWB系统可以使用3.1GHz10.6GHz的频段，但有效各向同性发射功率（EIRP，Effective Isotropic Radiated Power）不得超过-41.3dBm/MHz。频谱规划的确定使UWB技术的研发骤然加速。在过去的一两年中，各种技术方案围绕国际标准的制定展开了激烈的竞争。同时UWB芯片的

3、开发业紧锣密鼓地进行，第一批UWB设备有可能在2004年底面市。而我国在UWB方面的研究还有很多工作要做：频谱尚未划分，发射功率的限制要求尚未确定，作为频谱划分依据的兼容性研究和测试技术尚不成熟，技术方案尚未选定。本报告试图对当今国际上UWB技术的发展现状和发展前景做一介绍，并对我国在UWB方面的标准化和产业化提出一些建议。需要说明的是，UWB技术并不仅仅应用于通信领域，它在雷达成像、车载防撞雷达、定位、测距等方面也有很多应用。本报告主要涉及UWB通信技术。本报告的内容将分成如下几部分：第二节将介绍超宽带技术的原理及近年来该技术的概念的变化。第三节将对现在有可能成为国际标准的两种主流UWB技术

4、方案进行介绍，并比较它们的优缺点。第四节将对UWB技术的应用前景做一展望。第五节将讨论UWB技术的兼容性问题。第六节将对我国在UWB标准化和产业化过程中应做的工作提出建议。2. 超宽带技术的工作原理及其演化UWB技术被看作是近几年在无线通信领域兴起的一种新技术。但实际上，这项技术已经有几十年的历史了。UWB最初的定义是来自于60年代兴起的脉冲通信技术，又成为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输（baseband transmission）或无载波（carrierless）

5、技术。脉冲UWB技术的脉冲长度通常在亚纳秒量级，信号带宽经常达数GHz，比任何现有的无线通信技术（包括以3G为代表的宽带CDMA技术）的带宽都大得多，所以最终在1989年被美国国防部称为超宽带技术。传统脉冲UWB信号通常具有很小的占空比（duty cycle）（10-210-3），这决定了这种UWB设备的平均发射功率很低，甚至是现有的蓝牙（Bluetooth）系统的1/100至1/1000。如此低的发射功率带来的诸多好处：首先，这使UWB系统可以与其他无线通信系统“安静的共存”。可以理解，UWB系统所要求的超宽频段不可能通过独占许可频段来获得，所以UWB设备的发射功率必须降到背景噪声的水平，以

6、便和其他无线系统共享频段。其次，极低的发射功率也使UWB设备具有很低的能耗。由于功率放大器通常可以被省去，UWB设备具有很低的成本。最后，极低的发射功率也使UWB信号很难被监听，从而有很好的保密性。另外，低占空比的脉冲UWB设备也有很好的抗多径干扰性能。由于脉冲宽度很小，来自其他径的信号分量很容易被时域滤波器滤掉。尽管脉冲UWB系统由上述的优点，但其频谱利用率较低，脉冲成形滤波过程中残留的带外频率分量可能产生难以预估的干扰，也有研究指出使用CMOS实现脉冲UWB系统有一定的困难。另外，早期脉冲UWB技术的专利多掌握在一些小公司手中。基于上述的原因，当近几年Intel、TI、Motorola等大

7、公司进入这一领域时，不约而同的摒弃了脉冲方法，转而对传统的载波调制技术进行改造，使其具有UWB技术的特点。从UWB技术本身的工作机理分析，该技术的某些特点与使用脉冲技术没有必然的联系。根据香农公式，无线信道的容量极限是与其占用的带宽成正比的，UWB能实现很高的数据率，是由于其占用很大的带宽。如果载波调制技术经过改进可以利用很大的带宽，理论上也可以实现很高的容量。当前对于UWB技术的定义不是根据其使用的调制方式，而是根据其使用的带宽来设定的。根据FCC数年前的定义，UWB系统应该是相对带宽（带宽与中心频率之比）大于0.25或带宽超过1.5GHz的系统。最近FCC又修正了对UWB技术的定义，规定相

8、对带宽大于0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作UWB系统，并分配3.1-10.6GHz频段作为UWB系统可使用的频段，在该频段内，UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便与其他无线通信系统共存。这种更宽泛的定义使某些传统无线通信技术也开始被考虑作为UWB通信技术的候选方案。2003年，在IEEE 802.15.3a工作组征集提案时，Intel、TI和XtremeSpectrum （后被Motorola收购）分别提出了多频带（multiband）、正交频分复用（OFDM）、直接序列CDMA（DS-CDMA）等三种方案，后多频带方案和OFDM方案融合，形成了多频带OFDM（M

9、B-OFDM）和DS-CDMA两大方案竞争的格局。这两种方案都是在对传统技术进行改进后满足UWB技术的特征的。MB-OFDM仍然基于128点的OFDM传输，但每个子载波的频宽由几kHz增长到4MHz。而DS-CDMA采用了超过1Gcps的码片速率，与传统CDMA技术几百kcps的码片速率形成了很大区别。现在大部分研究人员都同意，UWB是指一种频谱使用方案，而不是某种特定技术的名称。综上所述，当今成为UWB主流方案的两大技术与早期定义的UWB技术在本质上是不同的，它们更适宜被看作OFDM技术和CDMA技术的超宽带改进型。人们在这两种技术上积累的理论知识和实践经验大部分仍适用于UWB技术，只是在具

10、体的技术环节上（如干扰问题、频谱规划、低能耗等）应特别注意。虽然在超高速无线通信方面，大部分研究开发工作已转向非脉冲方法，但仍有部分研究者坚持对脉冲UWB技术进行改进，希望其成为超高速UWB的备选技术。另外，脉冲UWB技术在雷达、成像、精确定位（精度1cm）等其他领域仍有其发展空间，IEEE 802.15.4a工作组正在考虑的低速UWB无线通信技术也是脉冲方法可能应用的领域。3. 主流超宽带通信技术介绍和其他的IEEE 802.1x技术相似，IEEE 802.15.3a技术协议也可分为三层。如图1所示，这三层为物理层、MAC层和汇聚层。各种UWB技术的不同主要体现在物理层和MAC层，汇聚层则将

11、各种不同的应用技术（如无线UWB、无线IEEE 1394等）映射到UWB的MAC层。当前，UWB物理层技术主要分为MB-OFDM和DS-UWB两个分支。这两种物理层技术在MAC层方面，现在都支持IEEE 802.15.3的MAC层协议。另外，MB-OFDM厂商正在编写新的MAC层协议，以适应发展。图1、UWB技术协议结构3.1 MB-OFDM技术介绍 2003年7月在美国召开的IEEE802.15.3a会议上，Intel提出的多频带方案和TI提出的OFDM方案最终融合成了MB-OFDM UWB技术方案，并获得了比DS-CDMA方案更多的支持。虽然此方案也尚未获得成为IEEE标准的75%的票数（

12、截止至2004年7月），但由于得到大多数厂家，尤其是Intel、TI等芯片制造商的支持，很有可能成为最早被业界认同的事实标准。由于两大标准在IEEE802.15.3a内相持不下，MB-OFDM技术的开发推广工作主要在多频带OFDM联盟（MBOA）中展开，该联盟现有173个成员（截止到2004年9月7日），除了Intel和TI以外，还包括松下、索尼、三菱电机、三星、飞利浦、惠普、NEC、诺基亚、夏普、东芝等知名厂商，中国的华为、中国科大和上海大学也加入了该联盟。3.1.1 为什么采用OFDM技术 多频带OFDM联盟考虑采用OFDM技术作为UWB系统的物理层基于如下几个原因：（1） 频谱效率高。O

13、FDM技术可使所有子载波之间有很好的正交性，所以可以紧密的排列子载波，从而最大限度的利用频宽。相对于CDMA系统中的多址干扰，OFDM子载波之间的干扰是很小的，所以OFDM技术被看作超3G的主要核心技术。同时，OFDM技术已经在无线接入系统（如802.11和802.16）和数字电视系统中广泛的使用，取得了良好的效果。（2） 抗多径干扰。传统OFDM技术将数MHz带宽分成数百个子载波，使每个子载波只有几kHz或十几kHz，这样每个子载波内的多径衰落可以近似看作水平衰落，这使OFDM接收机可以将均衡（equalization）过程极大的简化。但需要注意的是，当前被考虑的多频带OFDM方案总带宽超过

14、500MHz，单子载波带宽在4MHz以上，所以频率选择性衰落的影响不可忽略，这一点与传统的OFDM技术有很大不同。但是，多频带OFDM技术仍然可以采用在相邻符号（symbol）间插入循环前缀（cyclic prefix，CP）来防止码间干扰（inter-symbol interference，ISI）并保证的子载波之间的正交性，然而由于频率选择性衰落产生的一个符号之内的多径干扰仍然相当严重，接收机端均衡的压力仍然很大。（3） 抗窄带干扰。在有窄带干扰的环境中，OFDM系统可以通过关闭某些子载波来规避干扰。即使少数子载波受到干扰，OFDM接收机也较容易使用前向纠错码（FEC）解码器纠正信号中的误

15、码。OFDM技术的这一特性对UWB系统有特殊的意义。由于UWB设备需要在很宽的频带中与其他无线通信系统共存，UWB系统在防止受到其他系统干扰的同时，要保证其他系统的正常使用，这一点是UWB技术是否能顺利推广的一个重要因素。即使UWB设备能够满足相关频率监管部门（如FCC）的发射功率限制，仍需要规避某些敏感频段。OFDM系统可以灵活的关闭与这些频段重叠的子载波来满足要求，以适应各国对本国不同的特殊频段的保护。但是直接序列扩频（DS-SS）系统显然无法做到这一点。图2显示了OFDM系统如何关闭某些子载波，以保护日本航天无线通信系统所使用的频段。图2、OFDM系统可关闭某些子载波，规避受保护频段3.1.2 频谱划分 多频带OFDM UWB频谱划分方案曾多次修改，最新的方案如图3所示。该方案将FCC分配的3.1-10.6GHz频带分为13个频段，每个频段528MHz，用来发送128个点的OFDM信号，每个子载波占用4MHz左右带宽。这13个频段又分为5组，每组包含三个或两个频段，最初使用的将是低频段组，即第一组。UWB的OFDM传输可以在这三个频段之间跳转，以取得频率分集。高频的频段组既可以单独使用，也可以和低频的频段组联合使用，比如第1组和第3组可以联合使用，