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超宽带无线通信关键技术解析

通讯与庖视

超宽带无线通信关键技术

周先军，胡修林，张蕴玉，王甲池

（华中科技大学电子与信息工程系，湖北武汉４３００７４）

摘

要：

介绍了超宽带（ＵＷＢ）无线通信技术的基本概念和主要的实现方案，对其中的关键技术现

状进行了剖析，并简要说明了超宽带两种候选标准的特点。

关键词：

超宽带无线通信同步

随着各种无线通信系统相继出现，可利用的频谱资源日趋饱和，使超宽带技术引起了人们的广泛重视。

２００２年２月ＦＣＣ对超宽带使用发布无许可证使用后，超宽带技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一【１≈】。

所谓超宽带，根据ＦＣＣ的定义，是指信号的一１０ｄＢ相对带宽大于０．２，或绝对带宽不小于５００ＭＨｚ。

其中相

对带宽是指

盎＝２临面）／俯啦）．

（１）

这里矗、．五分别对应上限和下限频率。

为了不影响频谱范围内的其它通信系统，超宽带系统的发射功率受到了严格的限制。

在室内通信的３．１ＧＨｚ～１０．６ＧＨｚ频段内，信号功率严格规定要低于０．５６ＩｎＷ，对应４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚ，

如图１。

ｕＷＢ无线通信的历史可以追溯到１９４２年Ｒｏｓａ提交的随机脉冲系统的专利，从其出现到二十世纪９０年代之前，ＵＷＢ技术主要采用其最初的脉冲形式。

早期的ＵＷＢ系统利用频带极宽的超短脉冲进行通信，通常又称为基带、无载波或脉冲系统。

近年来，开始用于民用高速无线通信领域，并有了较大的发展和变化，产生了载波调制的直接序列码分多址和多载波正交频分复用等多种实现方式。

窄带与宽带系统相比，超宽带的特点是：

（１）共享频谱。

ＵＷＢ不是独占新的频谱，而是与其

它系统共享频谱，在７５００ＭＨｚ的大带宽内，通过严格限制发射功率，从而避免了对其它系统的干扰。

这样的频谱使用方式，在频谱资源日益稀缺的今天具有重要意义。

（２）速率高、成本低、功耗低。

ＵＷＢ通信采用冲击脉冲形式，因为是基带传输，系统相对简单．；而低占空比使系统功耗很低；ＵＷＢ极宽的频谱，使ＵＷＢ系统传输速率可达１Ｇｂｐｓ以上，在目前的无线通信技术中，只有ＵＷＢ技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求。

（３）信号衰减较小，穿透力强。

采用基带窄脉冲形式的ＵＷＢ信号，具有适当波形的ＵＷＢ脉冲具有较强的定向性，衰减很慢。

另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传播时可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物。

（４）低侦听率。

ＵＷＢ信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频等多址接入技术，使非授权者很难截获传输信息，因而安全性非常好。

（５）抗多径能力强。

由于冲击脉冲持续时间极短，而占空比很大，这一传输方式具有良好的多径分辨性，使Ｒａｋｅ接收容易实现。

１无载波方案

无载波脉冲方案为ＵＷＢ通信的传统方式，信息由冲击脉冲携带，单脉冲的宽度极窄，一般在亚纳秒级，且占空比相当小，为１％，甚至为０．１％，具有极强的多径

万方数据

通讯与危视

典型情况下，经过收发天线和信道传播，接收部分收到的脉冲信号为单周高斯脉冲，接收天线处的输出信

号的时域波形如图２所示，函数形式为…：

ｏ

旨

量釜暖牡窨雨擎档

埘ｃｔ，＝辱（・一（争‘）２）ｅｘｐ（・一三一（丢＿）２）ｃ２，

ｔ（ｎ８）

图２接收系统收到的等效信号形式

其中，盯为脉冲的有效持续时间长度，超宽带通信中的发射信号ｓ（ｆ）对于捕获部分而言，将等效为：

ｓ（￡）＝乞埘（￡一劝

（３）

』＝Ｏ

其中，乃为脉冲发射间隔时间，又称一帧的持续时间。

１．２信号调制

ＵＷＢ中的每一比特信息由Ⅳ，个脉冲调制实现传输。

信息调制方式有脉冲幅度调制（ＰＡＭ）、脉冲位置调制（ＰＰＭ）、二相键控（ＢＰＳＫ）、开关键控（００Ｋ）等；而信道调制使用跳时方式（ＴＨ）或直接序列扩频（ＤＳ）进行多址接入。

近来有文献探讨脉冲形状调制（ＰｓＭ）进行多址接

入。

以ＴＨ—ＰＰＭ为例，分析超宽带信号的信号调制特点，其第．ｊ｝个用户的等效发射脉冲序列为：

ｓ（￡）＝乞ｔｃＩ（￡０乃ｒｑ‘‘’瓦一剐ｕ小】）

（４）

』＝０

为避免信息码间干扰，规定ｃ。

＝ｃ州＝０，以＞Ⅳ，。

发射

数据为二元数据信息（０，１），当发送比特１时，每个脉冲的实际发射时间比标称时间晚６；发送比特０时，每个脉冲的实际发射时间比标称时间早６。

６为脉位调制步长，一般取脉冲宽度Ｌ的１／４。

对应（Ｏ，１），ｄ取（１，一１），第＿『

个脉冲的开始时刻改变为．『聃ｑ晴’瓦＋甜ｕ腓】，ｋ】为茹的数

据取整。

这一调制方式下，每一符号持续时间为Ｅ＝巩乃，信息传送速率为尼＝１／Ｅ＝１／巩乃。

因信息数据随机分布，传输信号功率谱进一步被平滑。

当多址接入系统中存在帆个发射用户时，接收到的信号形式为…：

Ｍ

∞

Ｌ—ｌ

ｒ（￡）＝∑∑∑Ａ觯删（ｆ√弓一ｑ（Ｉ）丁一甜ｕ川一九一ｎ）＋ｎ（￡）（５）

《电子技术应用》２００５年第１０期

Ａ“死分别表示用户到达接收机时的幅度衰减量和

时延量。

１．３信道建模

与窄带不同，７５００ＭＨｚ带宽决定了ＵＷＢ技术具有极高的时间分辨率，使得不同路径到达的信号能够分集接收，从而超宽带对衰落效应并不敏感。

建立尽可能准确的信道模型，直接关系着信号准确接收的实现程度。

广泛认可的室内多径传播信道模型是Ｓ—Ｖ模型。

该

模型认为【４】，信道在一次连续发射脉冲过程中保持不变。

多径信号以簇集方式传播，簇信号的形成与环境建筑物结构相关，簇内径信号与收发器邻近物体相关。

而且，接收信号相位独立，均匀分布，簇信号和簇内径信号到达服从Ｐｏｉｓｓｏｎ过程，参数分别为Ａ和Ａ，信号幅度对应簇信号和簇内径信号的延迟按指数衰减，两者的衰减参照系数分别为常数，和ｙ。

如果以正（Ｚ＝０，１，２，…）标记簇信号的到达时间，以“．２

（晟＝０，１，２，…）标记第Ｚ簇内以第０条径时刻为起点第五条径的到达时间。

这样，霸和ｎ．ｚ的概率密度函数为：

ｐ（乃ｌ死一－）＝Ａｅｘｐ［一Ａ（乃一乃一－）］，Ｚ＞０（６）ｐ（ｎ，ｆｌ仉“ｆ）＝Ａｅｘｐ卜Ａ（％，广ｎ－１．ｆ）】，詹＞０（７）

信道的冲击响应为：

＾（ｔ）＝∑ｚ：

。

∑Ｉ：

ｏ反，ｚ６（ｆ一兀一九．ｆ）（８）

这里，岛，；标记各径的增益系数，服从瑞利分布，均

值为：

角，ｆ２＝伊（乃，巩，ｆ）＝胪（Ｏ，ｏ）ｅｘｐ（一无／厂）ｅｘｐ（一ｎ．ｆ／７）（９）

其中，伊（０，０）是第０簇第０径的平均功率增益。

对

信号传输信道，信道冲击响应＾（ｔ）为：

Ｌ一１

＾（ｆ）＝乞ｄ西（￡一ｎ）

（１０）

Ｚ＝０

１．４同步算法

ＵＷＢ的同步也分作两步，分别是捕获和跟踪。

前者指估计相位与实际相位相差较大，如一帧时间或者指估计相位与实际相位相差几个脉冲持续时间，这里主要关注其中的捕获。

脉冲信号经过信道，到达接收部分，接收装置必须良好同步才能保证信号的正确接收。

与直扩的捕获相比，ＵＷＢ的同步要困难许多。

这是因为，脉冲持续时间为纳秒量级，简单使用匹配滤波器显然根本不可能进行捕获；而使用滑动相关，由于搜索位置的极大，需要难以忍受的漫长搜索时间。

多径效应、信号低功率、跳时的运用等将进一步加剧ＵＷＢ无线通信的同步难度，因此，需要采取精致的捕获算法。

当前，已有一些捕获算法的探索，如不考虑噪声时的比特反转法、不考虑多径下的编码法、循环平稳下的盲定时器、辅助数据下的极大似然法，以及使用信号自身进行相关的“脏模板”法。

另外，还有使用优化测试数法、同时发射参考信号法。

这些捕获算法均只适用于某

本刊邮箱：

ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ

５１

万方数据

通讯与窟视

种特定条件，需要进一步研究鲁棒性良好的同步算法。

作为一种有趣的捕获算法，比特反转法利用了信号的多径成簇到达性，所求延时Ｌ以密集形式分布在一定区域，应用某种跳转方式是可行的。

本文使用比特反转

法（ｂｉｔ

ｒｅｖｅｒｓｅ

ｍｅｔｈｏｄ），这一算法的策略是对待测单元进

行２的次幂编码，如有３２位待测单元，在传统滑动相关的搜索次序是０，１，２，…，１４，１５；而使用比特反转法，由

００００，０００１，００１０，００１１，…，１１１０，１１１１这样的次序，比特

反转后，次序为００００，１０００，０１００，１１００，…，０１１１，１１１１。

使用这一算法，将极大地减小脉冲对齐的搜索时间。

运用传统线性滑动相关法，对探测区域Ⅳ进行顺次滑动探测，有平均探测次数【５】：

Ｅ（ｒ）：

盟尘掣

（１１）

二』Ｖ

这里Ⅳ为待测位置数，．，为终止探测的位置总数。

使

用比特反转法搜索对齐位置的平均时间有：

即）＝争（等＋・）

（１２）

以这一思想为基础，笔者提出了一种基于协议的超宽带捕获算法。

即在同步开始阶段，使用比特反转法对均匀发射脉冲迅速实现对齐，接收端进入跳时，等待发射端跳时调制，由再次探测到导频信号与模板信号的相关积累超过门限，接收端进入捕获证实阶段。

受“脏模板”法［２１的启发，提出了基于脏模板的捕获算法。

即在发射伪随机导频码，通过对导频码的捕获确认实现信息发送前的同步，而在信息发送过程中，利用信息自身的平稳性和相关统计结果来监督发送过程的同步。

具体而言，如果信号满足对七∈［０，Ｋ一１］，有ｓ（而）＝一ｓ（＿ｊ｝＋２），即发送信号为｛１，１，一１，一ｌ，…），｛１，一１，一１，ｌ，

…），｛一１，１，１，一ｌ，…ｌ，或者｛－１，一１，１，１，…）。

就可以构造

满足这一特性的伪随机信号来做导频信号，对这样的导频序列如果同步算法能够获得这样的解调结果，捕获过程就进入捕获确认环节。

这样，对室内信道下的ＵＷＢ信号捕获，提供了一种性能良好的同步算法。

所采用方案使用帧速率的采样率，降低了同步时所需采样率的要求。

２调制载波方案

早期的无载波脉冲ＵＷＢ通信系统，直接利用基带简单脉冲波形进行通信，与传统的通信系统相比，收发信机结构简单，实现成本低。

但在ＦＣＣ关于ＵＷＢ通信

数据源

ＩＦ丌：

快速Ｆｏ耐ｅｒ反变换

０ＦＤＭ：

正交频分复用ＤＡＣ：

模数变换

卷积码Ｉ

、Ｉ信道

编码器ｒ１交织

星座映射

串并变换

功率谱的规定下，频谱利用率不高，可以通过脉冲波形优化设计加以改善。

而另一条途径就是采用载波调制的方式，将ＵＷＢ信号搬移到合适的频段进行传输，从而可以更加灵活、高效地利用频谱资源。

目前，有两个候选方案：

Ｉｍｅｌ、Ⅱ等公司支持的频分

复用（ＯＦＤＭ—ＵＷＢ）方案和Ｍｏｔｏｍａｌ、ＸｔｒｅｍｅＳｐｅｃｔｍｍ等公

司支持的单载波直接序列一码分多址（ＤＳＣ—ＵＷＢ）方案，它们都采用了调制载波的信号形式。

２．１单载波方案（ＤＳＣ—ＵＷＢ）

这一方案的基本思想是同时使用整个７５００ＭＨｚ。

如图３【６１所示的一种单载波ＵＷＢ方案有两个可用

频段：

低频段和高频段，ＵＷＢ信号可以通过对载波的调

制，在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传输。

为了避免与ＵＮＩＩ频段系统的干扰，两个频段之间的部分没有利用。

该方案与传统的通信有很多相似之处，同时具有ＵＷＢ的特点和优点。

ＧＨｚ

３

４

５

６

７

８９１０１ｌ

图３一种ＤＳＣ—ＵＷＢ方案的信号频谱示意图

多径效应相关的时延将导致符号间干扰，这一特性是单载波方案需要解决的关键问题。

要克服多径衰落干扰影响，信道所传输的最佳信号形式也应是具有白噪声统计特性的信号形式，而ＰＮ序列周期愈长，接收端同步所需时间必然加长，因此在信号设计时应当合理选择。

另外，单载波方案传输带宽大，对应接收部分需要快速转换电路。

２．２多载波方案（ＯＦＤＭ—ＵＷＢ）

这一方案的基本思想是多个波段分时使用，波段之

和为７５００ＭＨｚ。

在０ＦＤＭ系统中，将可用的频段分为多个子带，每个子带带宽大于５００ＭＨｚ，由多个正交的子载波信号“堆积”成一个ＵＷＢ信号。

图４【６１为一种采用时频交织技术的ＵＷＢ通信系统

保护间隔

循环前缀

并串变换

０ＦＤＭ

符号产生

ＤＡＣ

Ｉ盟塑里卜＿叫塞鎏主竺Ｉ

图４一种０ＦＤＭ—ＵＷＢ通信系统框图

５２

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《电子技术应用》２００５年第１０期

Ｏ５

０

５

Ｏ

５

Ｏ

５

０

一

ｏｏ乞之ｏｏｏ　

万方数据

通讯与皂视

发送端框图。

与传统的０ＦＤＭ系统比较，符号长度、子载波间隔、循环前缀长度等具体参数有较大差别。

当子载波数较大时，各子载波幅度谱叠加的总信号幅度谱有很好的矩形特性，因此可以充分利用频谱资源。

该方案在频谱利用方面有很高的灵活性，可以自适应根据传输信道的干扰情况，调整各子频带的发射功率或取消特定子频带的发射，以有效地降低干扰，提高网络性能，还可以通过抑制相应的子载波，更加精确地控制合成信号的频谱形状。

这一方案保留了无载波时的超带宽，同时克服了无

载波方案因极短脉冲而导致的Ａ／Ｄ转换困难，使性能

获得了极大改善，是目前最看好的ＵＷＢ技术，其代价是增加了硬件复杂度，如发射部分需要快速频率转换，且增加了大量数据处理负担。

７５００ＭＨｚ的免许可证带宽，给ＵＷＢ的研究和应用带来了无限机遇，但极低的功率谱密度以及至少５００ＭＨｚ的带宽需要在超宽带的系统级和各个环节进行

精巧的构思。

超宽带技术起步于冲击脉冲，在现代信息处理方式

下，发展了载波方案，特别是多载波的ＯＦＤＭ方案获得了更多知名商家和重要学术机构的支持。

ＵＷＢ技术以

极低的功耗和很低的成本实现很多其它技术难以实现的应用，各种先进的无线通信技术，都可以应用在ＵＷＢ

系统中。

ＵＷＢ无线通信技术应用广泛、市场巨大，国际上

帘｛尘帘趟；尔出尔趟；带出尔出尔＠乖出乖出：

带！

矫《矫±２尔出尔出尔出尔＠带＠帝也尔出乖出尔出乖：

全球虚拟仪器技术盛会ＮⅢａｙｓ

２００５

ＵＷＢ的研发如火如茶，迫切需要积极进行ＵＷＢ的研发，开发拥有独立自主知识产权的技术，制定自己的技术标准，为产业化铺平道路。

本文希望通过对ＵＷＢ的介绍，增进对这一领域关键技术的了解，促进我国在这一领域的研发工作，为即将到来的ＵＷＢ产品国际化竞争做好准备。

参考文献

１

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Ｕｌｔｒａ—ＷｉｄｅｂａｎｄＳｙｓｔ．＆Ｔｅｃｈｎ０１．，Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，ＭＤ，２００２：

１０５～１１０

６张在琛，毕光国．超宽带无线通信技术及其应用．移动通信，２００４；（１增刊）：

１１０～１１４

（收稿日期：

２００５一０５—１５）

１５尔出乔出带出带出乔出帝出尔出不出尔出乖出希出乔出尔出乔出乔出尔出尔出尔出尔＠尔出尔出秕斜≤

连续第七年登陆中国诚邀您的参与！

蓬

葫美国国家仪器有限公司（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｍｍｅｎｔｓ，简称ＮＩ）２００５至２００６年度的全球巡回虚拟仪器技术盛会ＮＩＤａｙｓ

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蠹

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萄

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［美国国家仪器有限公司供稿］

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《电子技术应用》２００５年第１０期

本刊邮箱：

ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ

５３

万方数据

超宽带无线通信关键技术

作者：

周先军，胡修林，张蕴玉，王甲池

作者单位：

华中科技大学,电子与信息工程系,湖北,武汉,430074刊名：

电子技术应用

英文刊名：

APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE年，卷（期：

2005，31（10被引用次数：

4次

参考文献（6条

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6.张在琛.毕光国超宽带无线通信技术及其应用[期刊论文]-移动通信2004（ZK

相似文献（10条

1.期刊论文杨晓东.陈君.丁芩华.王松.YANGXiao-dong.CHENJun.DINGQin-hua.WANGSong超宽带无线通信与声表面波宽带信号处理技术-压电与声光2009,31（3

介绍了超宽带（UWB无线通信的技术及特点,与传统窄带无线系统进行了性能比较,指出了超宽带无线通信四大关键技术是:

超宽带无线通信脉冲信号的波形设计;超宽带无线通信脉冲信号编码与调制方式;超宽带无线通信信号的检测;超宽带无线通信系统中的同步捕获技术;分析了超宽带尤线通信系统军用的潜在市场,最后阐述了SAW宽带信号处理技术在UWB通信系统中的应用.

2.学位论文马惠珠超宽带无线通信关键技术研究2006

超宽带无线通信技术由于其极高的数据传输速率、较少的功率消耗和强大的抗多径干扰能力等优点，已经成为当今无线通信领域研究和开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。

本文针对超宽带无线通信中面临的几个关键问题，进行了理论研究和仿真实验。

研究工作主要从理论基础、相关算法分析等方面进行，并在此基础上有针对性地提出新的解决方案；通过仿真实验对所提出的算法的有效性进行了验证。

考虑到超宽带信号波形设计、超宽带无线信道测量和接收机的同步技术都是超宽带无线通信中的关键技术，本文着重从这三个方面入手，探讨如何对这三个方面的相关技术加以改进并有所突破，从而对超宽带无线通信系统的整体性能改善有所帮助。

所有这些工作为超宽带无线通信系统的实用化研究和实践进行了必要的前期准备工作。

本课题研究的主要内容和创新点如下：

1、介绍了超宽带无线通信系统中涉及到的基本概念及原理。

对本论文中所涉及的超宽带无线通信技术实现的一般原理、基本概念进行了简要的阐述，如超宽带无线通信技术中的多址方式、调制方法等，以便为后续的深入讨论进行必要的铺垫。

同时，对超宽带无线通信技术的发展史、研究现状以及目前各国学者研究工作中所面临的主要问题等也进行了概述。

2、提出了一种新的超宽带无线通信系统中的波形设计方案。

在美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC关于超宽带无线通信辐射限制之下，通过对基本脉冲发射波形的优化设计可以提高频谱利用率，并在一定程度上对超宽带无线系统的性能加以改善。

本文在介绍现有超宽带基本脉冲波形的基础上，提出了一种基于Lengendre多项式的新的波形设计方案，该方案具有备选波形数量多、根据不同需要选择余地较大、参数调整灵活以及与FCC辐射限制相匹配等特点。

3、提出了超宽带无线信道测量中一种新的解卷积算法-R-CLEAN算法。

信道测量是建立信道统计模型的基础和前提，而统计模型的适应范围是进行统计测量的一类特定信道环境。

虽然国外研究机构针对各自的应用环境进行的测量比较全面，具有一定的普遍性和适应性，但是这些环境中的测量结论是否与我国未来超宽带无线通信系统应用的主要环境一致必须通过对我国相应环境的测量获得。

而我国目前尚无对室内超宽带无线信道的测量，也缺少相关信道测量的理论和方法。

因此，研究超宽带无线信道的测量及数据处理方法就成为我国超宽带无线信道研究方面迫切需要解决的问题。

确定超宽带无线信道的单位冲激响应是建立信道模型的关键。

本文所提出的R-CLEAN算法，克服了通常所采用的用于解卷积的CLEAN算法所存在的部分局限性。

传统CLEAN算法，采用单一或多个模板信号，只考虑到了收发天线的不同角度对发射