超宽带无线通信技术简介

引言

超宽带技术不同于其它无线通信技术，它具有隐蔽性好、抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等一系列优点，而且可以重复利用频谱，解决频谱拥挤不堪的问题。

超宽带的概念

UWB的定义

超宽带的定义经历了以下几个阶段：

1989年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。

1989年美国国防部(DARPA)首次使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在 20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或分数带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号。

2002年FCC颁布了UWB的频谱规划，并规定只要一个信号在 10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射，分数带宽定义为：

公式(略)

其中，f_{H}、f_{L}分别为系统的高端和低端频点。一般超宽带脉冲无线电使用分数带宽定义，由(1)式可知，一个信号是否是UWB信号取决于中心频率。若信号A与信号B带宽相同，但A的中心频率远高于B的中心频率，则A的分数带宽很小，A不属于UWB信号。

UWB的频谱规划

FCC关于UWB系统的频谱模板

根据FCC的规定，UWB 在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3.1～10.6 GHz，并在这一频率范围内，带宽为1MHz的辐射体在三米距离处产生的场强不得超过500 V/m，相当于功率谱密度为75nw/MHz，即 41.3dBm/MHz。FCC 规定的UWB频谱范围和谱密度限制分为室内、室外两个标准。

其他国家的频谱模板

为了更有效的进行频谱管理，各国的频谱管理机构提出了一些新的频谱管理思路。新加坡于2003年2月底宣布启动"超宽带计划"， 积极发展UWB技术，并且为了进行测试提出了一套新的模板。日本则正在讨论UWB走向实用应解决哪些课题，并于2004年3月24日发布了中期草案报告，并提出两个模板修正提议。这些模板基本上都是基于FCC标准提出的，在部分频段上与FCC标准完全一致。

UWB的调制与多址技术

无载波方案(脉冲无线电方案)

早期的UWB 系统是通过发送一串时间上不重叠的纳秒级脉冲来传输数据的，不像传统通信系统使用正弦波把信号调制到载频上，所以又称为基带无载波系统。

TH-UWB

TH-UWB是指由实现多址的PN码来决定脉冲的发射时刻，属于伪随机跳时多址方式。数据调制则可采用PAM或PPM。

TH-PAM

这种方式中，发送的数据采用PAM调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。C_{j}^{(k)}为第k个用户PN码的第j个码元，其取值范围为{0,N_{h} -1}，伪码周期为N_{p}。则第k个用户的信号波形为：

公式(略)(2)

中d_{j}是信息序列， T_{f}是脉冲重复周期，[ ]表示取整符号，上标k为用户索引，T_{c}表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据符号周期T_{s}=N_{s}T_{f}。由(2)式知，一个数据符号在持续时间上发射N_{s}个脉冲，当N_{s}=1时，则一个符号只发射一个脉冲。

TH-PPM

跳时脉冲位置调制TH PPM的信号波形为：

公式(略)(3)

TH-PPM仍然是用N_{S}个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。

DS-UWB

这种方式中，发送的数据经伪随机序列扩频后再用BPSK调制，其信号波形为：

公式(略)(4)

这种情况下码片持续时间T_{c}等于帧持续时间T_{f}，其中有关符号说明同TH-PAM模型。

在TH-UWB中信道资源是由时间与PN码组成，多址方式既可以是TDMA，也可以是CDMA；而DS-UWB的信道资源仅是PN码，其多址方式是CDMA。

基于载波的UWB

单载波DS-CDMA

在单载波DS-CDMA 方案中，经过DS-CDMA 扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。XtremeSpectrum 等公司提出的方案共有两个可用频段：3.1-5.15 GHz(低频段)和5.825-10.6 GHz(高频段)。UWB 信号通过对载波调制在这两个频段之一进行传输，或在这两个频段同时传输。为了避免对美国非特许的国家信息基础设施(UNII)频段和IEEE 802.11a 系统的产生干扰，这两个频段之间的部分没有利用。

传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA 方案通过频谱搬移解决了这一问题。

多频带正交频分复用(OFDM)方案

这种方案是将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。

DS-UWB与多频带UWB的比较

2004年5月SG3a工作组确定了两个提案：无载波DS-UWB与多频带UWB。