超宽带无线通信技术

要害词：超宽带；脉冲无线电；无线个域网

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

  无线技术在通信发展进程中一直扮演着重要角色。伴随着移动通信十几年来的蓬勃发展以及3G、B3G等概念的日益普及，无线家族中的另一成员——短距离宽带无线接入技术近年来异军突起。从蓝牙、HomeRF到IEEE 802.11(即Wi-Fi)系列，越来越多的人开始感受到了短距离无线通信技术所带来的诸多便捷，甚至有人认为短距离无线通信技术具有与3G抗衡之势。
  超宽带(UWB)技术是目前备受关注的一种新型短距离高速无线通信技术。多年来，这项技术一直在军事领域中使用。UWB在民用领域开放后，有望凭借其超高的传输速度和低功率、低成本等优势给短距离无线接入市场注入新的活力。

1 UWB的特点
  应用于无线通信领域的UWB是一种低功率的无线电技术。按照2002年美国联邦通信委员会(FCC)在向民用领域开放UWB时的定义，超宽带技术指的是信号相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)不小于0.2或绝对带宽不小于500 MHz，并使用指定的3.1 GHz～10.6 GHz频段的通信方式。与其他传统的无线通信技术相比较，UWB的技术特点主要有：

(1)传输速率高
  UWB系统使用上千兆赫兹的超宽频带，所以即使把发送信号功率谱密度控制得很低，也可以实现高达100 Mb/s～500 Mb/s的信息速率。根据仙农信道容量公式，如使用7 GHz带宽，那么即使信噪比低至-10 dB，理论信道容量也能达到1 Gb/s[1]， 因此实际中实现100 Mb/s以上的速率是完全可能的。

(2)通信距离短
  由于随着传播距离的增加高频信号强度衰减太快，因此使用超宽频带的系统更适合于进行短距离通信。理论分析表明，当收发机之间的距离大于12 m时，UWB的信道容量低于传统的窄带系统。

(3)平均发射功率低
  在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常可做到低于1 mW，这是通过牺牲带宽换取的。FCC规定UWB的发送功率谱密度必须低于美国放射噪音规定值-41.3 dBm/MHz，因此，从理论上来说相对于其他通信系统UWB信号所产生的干扰仅相当于一宽带白噪声。所带来的好处体现在两方面：一是可使UWB系统与同频段的现有窄带通信系统保持良好共存性，这对于提高无线频谱资源的利用率，缓解日益紧张的无线频谱资源大有好处；二是使得UWB信号隐蔽性好，不易被截获，保密性高。

(4)多径分辨率极高
  由于UWB采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨力都很强，因此系统的多径分辨率极高(1 ns脉冲的多径分辨率为30 cm)，接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。值得一提的是，窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物的能力，例如墙壁和地板，因此UWB具有比红外通信更为广泛的应用。

(5)适合于便携型应用
  传统的UWB技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，由此带来的好处是设备的功耗小，成本低，灵活性高，适合于便携型无线应用。
归根溯源，从频域上来看，UWB的诸多优点来自于其使用了上吉赫兹的传输带宽，远远高于现有的GSM、IS-95、3G等通信系统。因此，UWB的技术实现细节与传统的窄带通信方式有很大差别。

2 UWB的实现

2.1 脉冲无线电
  脉冲无线电形象地说明了UWB直接发射窄脉冲进行通信的特点。将传统窄带通信系统与脉冲无线电的收发机进行对比，可以看出两种技术在实现方式上的明显差别。窄带系统一般采用正弦载波调制实现频谱搬移，信道上传输的是射频已调信号，接收机需要经过逐级下变频之后再进行解调，以恢复原始信息；脉冲无线电则是直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉冲发射出去，信道上传输的是基带信号，接收机主要是一个相关检测器，结构比传统窄带通信系统简单得多。
  为了使天线把信号能量有效地辐射出去，必须对所用脉冲的频谱特性提出一定的要求(即不含直流分量，低频分量少，信号能量主要集中在射频部分)。因此，脉冲无线电采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形，通过选择脉冲宽度和阶数获得不同的带宽及中心频率位置。通过分析可以发现，高斯各阶导的10 dB带宽大致可以近似为脉冲宽度倒数的两倍。因此当脉冲宽度低于1 ns时，就能获得超过2 GHz的带宽。中心频率的位置会随着求导次数的增加而逐渐上移。
  与实际传输速率所对应的符号周期相比，这种纳秒级乃至亚纳秒级的脉冲宽度往往小了几个数量级，因此脉冲无线电传输的是一种低占空比的信号。利用这一特点，系统中经常使用多个脉冲来传递一个符号，从而获得附加处理增益。例如假定传输速率为10 Mb/s，脉冲宽度为0.5 ns，脉冲重复频率(PRF)为100 Mp/s，则一个符号可以扩散到10个脉冲上重复发送，附加处理增益将为10 dB，再考虑到20倍的占空比增益，系统获得的总处理增益将达到13 dB+10 dB=23 dB。这种处理方式在实现上带来的好处是在保持系统脉冲宽度和脉冲重复频率不变的情况下，通过改变附加处理增益可以灵活地调整传输速率的高低，实现可变速率。
  鉴于系统对功率有效性的要求比较高，脉冲无线电的调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(PPM)或二进制相移键控(BPSK)。在多址接入方式上，有跳时扩频(TH-SS)和直接序列扩频(DS-SS)两种方式可选。典型的组合方案是TH-PPM和DS-BPSK。相比较而言，TH-SS的优势在于它对远近效应的敏感程度没有DS-SS那么高，因为只有当不同用户的信号脉冲正好在位置上出现重叠时远近效应才会体现出来，从而降低了对功率控制的要求。这也许是早期的UWB系统在信号占空比很低的条件下选用了TH-SS的重要原因[2]。不过，随着对传输速率的要求越来越高，信号占空比势必要大大增加，TH-SS的优势已不明显，因此DS-SS方案现在重新受到研究人员的重视。
  信号的功率谱密度特性也是决定发送方案的一个重要因素。理想的UWB信号应该近似白噪声，即功率谱密度(PSD)应该为平坦的且幅度越低越好，这样才不会对现有的窄带系统造成明显的干扰。周期性窄脉冲的PSD由离散谱线构成，加上PPM调制之后，功率谱得到一定的平滑，不过更强的平滑作用是通过伪随机跳时码实现的，而且平滑特性的好坏与伪随机码的选择密切相关[3]。假如采用BPSK调制，由于信号均值为零，功率谱中不含离散谱线，完全由高斯脉冲的频谱决定，其平坦度与白噪声仍有很大差距，也要通过伪随机序列进行平滑。因此，近来的一个研究热点就是如何通过选择调制和多址接入方式的组合及设计理想的伪随机序列来获得更好的功率谱密度特性[1]。

2.2 UWB信道建模
  UWB信道不同于一般的无线衰落信道。例如，传统上一般用Rayleigh分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个分量可以视为多个(例如大于10)同时到达的路径合成。但是UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，每个多径分量包含的路径数很可能只有2～3条，显然已经不符合Rayleigh分布的假定[4—6]。同时由于强烈的散射效应，UWB信道上的多径分量呈现出成组到达的特征。在典型的室内密集多径环境下，接收波形的时延扩展很大，例如比较极端的情况下，一个脉冲宽度为2 ns的信号通过UWB信道之后接收波形竟可持续230 ns[7]。这些特点反映到频域上，则可以看到由于信号分量横跨了吉赫兹的频率范围，频率选择性衰落的特征极为明显。
  对UWB信道的建模可以在时域或频域上进行，目前最常采用的仍是一种离散的延迟线模型，即：

(1)室内信道的均方根(RMS)时延扩展为20～30 ns，无视距分量的情况下会更高。

(2)最大时延扩展小于250 ns；多径强度谱E[gn2]属于非均匀分布，满足指数衰减特性。

(3)幅度衰落系数gn满足对数正态分布(标准偏差为3～5 dB)。研究表明，随着测试脉冲宽度的增加(在3 ns左右时)，多径分辨率随之降低，gn的分布将从对数正态分布逐步演变为Nakagami分布。显然，假如进一步增加脉宽，当每个多径分量包含的路径数足够多时，gn的特性仍将会回到Rayleigh分布上去。

(4)多径到达时间τn符合泊松分布，具有多径分量的成组到达特性。

2.3 UWB接收技术
  尽管UWB信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的UWB接收机结构很简单，只是一个等效于匹配滤波的相关器而已。同时为了降低对器件模数变换器(ADC)变换速率的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的。但是当对传输速率的要求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来。接收信号幅度上的衰落需要通过RAKE接收机收集足够丰富的多径分量来克服；另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间干扰(ISI)问题也必须在系统设计中加以考虑。一种比较理想的解决方案应该是RAKE+均衡，通过RAKE接收捕捉各条径的能量以反抗衰落，同时利用均衡来消除符号间干扰。
  目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机[8]。在具体实现上，有几种路径选取方法可用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。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，只是实现难度较大。从仿真结果来看，就UWB信道特性而言，选择4～6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能。
  同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为要害。假如采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计。尽管有窄带通信系统中的许多算法可以借鉴，但需要强调的一点是，在UWB系统特有的信道环境下，对同步和信道估计都提出了更高的要求，再考虑到有限抽样速率下的实现精度和算法复杂度问题，同步和信道估计都还需要进行更深入地研究。

3 UWB的应用
  凭借着短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势，UWB进军民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)上。现有的各种无线解决方案(例如3G、802.11、蓝牙等)的速率均低于100 Mb/s，UWB则在10 m左右的范围之内打破了这一限制。这样一种小范围内的通信，非凡是高速通信，通常是用有线连接来完成的，而UWB的应用将使得人们可以摆脱更多线缆的牵绊，通信因而变得更为方便。家中的台式电脑不再需要各种线缆分别连接显示器、打印机和扫描仪，摄像机向电视实时输送录像也代之以高速无线连接，这将会给人们的生活带来极大的便利。人们也可以用同样的技术来帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物里面的人们，甚至防止汽车相撞。类似的应用将会层出不穷，远远超过人们目前的想象空间。就现在的发展趋势来推断，UWB的应用将主要集中在以下几个方面：

(1)各种移动设备之间的高速信息传输，例如PDA、mp3、可视电话、3G手机等设备之间的短距离点到点通信，包括多媒体文件传输、游戏互动等。

(2)桌面PC机、笔记本电脑、移动设备与各种外设之间的无线连接，例如与打印机、扫描仪、存储设备等的无线连接。

(3)数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电子设备之间的可视文件和数据流的传输。

  总之，UWB定位于各种消费类电子设备和终端间的高速无线连接。由于消费类电子设备很多，决定了UWB的应用将非常广泛。UWB技术专家们预计到2006年，UWB技术将带来10亿美元的市场销售额。

4 UWB的标准化
  巨大的市场诱惑力吸引了众多通信厂商对UWB技术的关注。IEEE 802.15.3 SG3a工作组于2002年1月成立，旨在为面向WPAN应用的IEEE 802.15.3标准制定出高速物理层补充标准IEEE 802.15.3a，UWB的标准化进程由此开始。工作组在标准提案征求书中提出的系统指标是：

(1)使用FCC开放的3.1 GHz～10.6 GHz频段，发送信号的功率谱密度低于-41.3 dBm/MHz。

(2)目标速率为10 m距离上实现110 Mb/s，4 m距离上实现200 Mb/s以及1 m距离上实现480 Mb/s。

(3)支持4个不同步的微微网同时工作。
  2003年3月，SG3a工作组如期收到23个提案。经过协商讨论，在2003年7月的会议上，这些提案最终融合成了两大方案，即传统的脉冲无线电方案和多频带正交频分复用(OFDM)方案。前一方案的倡导者多是早期投身超宽带无线通信研究与开发的中小公司，以美国MSSI、XtremeSpectrum公司等为代表，它们拥有大量脉冲无线电方面的发明专利，在UWB的应用开发进程中已先行一步。一些传统的通信大公司显然不愿意受到这些专利的制约，于是另起炉灶，完全摒弃了无载波窄脉冲的思想，又回到传统的窄带通信技术上，提出将可用的7.5 GHz频段划分成十几个500～600 MHz左右的子频带，在每个子频带上采用OFDM技术实现宽带无线通信的方案。出于商业利益的争夺，两种方案的竞争异常激烈，在2003年7月、9月和11月会议上进行的投票中，任何一方都没有得到75%的赞成票，只能留待下一次会议加以解决。
  为获得更多的支持票，两大阵营一直都在积极采取各种行动。2003年7月，以Intel和TI为首的多频带OFDM联盟(MBOA)正式成立，有50多家企业加入。鉴于IEEE标准制定工作一再拖延，MBOA已于近期决定成立非凡工作组，不再等待IEEE的最后结论，计划在2004年5月发布MBOA规格Release 1.0，并开始进行基于该规格的设备开发，预计在2004年第4季度和2005年第1季度分别提供芯片样品和集成模块。而另一阵营为打破僵局，一些公司已表示将免费提供与标准相关的UWB专利。摩托罗拉作为这一阵营的坚定支持者，在2003年11月公布收购XtremeSpectrum公司。从目前的形势来看，多频带OFDM方案似乎占据了上风。但是，无论哪种方案最终被采用，超宽带究竟带来了一种全新的通信理念，对无线频谱资源的利用将从窄带有牌照分配转向宽带无牌照共享方式，由此带来的安全问题、相互干扰问题以及对网络结构和多址接入机制的重新考虑，将会产生出许多新的研究机会。

5 结束语
  UWB技术现在还处于研发阶段，传输理论仍有待深入探讨，但是其应用前景是广阔的。随着电子设备趋向智能化的势头日渐加快，对短距离的高速数据传输要求越来越迫切，非凡是无线局域网的普遍建立并与无线移动蜂窝网有机结合，预示着UWB技术的前景将非常广泛。

6 参考文献
[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.
[3] Time Domain Corporation. PulsON Technology Overview[EB/OL]. http://www.time-domain.com.
[4] Uguen B. A Deterministic Ultra Wideband Channel Modeling [C]. 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, 2002.1—5.
[5] Hovinen V, Hamalainen M, Patsi T. Ultra Wideband Indoor Channel Models: Preliminary Results[C]. 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, 2002.75—79.
[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.

刘丹谱，北京邮电大学电信工程学院副教授，博士。曾参与多项国家自然科学基金项目和国家“863”计划项目，已发表论文30余篇。目前主要研究领域为无线局域网和超宽带无线通信技术。