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张 靖 黎海涛 张 平
摘 要 本文首先介绍了超宽带（UWB）技术的发展，然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点，包括信号调制方式、多径传播、传输速率、接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方面，最后展望了它的发展趋势和进一步研究的课题。
关键词 超宽带 无线通信 信号
1 引言
在过去数年中，短距离无线系统，从10m到100m，由于数据业务的推动，呈现出巨大的发展潜力，特别是近年在短距离无线通信领域提出了个人局域网（PAN）的概念。PAN的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。实现PAN的主要技术有：蓝牙（Bluetooth），IrDA（Infrared Data Association）、Home RF以及超宽带（UWB）等4种，其中具有高性能、低功耗和低成本无线数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术之一。
众所周知，一般通信技术是把信号从基带调制到载波上，所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。而UWB是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。超宽带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；发射信号功率谱密度低（数十mW范围），有低截获能力；系统复杂度低；能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。
随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会（FCC）以及全球其他标准化组织正在制定UWB无线技术规范。UWB可能在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和数据通信方式。美国、欧洲等许多学者目前都在对UWB技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和Internet来实现传输数据、话音、视频等业务，进而形成新一代蜂窝系统。
2 UWB性能特点
2.1 UWB信号
实现超宽带通信的首要任务是产生UWB信号，从本质上看，UWB是发射和接收超短电磁脉冲的技术，可使用不同的方式来产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码，这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。
目前较成熟的UWB通信信号有两种：时间调制（TM）UWB和直接序列相位编码（DSC）UWB。TM-UWB采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波形，可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线，以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射，这些脉冲在时间上以随机或伪随机问隔进行分布。进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间编码形成多个信道，实现多址通信。直接序列相位编码UWB采用一种以Gbit/s速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列以数百Mbit/s的速率对数据进行编码，多个编码脉冲表示一个比特，编码增益能提供抗多径干扰能力，在短距离范围内，DSC-UWB能提供极高的数据率。
可以看到，与一般的扩频波形（直接序列扩频DSSS或跳频扩频FHSS）不同，UWB波形的扩频带宽是直接产生的，即单个比特未经扩频序列如PN码调制，本质上是时域概念。另外，DSSS、FHSS波形是恒包络，扩频波形占空比为100%，即峰平比相等，在UWB中，脉冲持续时间相对脉冲间隔很短，波形的占空比为一个小的百分数，峰平比很大。
另外，UWB脉冲比传统无线信号更加难以探测，例如，TM-UWB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间，采用一种独特的时序编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率，以提供难以被探测和截听的安全传输，而且由于极短的波形持续时间，更易于实现多用户通信中的分组突发传输。
2.2 多径传播
多径衰减是无线通信的一大障碍，传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径的困扰，难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪，而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外，多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差，这在建筑物中尤为明显，而UVB技术特别适合室内使用，它有抗多径衰落的固有鲁棒性，UWB非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨，而不是在接收端被破坏，从而在窄带系统中的时变衰落被大大减小，UWB其定位精度小于几个厘米，并通常遵循自由空间传播规律。
下面对多径传播作定量分析。扩频带宽为1.228MHz的IS-95蜂窝系统和PCS系统可以分辨时延差异略小于1μs的多径信号。在室外环境中，时延可能有好几个μs，因此一些多径信号要采用Rake技术加以分辨和接收，但室内信道中多径时延常为ns级，它无法在相对窄带的IS-95信道中进行分辨，因此类似IS-95这样的系统必须克服严重的Rayleigh衰落，它要求信号必须在静态信号级的20dB以上，才能达到规定的性能。而带宽超过1GHz的UWB系统，能分辨出时延小于1ns的多径信号，然后采用Rake接收机可获得足够的信号能量。
UWB系统性能受信道传播和多径的影响很大，需要对UWB传播环境进行深入研究以更精确地预测UWB系统性能和优化收发信机设计。
2.3 传输速率
如前所述，UWB系统中有不同的调制方法，下面将以PAM UWB系统为例分析传输距离与速率之间的关系。假设噪声为AWGN，未编码时系统BER达到10-3，编码后减小为10-5-10-9，发射功率谱密度限制在-41dBm／MHz，工作频段从2.5GHz到5GHz，故带宽为2.5GHz，中心频率为3.75GHz。路径模型设为自由空间传播，采用M-PAM调制和相干检测时的误符号率为
，误比特率为
，为每比特的SNR。若每个符号传送k个信息比特，则符号的SNR为kγb，还可表示为PsdBsTp/η0，这里Psd是FCC限制的平均发射功率谱密度，Bs是发射脉冲带宽，Tp指脉冲重复频率（PRF），η0是噪声功率谱密度。因此，在平均发射功率谱和系统BER一定的条件下，增加脉冲带宽或减小PRF，都会影响系统速率和工作距离。在以上假设条件下，定量研究表明，当通信距离为12.5m时，2PAM调制时系统传输速率为250 Mbit／s，8PAM调制时速率为50 Mbit／s；当距离为27.5m时，2PAM调制时系统速率为50 Mbit／s，8PAM调制时速率为10 Mbit／s；当距离为100m时，系统吞吐量严重下降。
可见，UWB在近距离能提供很高速率，结果还表明高阶PAM调制没有提高速率，这个问题可以这样理解，PAM是一种频谱有效的调制方式，但不是功卒有效的。采用其他方法，如增加天线增益、提高编码增益、减小噪声、增大带宽能进一步提高传输速率和距离。
从通信的角度来看，无论扩频还是UWB系统性能都由有效比特信噪比Eb／N0确定，这里N0＝kTeB，k是Boltzmann's常数，Te是系统噪声温度，B是瞬时带宽。Eb＝PT，对UWB系统，P是脉冲峰值功率，T是有效脉冲持续时间。对扩频波形而言，同样Eb由PT决定，但T表示比特持续时间。可以看出，在给定BER条件下，脉冲越短，带宽越宽，所需的峰值功率越高，而在相同的平均功率量级，扩频和UWB有同样的BER性能。
2.4 干扰
由于UWB发射的宽带特性，可能对其他已申请的使用频段造成干扰，因此FCC正在审定UWB技术的合法性。FCC的目标是在满足市场对高效频谱利用率的UWB技术需要的同时，保证它对目前用户已经申请的频段不会造成干扰。
1998年9月，FCC第一次发出征询通知（NOI），要求工业界对发射功率严格受限时在非授权频段使用UWB技术的提出反馈意见。FCC第15条款规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限制，具体如下：FCC Part 15.209规定对频率高于960MHz，在1MHz带宽内，测量距离3m，发射功率在500μW／m内，相应的发射功率谱密度限制在-41.3 dBm／MHz以下，自第一次发出征询通知后，收到了500多份意见，显示了业界对UWB技术的浓厚兴趣。2000年5月，FCC对工业界发出在Part15规定下允许UWB发射机工作而修改条款的通知（NPRM），并征询反馈意见。
FCC还考虑在2GHz以下对发射功率谱做更低的限制，以保护GPS等，但目前还没有定义界限。美国国家电信信息管理局（NTIA）的报道结果分析出UWB发射机对工作在1.2 GHz和1.5GHz GPS的影响很大，有20-35dB甚至更大的衰减，超出了FCC Part 15.209对功率的限制，需要对GPS工作频段进行保护。
由于频段共享会造成潜在的干扰。有许多因素对UWB系统与其他窄带系统的共存有影响，包括UWB系统中器件之间的隔离，信道传播的损耗，调制技术，脉冲重复频率，接收天线的增益，例如，一个UWB以脉冲重复频率发送未调制的脉冲时，会在频域产生以PRF重复出现的峰值。加入幅度调制后，UWB信号经过扩频后更为平坦。结果，UWB发射机产生的干扰类似宽带干扰，它对窄带接收饥的背景噪声有影响。UWB系统中需要考虑两方面的问题：一是要求UWB进行低功率发射，这使得UWB有很高的功效比和能低成本实现，可以省电，也限制了UWB通信的距离；二是UWB系统可能受其他窄带无线通信设备的干扰。
FCC的限制仅是个开端，对工业界来说，通过制定标准来推广这项技术并与其它无线通信设备共存是重要解决途径。例如，若UWB应用于个人局域网（PAN），则与802.11a LAN邻近，因此，UWB系统必须设计成与LAN共存，这可通过工业协作和标准化工作来完成。
2.5 接收机
与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，如图1所示，为对比分析其优点，把UVB接收机与实现短距离通信的蓝牙接收机进行比较，蓝牙采用跳频技术把1MHz带宽的信号扩展到79MHz，发射信号的中心频率为2.45GHz，带宽为79MHz。在接收端，弱信号首先经过放大器放大后下变频到中频IF＝120MHz，下变频使用外差技术，混频后会产生镜像信号，在低频端，解调并恢复信号。
LNA：低噪声放大器 IF：中频 Up/down converter：上/下变频器 PA：功率放大器 T（R）X：发送/接收 Ref Osc：本振 MF/Corr：匹配滤波/相关器 Synth:频率合成
图1 接收机结构
UWB收发信机中，信息可被几种不同技术调制，如M-ary脉冲幅度调制或PPM调制发射脉冲，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息，相对于超外差接收机而言，它实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环〕、VCO（压控振荡器）、混频器等，制造成本低。UWB接收机的一个优点是它可以全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。例如，当距离增加时，UWB能用几个脉冲发送同一信息比特从而在接收端提高了SNR。这种灵活性是功率受限的未来移动计算所必须的。蓝牙发射机在1mW平均发射功率时速率为1Mbit/s，工作的距离范围为10m。而发射功率小于10μw，带宽为2.5 GHz的UWB发射机能提供同样的吞吐量和覆盖距离，这对便携式通信装置来说，可大大延长电池工作时间，UWB技术的最重要的特点是其低成本和低系统复杂性，可全数字化实现，它只需要一种数字方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，目前已有这种产品。另外，它只用很少的RF或微波器件，因其RF设计简化，系统的频率自适应能力很高。
但是，UWB系统设计时也面临一些挑战，一个普遍关心的问题是在UWB接收机的频带内，宽带接收机易受到传统窄带通信机的干扰；匹配滤波器的精度；超宽带大线等也不易满足，由于短的脉冲持续时间，为相关检测接收脉冲需要精确的定时。这些问题可通过采用先进技术来解决。若把UWB发射机设计成频率自适应，带宽自适应结构，则UWB系统能与共享频段的其他通信设备共存而不造成干扰。
2.6 空间容量
这里空间容量定义为bit/s（s·m2）。空间容量的概念已被许多学者使用，如加州Berkeley的Jan Rabaey教授等，文中采用平方米，因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比，IEEE 802.11b工作的距离范围是100m，在2.4GHz ISM频段，有80MHz的未用频宽。因此，在半径为100m的覆盖范围内，3个22MHz IEEIE 802.11b系统可同时工作互不干扰，每个系统提供的峰值速率达11Mbit／s，总共的速率达33Mbit/s，产生的空间容量为1000 bit／（s·m2）。蓝牙在低功耗模式下，在10m距离内，速度可达1Mbit／s，10个蓝牙微微蜂窝（piconets）能在10m圆周范围内同时工作，速度达10 Mbit/s,从而得到的空间容量近似为30 000 bit（s·m2）。IEEE 802.11a的工作距离范围在50m，峰值速率达54 Mbit／s，假设在5GHz频段内，有200MHz可得到的频宽，系统的空间容量可达83 000bit／(s·m2）。UWB系统在10m距离范围内的峰值速率可达50Mbit／s，系统的空间容量达1000 000bit／（s·m2）。
可以看出，目前的一些标准如蓝牙和IEEE 802.11，其峰值速度和空间容量都远低于UWB，这可从理论上找到答案。根据经典的信道容量理论，C＝1b（1＋S／N），最大信道容量与带宽成线性关系，USB系统带宽一般有2GHz甚至更宽，比带宽受限的Bluetooth、IEEE802.11以及HiperLAN2等无线系统有更大的容量。因此，UWB系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来，随着系统功率的增大，UWB系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来，像无线以太局域网802.11b和短距的蓝牙通信技术，都有可能被UWB所取代，这是因为URB产品的吞吐量将比采用802.11b的产品大1000倍，也就是说UWB系统与802.11b相比，能够支持更多的用户，而且比当前无线LAN系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为，就速度和传输距离而言，超宽带无线通信技术当前还只是处于其萌芽阶段，他们认为，随着功率和芯片制造技术的提高，UWB产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。
2.7 MAC层
UWB系统在短距离范围内的高数据率能力，很适用于带宽／时延敏感的视频通信，为保证业务的高QoS等级，除了物理层外，还应研究媒体访问控制（MAC）层的设计。高速数据在无线信道中传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点，同时，无线信道随时间、地点而变，用户的移动性也提出另外的要求，如当接入点改变时，用户希望仍能接收到同样的QoS业务，问题在于新无线链路并不一定支持要求的QoS，这些都需要对MAC层合理设计来处理。UWB系统的MAC层设计包括控制信道接入，QoS、安全性的保证等。下面着重讨论信道接入和QoS功能。
IEEE 802.11 Tge专门委员会在研究增强型的802.11 MAC协议以优化信道接入和保证QoS。802.11 MAC层基本的信道接入采用分布式访问控制方式DCF，以及建立在DCF之上的集中访问控制PCF，提供一种集中化轮询式的通信。欧洲提出的与802.11竞争的技术HiperLAN／2（HL2），则采用不同的MAC和QoS保证方法。802．11的MAC来源于Ethernet和IP，增强QoS的同时能后向兼容。HL2和802.11基于无线ATM概念，没有后向兼容的要求。HL2和802.11的根本区别在于它采用非常短固定长度的分组，集中控制随机接入资源预留信道，基于成功资源预留的TDMA类型的信道分配。这种结构能提供好的QoS性能，但是，与802.11 MAC相比，它实现的复杂性较高。
在高速率UWB系统的MAC层设计中，可以根据它的特点进行设计选择，这是MAC层设计时一个要考虑的重要问题。当UWB技术走向标准化和产品化时，一个待决定的问题是：是否采纳一些其他无线网络中的MAC技术或者完全开发新的技术。这一方面要看到现存的MAC协议是否适用于UWB应用，另一方面是根据UWB的特性要求加入新的技术到MAC层，一定程度上的兼容性能获得市场和用户的接受。如L－WB系统中，在发射功率恒定时，速率与PRF和峰值功率成反比。在MAC可利用这个特点，通过适当调整来灵活控制，根据通信的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号；为使USB系统间能共存，可在MAC层利用不同的扩频码来设计UWB系统；为解决UWB与WLAN系统，如802.11a的共存性问题，也可通过物理层和MAC层的联合设计来实现。UWB系统成功应用的一个重要考虑是它与其它WLAN或WPAN的共存性。
3 结论
已有大量关于USB技术的性能和局限的分析，一个较普遍的误解是UWB技术是适合于所有应用的最佳设计、实际上，UWB技术最适合于拥挤的室内应用，并不适合于室外应用，因为UWB在大气环境下距离越远信号衰减越厉害。另一种误解是 将UWB无线技术和冲击雷达技术混为一谈。UWB无线技术采用的脉冲和冲击雷达的脉冲相似，但传输功率大大不同。商用UWB产品将利用接收机领域的最新技术，并将以非常低的功率（mW级）进行发射，而冲击雷达，必须以极高的功率（kW级）发射信号。明晰这些区别后，我们对UWB在无线通信中应用才能有更清楚的认识。
UWB可以满足全球对更大带宽的强烈需求。全球频谱规划组织已注意到UWB具有巨大潜力，它的优点促使全球频谱规划组织思考如何更好地推广这项先进的无线技术。2000年5月美国FCC公布了一条UWB规则制订通知。最近，欧洲也正在评估 UWB规则提案，欧洲标准化组织的一些成员已经建议欧洲应该在2001年底之前确定UWB的使用规则，而英国无线通信协会已经开始带头评估UWB辐射对现有系统的影响，据悉，FCC对UWB通信的管理规则将在2001年内确定。
国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入，IEEE Journal on selected Areas in Communications杂志将在2002年出版有关UWB技术的专辑论文“Ultra Wide Band Radio in Multi-Access Wireless Communications”。我国也非常重视这项革命性的技术，在2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。
在UWB技术领域，有着广泛的研究内容，除了UWB波形、发射机、检测器、天线、信道特点、UWB系统的多址等物理层实现技术外，空中接口的灵活性，开放的网络还要求重新定义高层而不仅限于物理层。这方面包括UWB资源和移动管理、安全性、在保证QoS下UWB与固定网的互通，UWB与其它无线技术的兼容性等问题，为充分利用移动通信的潜力，还需要研究在UWB通信中移动接入技术的可行性，要求和性能以及相应的资源管理技术。
摘自《电信科学》2001.11
