关于超宽带技术调研Word格式.docx

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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（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,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（ImpulseRadio，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（FederalCommunicationsCommission，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。

表1.1我国UWB无线电设备发射信号的EIRP限值

频率范围（GHz）

限值（dBm/MHz）

检波方式

1.6GHz以下

-90

有效值

（RMS）

1.6~3.6GHz

-85

3.6~6.0GHz

-70

6.0~9.0

-41

9.0~10.6

10.6GHz以上

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1000kbps/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（GlobalPositioningSystem,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

超宽带基带窄脉冲中含有较丰富的低频分量，所以具有很强的穿透地表、墙壁以及其它物体的能力，可应用于隔墙成像或探地雷达等领域

二、国内外发展现状

2.1国外研究现状

现在有许多公司在进行UWB技术的研究开发工作。

美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组,他采用双相调制技术和IEEE802.15.3MAC协议,传输速率达到100Mb/s。

Intel在2000年成立了UWB研究实验室,其实验室产品在2~3年内能达到100Mb/s的数据速率。

Intel认为UWB在短距离内可以达到400~500Mb/s,因此Intel称UWB为无线USB。

TimeDomain公司利用UWBPPM技术,开发了两代PulsON芯片,第三代PulsON商用产品也即将问世。

2003年1月,Philips和GA签订了一个备忘录,利用Philips在BiCOMS的优势和GA的UWB技术联合开发速率达480Mb/s的UWB芯片组,并支持IEEE802.15.3a标准。

PulseLink公司在2003年第一季度推出了传输速率达400Mb/s的UWB芯片组。

新加坡的Cellonics公司开发了基于非线性动态理论的新技术,他只需要使用一个电感器和一个二极管就可以实现数字调制解调器,不需要混频器、振荡器和锁相环。

该技术可以改善UWB接收器设计中的相关接收,而且简单、成本低,功耗也低。

美国DiscreteTime公司开发了多频段UWB技术,他采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲。

与单频段UWB相比,多频段UWB系统的每频段内可以用较低的速率发送信息,这降低了UWB的成本,具有较好的自适应性,可以与802.11a共存。

目前有不少技术公司都对UWB技术加大了开发力度。

但由于之前UWB技术民用化的政策还没有得到批准,许多UWB技术公司目前主要是通过向美国军方出售UWB技术来维持生计。

如TimeDomain公司2002年在获得了的军方合同以后,其全年总销售收入达到了750万美元,比他在2001年所取得的500万美元的销售额有所增长。

该公司最近已经在开始销售他的第一批UWB芯片集产品。

在FCC批准了UWB技术民用市场之后,在硬件方面,美国MultispectralSolutions公司已经达到了即将开始提供UWB芯片组工业样品的阶段。

在操作系统的支持方面,如果继续使用现有的软件,那么制造商的负担也许并不大,这是因为UWB只不过是相当于接口最下层的物理层规格。

比如,英特尔将UWB定位于/无线USB2.00。

实际上,尽管还面临着如何认证与个人电脑连接的设备等无线技术所特有的问题,但是只需提供用于控制终

端产品的设备驱动程序,基本上就可以直接沿用上层程序。

与此同时,飞利浦电子与美国通用原子公司（GeneralAtomics,GA）已经开始联手进行UWB芯片组的开发工作了。

飞利浦将接受GA的包括多频带技术/关键子频带0在内的UWB相关技术,使用面向RF的BiCMOS技术开

发RF芯片。

GA的关键子频带技术是将UWB的频带分割成15个子频带进行信号传输的技术。

由此我们可以看到,未来UWB的市场前景还是十分广阔的,UWB必将成为今后的主流无线互联标准呈现在我们面前。

早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。

在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。

美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。

民用方面：

由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信（如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等）、雷达（如车辆及航空器碰撞/故障避免，入侵检测和探地雷达等）以及精确定位（如资产跟踪、人员定位等）。

索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。

国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。

2002年5月20～23日，IEEE举办了一期会议，专门讨论UWB技术及其应用。

2002年2月14日，美国联邦通信委员会（FCC）正式通过了将UWB技术应用于民用的议案，定义了三种UWB系统：

成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的EIRP（全向有效辐射功率）分别做了规定。

但是，UWB技术的协议与标准尚未确定，只有美国允许民用UWB器件的使用；

而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况，并观望美国的UWB标准。

2.2国内研究现状

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。

但是国内今天关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面，关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。

在超宽带领域，学者们已提出了众多的接收机设计方案和算法，对不同接收机的评价主要从实现复杂度和性能测度两个方面考虑。

实现复杂度可包括接收机所需的系统参数（假定知识）和计算复杂度两个方面，而性能测度最重要的指标是误码率，对于多用户检测器，还要进一步分析渐近多用户有效性和抗远近能力等指标，对于一些自适应算法，还需考虑收敛速度、稳健性等因素。

最简单的超宽带接收机是能量检测器和匹配滤波器。

能量检测器是一种非相干接收机，其通过检测接收信号能量，并将之与设定的门限相比较，从而判决出数据信息。

能量检测器结构简单，不需要本地模板信号，其误码性能与滤波器带宽、积分时长以及信道的多径特点都有着密切的关系。

匹配滤波器是一种基于相关处理的简单而最优接收机，匹配滤波器将接收信号和发射脉冲模板进行相关运算，再对相关值进行判决。

匹配滤波接收机仅在加性高斯白噪声（AdditiveWhiteGaussionNoise，AWGN）信道下才是最优检测，而在多径信道下，能量检测器和匹配滤波器这两种接收机性能均不理想。

考虑到超宽带信道的特点，为了有效收集多径能量，获得分集增益，Rake接收机被广泛地应用于超宽带系统中。

Rake接收机在结构上是由一组并行的相关器组成，每个相关器（Rake接收机的支路）的模板具有不同的时延，分别对应于不同的多径分量，接收信号首先通过相关器组的相关运算提取出各多径分量，再对多径分量进行合并处理。

显然，Rake接收机的性能依赖于多径分量的选择方式和多径信道的估计。

当选择处理所有多径分量时，即为完全Rake（AllRake，ARake）接收机，ARake接收机的支路数等于多径分量数，其能最大限度地提高信噪比，但其复杂度随支路数的增加而线性增长。

对于包含多达几十甚至上百条多径分量的超宽带信道而言，受实现复杂度的限制，ARake很难实际应用，其通常作为传统Rake接收机理论研究的性能上限。

为了降低实现复杂度，可考虑仅选取全部多径中的L（L值小于总的多径数）条路径进行处理。

若选取的是最先到达的L条多径分量，称之为部分Rake（PartialRake，PRake）接收机，而若选取的是最强的L条多径分量，则称之为选择性Rake（SelectiveRake，SRake）接收机。

PRake较之SRake，由于无需对多径进行选择，因此复杂度较低，但其误码性能不及SRake。

常用的估计算法有最大似然方法、子空间方法、隐藏训练序列方法、自适应方法等。

从实际应用角度考虑，超宽带的典型应用场景可能是PDA、家电产品等用户终端与室内接入点（AccessPoint，AP）之间的通信。

用户终端的接收机往往是低成本的便携设备，采用Rake接收技术会增加接收机的硬件复杂度，为了解决这一问题，可以将复杂的Rake接收处理过程从用户终端侧移到强大的接入点（AP）侧，即预Rake技术（Pre-Rake）。

Pre-Rake技术是在发射侧完成信道估计、分集合并以及均衡等信号处理过程，而在接收侧只需简单的匹配滤波接收机就可实现信号的检测。

Pre-Rake接收机的缺陷是：

对于较长的信道冲激响应，接收侧可能会出现高的误码平台。

为了克服这一点，当超宽带系统中存在多个用户时，为了有效抑制MUI，多用户检测（Multi-UserDetection，MUD）也被应用于超宽带系统中，同一符号信息的多个帧采用MMSE合并；

OMC方案则先将不同帧的同一多径分量采用等增益合并（EqualGainCombining,EGC）得到该多径分量的合并样值，再将多径分量样值采用MMSE合并；

而两步MMSE合并方案是将不同帧和多径分量的采样值分成不同的组，对每组分别采用MMSE合并。

这些次优方案由于是分步实现的，所以大大降低了实现复杂度。

次优多用户检测方案是性能和实现复杂度之间的折衷，更接近于实际应用，因此大部分研究都集中于此。

考虑到所需较少先验知识等因素，一些盲MUD方案更被关注，其中最重要的是盲MMSE检测器，其批处理实现主要包括直接矩阵求逆法（DirectMatrixInversion,DMI）和子空间法（Subspace,SS），但因涉及到矩阵求逆或特征值分解（EigenvalueDecomposition,ED）等问题，这两种方法计算量均很大，且不能满足实时性要求，另外，考虑到无线信道的动态特性，盲自适应MUD方案便成为解决在线实现问题的关键，与两种批处理方法对应的常用自适应算法分别是最小输出能量（MinimumOutputEnergy,MOE）算法和紧缩近似投影子空间跟踪（ProjectionApproximationSubspaceTrackingwithDeflation,PASTd）算法。

然而，随着检测数据维数的增加，自适应滤波器的长度也相应的增加，这导致了计算复杂度的增加及滤波器稳健性的下降。

为了进一步减小算法复杂度，降维自适应滤波技术也受到人们的青睐，包括：

主分量法（PrincipalComponent,PC）、互谱法（CrossSpectral,CS）、辅助向量滤波（AuxiliaryVectorfiltering,AVF）和多级维纳滤波器（Multi-StageWienerFilter,MSWF）等。

其中PC法和CS法均需要通过特征值分解得到降维子空间，运算量较大，相比较而言，MSWF无需特征值分解，具有较低的计算复杂度和接近于满秩MMSE接收机的性能，而AVF与MSWF因具有相同的降秩子空间，所以AVF等效于MSWF，且两者的计算复杂度接近。

基于以上分析，本课题研究的主要工作是：

考虑到超宽带脉冲信号的特点并结合超宽带室内信道传输模型，设计适用于超宽带系统的接收机。

设计接收机时兼顾了误码性能和实现复杂度的要求。

重点解决接收端的干扰抑制和信道估计问题。

对于TH-UWB和DS-UWB两种系统模型，考虑多径、多用户情况，提出了盲Rake接收机、盲多用户检测接收机、盲自适应恒模算法（ConstantModulusAlgorithm，CMA）接收机以及盲自适应降秩接收机等

三、超宽带技术发展趋势

美国国防部于1989年首先使用了"

超宽带"

一词。

那时，超宽带理论及技术已经发展了近30年。

自1994年以来，美国大部分超宽带技术的开发工作不再受到严格应用类别的限制。

由于商业需求日益增长，超宽带技术的开发进程得以大大加快。

两方面的进展刺激了商业需求和商业活动：

1）人们意识到超宽带系统可以与其他使用高得多的频谱密度的通信系统共存而不互相干扰；

2）美国联邦通信委员会的报告及02-48规范。

这份发表于2002年2月14日的报告及规范，定义了共存规则，其中定义了适用于各类超宽带设备的发射指标限制。

这一法律框架刺激了专用超宽带设备市场的诞生并从长远角度激发了人们对标准化产品的强烈兴趣。

超宽带的潜在应用浩如烟海，包括无线局域网（WLAN）、个人区域网（PAN）、近距离雷达系统（汽车感应器、防撞系统、智能高速公路应用系统、液体水平感应装置）、穿透地面雷达系统，以及用于医疗监控或体育训练感应器的人体区域网。

本文的重点放在超宽带的连接应用系统，尤其是无线个人区域网/无线局域网。

众所周知，由于美国联邦通信委员会出于保密原因对超宽带技术做出了一些保守的限制，因而我们将重点放在了无线个人局域网，该网络范围传输距离大约10米，数据传输速率从110Mbps至480Mbps。

如此高的数据传输速率将很容易在用户的起居室里实现数字消费类娱乐设备的多媒体连接应用（DVD、卫星/电缆机顶盒、电视监控器及环绕立体声音频处理设备）。

显而易见，数字相机、及MP3播放机都将从与电脑的无线连接技术中受益，从而为配备了有线USB2.0或IEEE1394技术的设备增添额外的价值，并有可能最终使有线连接成为历史。

我们还可以设想多房间应用场景，尽管这将对现有的信号处理技术提出严峻的挑战，因为要求保持低发射功率的限制，将使信号在3-10GHz的频率范围内穿透墙面变得非常困难。

尽管处于对未来无法预测的时期，随着越来越多的消费者将超宽带技术接纳为家用多媒体连接产品，标准化进程被看作是实现广泛市场潜力的重要举措。

能够与自身或相邻的非协调超宽带微微网络共存也非常重要。

尽管需要解决的问题仍然很多，包括飞利浦公司在内的众多业界专家，都在潜心致力于寻找合适的方法整合现有标准，以合理的价格为最终用户带来标准化的产品。

四、总结

4.1全文总结

基于超宽带技术的无线个人区域网在多媒体设备互连、家庭和个人网络方面极大地提高了系统性能，这意味着UWB将会在无线通信领域的主导技术之一。

超宽带是无线通信领域涌现出的极具发展潜力的技术，它采用低占空比因子（小于0.5%）的极窄脉冲（纳秒量级）发射和接收信息，相应地，其具有很宽的带宽（吉赫兹量级），可提供高速的数据传输，而极低的辐射限制（不超过-41.3dBm/MHz）又使得超宽带系统可与已有的无线系统共存，为稀缺的频谱资源利用问题开辟了新的解决途径。

与其它无线通信技术相比，超宽带技术具有一些独特优势，如高速率、大容量、低功耗、低成本、多径分辨率高、精确定位等，在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。

因此也激起了人们对其研究的极大兴趣。

本文对超宽带系统的接收检测技术做了较深入的研究，主要的研究内容和成果如下：

（1）超宽带通信系统的设计、测试以及物理层技术的评估都依赖于对信道的研究，随着超宽带应用领域的不断扩展，超宽带信道模型的研究也不断深入，已有的超宽带信道模型包括：

室内信道模型、室外信道模型、实验室环境信道模型、交通工具内信道模型等。

本文对煤矿井下超宽带信道模型进一步研究，采用自回归（AR）方法对多径信道进行了建模，并对信道特征参数进行了仿真和分析，为超宽带技术应用于煤矿井下提供了参考。

（2）针对传统Rake接收机不能消除多用户干扰的缺陷，本文提出了一种适用于多用户环境下盲Rake接收机。

该接收机首先利用跳时码的良好相关性设计滤波器，消除部分多用户干扰和码间干扰；

再对滤波器的输出数据采用紧缩近似投影子空间跟踪方法进行信道估计并实现最大比合并，进一步提