超宽带UWB无线通信技术

超宽带（超宽带（UWB）无线通信技术无线通信技术报 告：邓双成2004-12-24UWB无线通信技术介绍无线通信技术介绍nUWB技术背景和概述技术背景和概述 nUWB通信的信号形式通信的信号形式nUWB无线室内信道特性无线室内信道特性 nUWB通信的实现方案通信的实现方案 UWB技术背景和概述技术背景和概述n超超宽宽带带(Ultra Wideband,UWB)无无线线通通信信的的历历史史可可以以追追溯溯到到上上个个世世纪纪50年年代代，早早期期的的超超宽宽带带系系统统利利用用占占用用频频带带极极宽宽的的超超短短基基带带脉脉冲冲进进行行通通信信，主主要要应应用用于于军军用用的的雷雷达达，以以及低截获率及低截获率/低侦测率的通信系统。低侦测率的通信系统。UWB技术背景和概述技术背景和概述n2002年年4月月，美美国国联联邦邦通通信信委委员员会会(FCC)发发布布了了民民用用UWB设设备备使使用用频频谱谱和和功功率率的的初初步步规规定定。规规定定中中将将相相对对带带宽宽大大于于0.2或或在在传传输输的的任任何何时时刻刻带带宽宽大大于于500MHz的的通通信信系系统统称称为为UWB系系统。统。nFCC对对UWB系系统统所所使使用用的的频频谱谱范范围围规规定定为为，发发射射机机的的有有效效各各向向同同性性发发射射功功率率不不得得高高于于-41.3dBm/MHz，如图，如图1所示。所示。UWB技术背景和概述技术背景和概述图1 FCC 规定的室内UWB发射功率和频谱限制1.6 1.92.4Bluetooth,802.11bCordless PhonesMicrowave OvensGPSPCS5802.11a-41 dBm/MHz“Part 15 Limit”UWB SpectrumFrequency(GHz)EmittedSignalPower10.63.1UWB通信的信号形式通信的信号形式n基带窄脉冲形式基带窄脉冲形式n基带窄脉冲形式是UWB通信最早采用的信号形式，一般来说它的工作脉宽是纳秒级的。典型基带窄脉冲是单周期高斯脉冲。其对应的时域和频域的数学模型可以表示为：式中，A为脉冲的峰值幅度，是一个时间延迟长度，等于脉冲持续时间。UWB通信的信号形式通信的信号形式n基带窄脉冲形式基带窄脉冲形式图2 单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性UWB通信的信号形式通信的信号形式n基带窄脉冲形式基带窄脉冲形式图3 一种频谱利用率高的UWB窄脉冲的时域波形和频域波形UWB通信的信号形式通信的信号形式n调制载波形式调制载波形式n调制载波形式通过调制载波,将UWB信号搬移到合适的频段进行传输,从而可更加灵活、有效地利用频谱源。n调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方法类似,技术成熟度高,在目前的工艺条件下,比基带窄脉冲形式更容易实现高速系统。n典型的调制载波信号方案是多带时频交织频分复用(MB-TFI-OFDM)方案和单载波直接序列码分多址(DS-CDMA)方案。UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n多径的到达特性多径的到达特性 nUWB无线室内信道多径的到达采用了两个泊松随机过程来描述路径的到达，其中第一个泊松随机过程描述了簇(clusters)的到达，第二个泊松随机过程描述了每簇中电波(rays)的到达。u簇到达的时间分布：u簇中路径到达的时间分布：u信道冲激响应模型：UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n多径的到达特性多径的到达特性 信道类型CM1CM2CM3CM4簇的到达率 （1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路径的到达率 （1/ns）2.50.52.12.1NP10dB(幅度低于峰值10dB得多径数目)12.515.324.941.2NP(85%)（85%能量捕获的多径数目）20.833.964.7123.3表表1 不同信道环境下多径到达率和平均多径数目的统计结果不同信道环境下多径到达率和平均多径数目的统计结果UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n多径衰落的统计特性多径衰落的统计特性 u文献6表明多径的幅度衰落最合适用对数正态分布或Nakagami分布来描述。u文献7表明路径衰落可以用莱斯分布来表示，其中莱斯因子为-9dB。u文献8表明接收功率与均值的偏差服从瑞利分布。u文献9表明多径的幅度衰落最合适用Gamma分布来表示。UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n多径衰落的统计特性多径衰落的统计特性n当多径幅度衰落服从对数正态分布时，可表示为下列关系式。n其中 表示大范围对数衰落的标准差，表示小范围对数衰落的标准差，表示均值。n文献6中给出根据实际的测量结果统计得到的模型参数为：dB，dB UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n多径衰落的统计特性多径衰落的统计特性 图4 UWB信号的信道冲激响应曲线UWB无线室内信道特性无线室内信道特性n路径损失和阴影衰落特性路径损失和阴影衰落特性n路径损失表示为：n 是参考距离的路径损失，是信号中心频率对应的波长，是收发天线间的距离，表示阴影衰落。n一般认为在UWB信道下阴影衰落服从均值为0的对数正态分布。n视线传播时，路径损失指数n一般小于自由空间中路径损失指数的值。UWB通信的实现方案通信的实现方案n无载波脉冲方案无载波脉冲方案 图5 无载波脉冲位置调制UWB通信系统UWB通信的实现方案通信的实现方案n无载波脉冲方案无载波脉冲方案 u无载波脉冲方案是UWB通信的传统方式，也是目前文献中介绍得最多的方式。u无载波脉冲方案中，常采用跳时(TH)和直接序列扩频(DSSS)的多址方案。u无载波脉冲方案中，收发信机结构简单，实现成本低。但频谱利用率不高。UWB通信的实现方案通信的实现方案n单载波单载波DS-CDMA方案方案 图6 单载波DS-CDMA信号频谱表2.典型单载波DS-CDMA UWB 系统的部分参数UWB通信的实现方案通信的实现方案nMB-TFI-OFDM方案方案uMB-TFI-OFDM系统中，将可用的频段分为多个子频带，每个子频带带宽大于500MHz。每个子频带的信号为一个OFDM 信号，它由许多个正交的子载波信号合成。uMB-TFI-OFDM方案在频谱利用方面有很高的灵活性。uMB-TFI-OFDM可以与FDMA、CDMA、TDMA等多址方式相结合，进行灵活多样的多址方案的设计。UWB通信的实现方案通信的实现方案nMB-TFI-OFDM方案方案 表3.典型MB-TFI-OFDM UWB 系统的部分参数UWB技术在个人无线通信中的应用技术在个人无线通信中的应用camerascamerasCECEClusterClusterHDTVHDTVSTBsSTBsVCRsVCRsPVRsPVRscamcorderscamcordersconsole console gamesgamesaudioaudiosystemssystemsMobileMobileClusterClusterhandheld PCshandheld PCstabletstabletsMP3MP3PDAsPDAsmobile mobile phonephone3G3Ghandsetshandsetscamera camera phonesphoneslaptopslaptopsprintersprintersspeakersspeakersPCPCClusterClusterstoragestoragedevicesdevicesScannersScannersscannersscannersDVDDVDplayersplayers参考文献参考文献n1 J.D.Taylor.Introduction to Ultra Wideband Radar SystemsM.Boca Raton:CRC,1995.n2 FCC.FCC Notice of Proposed Rule Making,Revision of Part 15 of the Commissions Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission SystemsDB/OL.http:/www.fcc.gov.2002-4.n3 张在琛,毕光国.超宽带无线通信技术及其应用J.移动通信,2004,1:1-10.n4 A.Batra.Multi-band OFDM Physical Layer Proposal of IEEE 802.15 Task Group 3aDB/OL.http:/www.multibandofdm.org/papers/MultiBand_OFDM_Physical_Layer_Proposal_for_IEEE_802.15.3a_Sept_04.pdfDB/OL.2004-9-14.n5 R.Roberts.XtremeSpectrum CFP document.http:/www.grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/Mar03/03154r0P802-15_TG3a-XtremeSpectrum-CFP-Document.pdfDB/OL.2003-3.n6 ,A.Molisch.A Channel Model for Ultrawideband Indoor CommunicationDB/OL.http:/ n7 J.Kunisch,J.Pamp.Measurement Results and Modeling Aspects for the UWB Radio ChannelA.UWBST(C).Baltimore:IEEE,2002.1924.n8 ,.Evaluation of an Ultrawide-band Propagation ChannelJ.IEEE Trans on Antennas Propagation,2002,50(5):561-570.n9 D.Cassioli,.A Statistical Model for the UWB Indoor ChannelA.Vehicular Technology ConferenceC.Israel:IEEE,2001.11591163.n10 L.Rusch,C.Prettie,D.Cheung,Q.Li,M.Ho.Characterization of UWB Propagation from 2 to 8 GHz in a Residential EnvironmentDB/OL.http:/.2004-2-20.n11 Sumit Roy,Jeff R.Foerster,V.Srinivasa Somayazulu,Dave G.Leeper.Ultrawideband Radio Desigan:the Promise of High-speed,Short-range Wireless ConnectivityJ.Proceedings of the IEEE,2004,92(2),:295-311.Thank you !