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1、超宽带无线通信技术超宽带无线通信技术徐微2011.10.12目录超宽带的定义超宽带的定义 1超宽带的特点和应用超宽带的特点和应用 2超宽带的传输方式超宽带的传输方式3超宽带的信道模型超宽带的信道模型 4超宽带的关键技术超宽带的关键技术 5超宽带的定义Ultra-Wideband(UWB)Wireless Communication 美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）超宽带的定义超宽带信号的辐射掩蔽室内UWB设备辐射掩蔽室外手持设备 为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将超宽带系统的发射功率限定在一定范围内，即在超宽带通信频率范围内
2、的每个频率上都规定一个最大的允许功率，这个功率值一般通过辐射掩蔽（emission mask）来决定.超宽带的特点1、共存性能好超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信使用的频谱范围从3.1GHz到10.6GHz，频谱宽度高达7.5GHz，通过发射功率的限制，避免了对其他通信系统的干扰。从上图 中可以看到，超宽带信号的最高辐射功率为-41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这样在很低的功率谱密度下共享频谱的方式，在频谱资源非常紧张的今天具有极其重要的意义，这也是超宽带兴起和发展的主要原因之一.超宽带的特点2、信道容量大，传输速率高 香农信道容量公式超宽带信号占有数百兆赫
3、兹（MHz）甚至几吉赫兹（GHz）带宽，理论上可以提供极高的信道容量，达到Gbps以上的传输速率，或者在很低的信噪比下，以一定的传输速率实现可靠传输。假定一个超宽带信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时，超宽带可以提供的信道容量为C=7Glog2（1+0.1）0.963Gbps，接近1Gbps。数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。超宽带的特点3、低成本，低功耗脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，因此，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器，接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机的
4、硬件实现复杂性和成本。同时，为了避免对现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间供电。超宽带的特点4、信号衰减小，穿透能力强 正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反比，在密集多径情况下，信号的功率衰减更是与距离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号为定向窄脉冲，不需要载波，具有较强的方向性，在相同的功率下，比正弦电磁波的衰减更小。同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波具有较强的穿透能力，能够穿透多种材料，使其可以应用于成像、检测、监视和测量等领域。超宽带的特点5、定位精度高由于脉冲超宽带具有较强的穿透能力，因此可以用于各
5、种环境下的测距和定位。系统的定位精度与信号的频谱宽度直接相关，频谱越宽，时间分辨率越高。脉冲超宽带发射极短的基带窄脉冲信号具有很高的定位精度，其带宽通常在数GHz，所以理论上其定位精度可达厘米量级。研究表明，与GPS全球定位系统相比，超宽带技术具有更高的定位精度。技技术GPS BluetoothIEEE802.11 UWB 定位精度定位精度 5-20m3m3m15cm超宽带的特点6、保密和安全性能好超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境噪声和其他信号中，同时又具有极宽的带宽，很难被基于频谱搜索的侦测设备检测到。同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式，包括：跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频等，
6、在接收端必须采用与发射端一致的扩频码才能正确的解调数据，这使得使非合法用户很难获取合法用户的传输信息，系统的安全性和保密性非常高。与其它短距离无线技术的比较UWB蓝牙802.11aHomeRF速率（bps）最高达1G1M54M12M距离（米）10101010050功率1毫瓦以下1100毫瓦1瓦以上1瓦以上超宽带的应用u通信UWB系统带宽极大，可支持大的信道容量，同时系统功率受限，只能传播较短距离，因此UWB技术特别适合于短距离高速无线通信。例如基于UWB技术的无线USB 2.0，可取代有线USB,实现PC之间及消费类电子设备（电视、数码相机、DVD播放器、MP3等）之间的无线数据互连与通信。无
7、线个域网(WPAN)、高速智能无线局域网、智能交通系统，公路信息服务系统，汽车检测系统，舰船、飞机内部通信系统，楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话，战术组网电台，非视距超宽带电台，战术/战略通信电台，保密无线宽带因特网接入等等 超宽带的应用超宽带的应用u雷达、探测超宽带依赖于极微弱的、与雷达中所使用的相近的基带窄脉冲，具有很强的穿透能力，能穿透树叶、墙壁、地表、云层等障碍，辨别出障碍物后隐藏的物体或运动着的物体，测距精度的误差只有一两厘米。可以应用在：穿墙雷达、安全监视、透地探测雷达、工业机器人控制、监视和入侵检测、道路及建筑检测、贮藏罐内容探测等。超宽带的应用u测距,定位超宽带信号在户内和户外都
8、可以提供精确地定位信息，在军事和民用上都有广泛的应用。例如在敌方领土上营救人员，儿童搜寻，寻找丢失的宠物和行李，跟踪、搜索和解救人员，定位贵重的物品的位置等等超宽带信号模型根据传输技术不同分为两类：u脉冲超宽带优点1.系统简单、成本低、功耗小2.多径分辨能力强3.信号随距离衰减小，穿透能力强缺点1.信息传输速率不高2.频谱利用率不高3.频谱使用不灵活u多频带超宽带 优点1.易实现高信息传输速率2.频谱利用率可以较高3.频谱使用灵活缺点1.系统复杂2.成本高3.功耗高4.高频段时信号穿透力弱脉冲超宽带u脉冲超宽带指采用时域上很短的冲击脉冲作为信息载体，信息数据符号通过对窄脉冲(脉冲宽度通常在纳秒
9、级)进行调制，以获得非常宽的带宽。u调制方式脉冲位置调制（PPM）脉冲幅度调制（PAM）u扩频方式跳时扩频(TH-SS time hopping spread spectrum)直接序列扩频(DS-SS direct sequence spread spectrum)超宽带脉冲波形设计u脉冲波形设计原则1.符合UWB 信号定义，-10dB 绝对带宽大于500MHz 或相对带宽大于20%。2.波形波动小，即不能有太多的峰值数。否则，当相关检测时，微小的延时会造成匹配不上，不利于检测接收。3.功率谱密度在频域上满足FCC 辐射掩模的规定。4.脉冲的直流分量为零或者低频分量上的能量尽可能地小。u脉冲
10、波形高斯脉冲微分，升余弦、Herimite(厄密特)脉冲等。高斯函数脉冲 高斯脉冲宽度和频域带宽取决于参数,的值越大，高斯脉冲越宽，相应的频域带宽就越小 高斯脉冲二阶导 高斯脉冲各阶导数 阶数越高，高斯导数波形的过零点次数就越多，相应的信号带宽就越宽。扩频技术u多址接入多址接入u隐蔽性和保密性好隐蔽性和保密性好u抗干扰性强，误码率低抗干扰性强，误码率低扩频通信是将待传送的信息数据用扩频序列调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的扩频序列进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。跳时扩频跳时扩频是用伪随机码去控制信号的发送时刻，首先把时间轴分成许多时隙，在一帧内哪一个时隙发射信号由伪随机序列去
11、控制。在发射端，发送的信号先暂存在一个缓存器中，待由伪随机码发生器控制的通断开关接通时，将缓存器中的发送数据输出，经过调制后的信号送到由伪随机码发生器控制的开关电路，然后以脉冲的形式发送出去，信息“1”和“0”采用不同的脉冲传输。在接收端，本地的伪随机码产生器生成与发射端完全一致的伪随机码控制两个选通门，然后经脉冲检测器检测后进行判决输出，从而得到传送的数据信息。跳时扩频脉位调制超宽带uTH-SS PPM UWB图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为2,3。跳时扩频脉幅调制超宽带uTH-SS
12、 PAM UWB图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为2,3。直接序列扩频u直接序列扩频就是在发射端直接利用高码片速率的扩频码序列扩展发送信号的频谱。然后在接收端，用相同的扩频码序列相乘解扩，恢复出原始的发送信息。u在发射端，欲传输的基带信号与一个码片速率很高的伪随机码进行时域相乘，其输出为一个频谱带宽被扩展的扩频码流，然后将此扩频码流变换为射频信号发射出去。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，它与本地的伪随机码进行时域相乘，得到解扩信号，经信息解调器恢复成原始数字信号。u只有当 时，
13、才能进行正确的解扩和解码。直接序列扩频脉位调制超宽带 uDS-SS PPM 图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的DS码序列为1,1,-1,1,-1。直接序列扩频脉位调制超宽带 uDS-SS PAM 图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的DS码序列为1,1,-1,1,-1。多频带超宽带 u在MB-OFDM-UWB通信系统中，将3.1-10.6GHz频带划分为14个528MHz的子频带，5个
14、频带组，使用时以三个为一组。使用OFDM技术生成信号。OFDM符号由时频码控制调制到不同中心频率的载波上，从而实现多频带的传输；不同时频码对应不同的跳频样式。u528MHz的一个频带内又分为128个子载波，其中包括100个数据子载波、12个导频子载波、10个保护子载波及6个空子载波三频带时频码样式时频码序号长度为6的时频编码样式11 2 3 1 2 321 3 2 1 3 231 1 2 2 3 341 1 3 3 2 2 多频带超宽带 前向纠错编码（FEC）采用卷积编码及相应的维特比译码；系统在使用三个频带时采用时频交织（TFI）技术，使用单个频带时采用定频交织（FFI）技术；数字调制采用四
15、进制相移键控（QPSK）或双载波调制（DCM）；在多变的信道条件下，系统采用频域扩展（FDS）、时域扩展（TDS）技术实现时频分集来减小多径干扰的影响，时域扩展方式为同一个符号在不同的频段重复发送，频域扩展为同一频域数据在不同子载波上同时发送。多频带超宽带系统收发机结构框图无线信道三种基本传播方式反射反射：电磁波入射到一个尺寸比波长大得多的物体，电磁波会发生反射；主要来自地表面，建筑物和墙壁衍射衍射：当收发机之间的路径存在密度较大的物体，其尺寸远大于波长，就会在阻碍物的后面产生次级波。通常也被称为阴影，因为被不可穿透的障碍物遮蔽，衍射舱仍能到达接收机。散射散射：当信号传输过程中遇到大的，粗糙表
16、面，或者一些尺寸与波长可比拟的障碍物时，会发生散射。城市的街灯，路标，植物等都会是信号发生散射。直达路径 LOS:line-of-sight无直达路径 NLOS:non-line-of-sight超宽带的信道标准uS-V信道模型 uIEEE802.15.3a信道模型 uIEEE802.15.4a信道模型 S-V信道模型u多径分量按簇到达，每簇的到达时间服从波松到达过程u每簇内多径到达时间也服从波松到达过程u低通信道冲击响应 S-V信道模型的功率延时剖面(PDP：Power Delay Profile)IEEE802.15.3a信道模型u对S-V信道模型的修定增加了一个对数正态分布的信道阴影衰落
17、系数。用一个对数正态随机变量表示所有多径的信道阴影衰落系数。多径增益的相位因子不再是0 2范围内的均匀分布，而是以等概率出现 ，这样信道的多径增益系数就由原来的复变量变为了实变量。IEEE802.15.3a信道模型u信道参数：簇平均到达速率;：每簇内多径的平均到达速率;：簇的功率衰减因子;：簇内多径的功率衰减因子;：簇的信道增益系数标准偏差;：簇内多径信道增益系数标准偏差;：信道阴影衰落系数的标准偏差;u信道阴影衰落系数 u多径增益系数包含的总能量归一化为单位能量 信道参数CM 1CM 2CM 3CM 4(1/nsec)0.02330.40.06670.0667(1/nsec)2.50.52.
18、12.17.15.514.0024.004.36.77.912 (dB)3.39413.39413.39413.3941 (dB)3.39413.39413.39413.3941 (dB)3333IEEE802.15.3a信道模型IEEE802.15.4a信道模型uIEEE802.15.4a信道模型的几个重要特征：1.路径损耗服从 定律；2.路径损耗依赖于频率；3.基于修正的S-V模型：多径按簇到达；多径到达时间服从混合泊松分布；延时依赖于簇衰减时间；某些NLOS环境下，功率延时剖面（PDP：Power Delay Profile）可能先增后减。4.小规模衰减服从Nakagami分布，不同的多
19、径具有不同的m因子；5.服从块衰落（block fading），即信道在数据传输时间（data burst）内不变。IEEE802.15.4a信道模型 CM1：室内LOS环境 CM2：室内NLOS环境 CM5：室外LOS环境 CM6：室外NLOS环境 CM9：开放的户外NLOS环境 超宽带的关键技术u1、脉冲波形设计和调制理论脉冲波形设计和信号调制是UWB通信系统中的首要环节。面对目前紧张的无线通信资源，UWB信号必须避免在其所占的频域上对现有无线系统造成干扰，这也是制定频谱规范以利于UWB技术推广的初衷，FCC在UWB信号的开放频段3.1-10.6GHz内，限定发射功率谱密度应小于-41.3
20、dBm/MHz。因此脉冲波形设计应满足频谱规范，同时尽可能的利用更大带宽。最常见的UWB调制方式包括脉冲幅度调制(PAM)和脉冲位置调制(PPM)，其它方式还包括如传输参考调制(Transmitted-reference，TR)、开关键控调制(OOK)、脉冲形状调制(Pulse shape Modulation)和混沌调制(Chaotic pulse position Modulation)等。还有一种与TR方式对应的码参考调制(CR，Coded-reference)，参考码和信号具有正交性，能获得良好的解调性能和低复杂度实现。随着光通信技术的发展，基于光脉冲波形产生和调制的UWB系统也成了新
21、的研究方向。超宽带的关键技术u2.天线理论、设计实现和MIMO-UWBUWB信号占据带宽很大，在直接发射基带脉冲时，需要对设备功耗和信号辐射功率谱密度提出严格要求，这使得UWB通信系统的收发天线设计面临巨大挑战。辐射波形角度和损耗补偿、线性带宽、不同频点上的辐射特性、激励波形的选取等都是天线设计中的关键问题。在要求通信终端小型化的应用中，往往要求设计高性能、小尺寸、暂态性能好的UWB天线。以多天线理论为基础的MIMO技术是未来无线通信采用的主要技术之一，考虑到UWB的技术特点，将二者结合也是极具吸引力的研究方向。利用MIMO-UWB的优势，可以提高UWB系统容量和增大通信覆盖范围，并能满足高数
22、据速率和更高通信质量的要求。此外，与天线理论相关的波束赋形，以及时编码、协作分集等在MIMO-UWB系统中的应用也得到了较多关注。超宽带的关键技术u3.同步捕获技术u在超宽带系统中，同步是极大的难题和挑战超宽带脉冲持续时间极短，很难捕捉信号能量低（功率受限）信道环境复杂u现有的同步算法分类基于相关搜索的同步算法。v存在问题：需要高达几G bit/s甚至几十G bit/s采样速率的A/D转换器，目前硬件上无法实现；而且同步时间长。基于估计的同步算法v存在问题：要么同样需要高达几G bit/s甚至几十G bit/s采样速率的A/D转换器，要么可以避免高速率采样，但需要精度在亚纳秒级的延时系统，硬件
23、上同样无法实现。超宽带的关键技术u4.信道估计信道估计的任务是分析和测量信道对发射信号的衰减和延时，信道估计效果的好坏直接影响着接收机的工作性能。因此信道估计是分析和设计无线通信系统的核心问题之一。u信道估计方法分类u目前算法存在问题算法复杂度高：需要多维搜索。采样率高：需要高达几G bit/s甚至几十G bit/s采样速率的A/D转换器，目前硬件上很难实现超宽带的关键技术u5.基于超宽带无线传感器网络的定位NLOS和LOS的识别问题vLOS是指两个节点之间存在一条直达路径。如果两个节点时钟同步，接收端第一条路径的到达时间就是需要估计的量。NLOS则是指由于障碍物的存在，两个节点之间不存在一条
24、直达路径，也就是说接收端第一条多径也是经反射，折射或衍射到达的，这时由第一条路径的到达时间估计得到的距离也就没有意义了。要想准确的定位，必须把NLOS的情况识别出来，但这是非常困难的。LOS下的第一条路径的检测:因为第一条多径不一定时最强的多径。通过检测经常会获得最强的多径的到达时间。这时，就要从这个时刻开始往回搜去寻找更早的多径。这时就因为两大问题而非常复杂v一是接收信号都是带噪声的，只有那些超过门限制的多径才会被考虑。这时如果得到某个分量高于门限值，就需要判别他是真正的多径，还是只是噪声。如何选取门限制也变得非常重要。v二是接收信号的以簇的形式到达的，最强的分量不一定在第一簇。如果searchback找到了我们认为的第一条多径，他可能只是当前簇的第一个多径，而并非真正的第一条多径。