关于超宽带技术调研

关于超宽带技术调研

目录

一、前言 (1)

二、国内外发展现状 (4)

三、超宽带技术发展趋势 (7)

四、总结 (8)

参考文献 (11)

一、前言

1.1 超宽带无线通信技术

超宽带(UWB)技术为拥挤的无线电频谱带来了新的应用理念,其创新的使用模式和用有线链接无法实现的产品特性正在吸引着全球的目光。这种短距离的传输技术具有耗电量低、安全性高、高速传输、不易产生干扰、低成本的芯片结构等优点,更重要的是他可以帮助家庭和办公室中的各种信息设备摆脱有线的束缚而实现互联互通。目前,许多国家正在致力于超宽带技术的研究开发,尽管还没有成熟产品进入市场消费阶段,但将推动超宽带与大部分消费电子、移动设备和个人电脑的连接嵌入。UWB技术在1994年以前主要限于军方使用,限制了UWB的软件和硬件开发。由于UWB使用许多专用频段,美国联邦通信委员会(FCC)直到2001年才正式开放UWB技术的广泛研究,此后全球对UWB的研究进入高速探讨阶段。

随着互联网、多媒体和无线通信的快速发展，人们对高速率、高质量无线业务的需求日益迫切，然而，可用的频谱资源却日渐匮乏。这激发了人们对各种新技术的不断探索，其中超宽带（Ultra Wideband，UWB）为解决这一问题提供了崭新途径。超宽带技术适合于密集多径环境下的高速率、低功耗、短距离无线接入场合，可作为无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）、无线传感器网（Wireless Sensor Network，WSN等网络的物理层技术，具有广阔的应用领域和市场前景。

超宽带技术的历史可追溯到1895 年意大利科学家马可尼采用火花隙脉冲信号实现的无线通信，这被认为是超宽带技术的萌芽，之后，随着窄带载波无线通信的兴起，使无载波的超宽带技术陷入了较长时间的沉寂。直到20 世纪60 年代，Ross 等人论证了超宽带在雷达和通信方面应用的可行性，才出现了现代意义上的超宽带技术。

超宽带技术的理论体系则建立于20 世纪80 年代，最初受到了美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvanced Research ProjectsAgency, DARPA）的高度关注，当时该技术被称为基带、无载波、或冲激无线电（Impulse Radio，IR），直到1989年美国国防部将其命名为超宽带，并将它应用于雷达、无线通信、成像和高精度定位系统。1993 年，Scholtz 等人提出了跳时多址脉冲无线电概念，引起了学术界的广泛关注，奠定了将IR 作为无线通信载体实现多址通信的理论基础。为了促进超宽带技术的发展，2002 年4 月，美国联邦通信委员会（FederalCommunications Commission，FCC）通过了超宽带无线设备在严格功率辐射限制下的商用规范，并重新对超宽带进行了定义。自此，超宽带技术的研究和应用进入了快速发展期，许多国家政府都大力支持该项技术，一些知名公司（如Intel、AT&T、TI、IBM 和摩托

罗拉等）以及大学科研机构（如斯坦福大学、南加州大学等）都在该领域投入了大量的研究。

我国也很重视这项有着巨大发展潜力的技术，在2001 年发布的“十五”国家863 计划通信技术主题研究项目中，首次将“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，积极推动国内学者在该领域的研究工作。在2008 年发布的“十一五”国家863 计划信息技术领域中，支持并开展了“超宽带无线通信系统研发与应用示范”重点项目。拟通过该项目的支持，突破UWB 相关芯片设计和组网等一些关键技术，研制出基于自主芯片的试验与验证系统，推广UWB 技术的应用范围。在国家一些重大项目的持续资助下，我国在UWB 关键技术研发方面已取得了一些重要进展，具备了一定的芯片、软件以及实际应用系统的开发能力。

1.2 超宽带的概念

超宽带早期被称为脉冲无线电（IR），即采用持续时间极短的基带脉冲来传送信息，是一种无载波通信方式，当时主要被应用于雷达、定位及测距等领域。直到1989 年美国的DARPA 首次使用超宽带这一术语。为了推动该技术进一步发展，2002 年4 月，美国FCC 发布了超宽带无线通信的初步规范，将超宽带信号定义为绝对带宽大于500MHz 或相对带宽大于20%的信号，这里绝对带宽是指10dB 带宽，即信号功率谱密度的峰值衰减10dB 时所对应的上限频率fH和下限频率fL之差，而相对带宽则定义为绝对带宽与中心频率之比。为了促进超宽带技术在民用领域的应用，同时为了避免其对现有无线通信系统的干扰，FCC 一方面为超宽带系统开放了免授权的3.1~10.6GHz 频段。

我国工业和信息化部的无线电管理机构则于2008 年12 月发布了“超宽带（UWB）技术频率使用规定”，规定中明确了超宽带设备的发射信号带宽至少为500MHz，同时分别给出了几个频段的超宽带发射信号的EIRP 限值，见表1.1所示。

1.3 超宽带的特点

与其它无线通信技术相比，超宽带技术的主要特点可概括如下。

（1）高速率、大容量

超宽带信号的带宽极宽，包含了高达7.5GHz 的频谱资源，根据香农信道容量理论，即使在-10dB 左右的低SNR 下，也可提供约1Gbps 的通信容量，这使得超宽带适合于高速率无线传输应用。与其它短距离无线通信方式相比较，超宽带系统的空间通信容量（即单位面积上的传输速率）约为1000 kbps/m，其分别是IEEE802.11b 和蓝牙系统的空间通信容量的1000 倍和33 倍。

（2）低成本、低功耗

脉冲超宽带无需采用正弦载波而直接进行调制，因此，系统的射频前端、模拟以及数字信号处理部分都相对较简单，很大程度上降低了系统的复杂度并且易于全数字化实现。此外，超宽带脉冲的持续时间极短，一般在0.20ns~1.5ns 之间，占空比很低，约为0.01~0.001，加之FCC 对超宽带信号的辐射功率的严格限制，低于-41.3dBm/MHz。这些因素使得超宽带系统的功耗很低，仅为几百μW 至几十mW，约是蓝牙设备所需功率的二十分之一左右。因此，超宽带设备在成本和功耗上，相对于传统无线设备有着很大的优势。超宽带系统中接收技术研究

（3）良好的多径分辨率、高精度定位

在时域上，超宽带脉冲的极短持续时间和低占空比的特性使其具有极高的多径分辨率和良好的时间解析力，一般带宽超过1GHz 的超宽带系统，能分辨出时延小于1ns 的多径分量，这有利于Rake 接收机收集较多路径的能量，从而提高超宽带系统的抗衰落能力。研究表明，对其它无线电信号多径衰落达10~30dB 的传播环境，对超宽带无线电信号的衰落则不超过5dB。超宽带系统良好的时间解析力，也使其具有精确的测距与定位能力，定位精度可达厘米量级。这远远高出全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和其它无线系统的定位精度。精确定位功能可用于人员三维定位跟踪和精准的存货追踪管理等领域。（4）高度安全性

超宽带信号的发射功率非常小，而带宽却极宽，因而其功率谱密度很低，信号淹没在背景噪声和其它无线电信号中，不易被一些侦测设备所截获。此外，超宽带系统中可采用跳时、跳频、直接序列等扩频技术，这也进一步提高了其安全保密性能。

（5）共享频谱资源

美国FCC 规定的超宽带系统的工作频段为 3.1~10.6GHz，这与现有的大多数通信系统的工作频段相重叠，为了避免对其它系统的干扰，FCC 同时对超宽带信号的辐射功率提出了十分严格的限制（EIRP 不超过-41.3dBm/MHz），这样超宽带可以与其它系统共享频谱资源，这对于频率资源日趋稀缺的今天尤其具有重要意义。

（6）穿透能力强