UWB超宽带无线技术论文

UWB超宽带无线技术论文（共6篇）

UWB超宽带无线技术论文 篇1

1 UWB技术简介

1.1 什么是UWB

UWB (Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术, 采用纳秒到微微秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据, 因而能够在较宽的频谱上传送功率极低的信号, UWB可以在10米左右范围内实现数百Mbps到数Gbps的数据传输率。

1.2 UWB的特点

(1) 不用载波, 而采用时间间隔极短 (小于1ns) 的脉冲波进行通信。

(2) 能利用纳秒到微微秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据。通过较宽的频谱来传送极低功率的信号, UWB可以在10米左右范围内达到数百Mbit/s到数Gbit/s的数据传输速率。

(3) 抗干扰性能比较强, 传输速率很高, 系统容量大且发送功率非常小。UWB系统发射功率很小, 通信设备能用低于1m W的发射功率就可以实现通信。同时, 低发射功率能延长系统电源的工作时间。并且, 发射功率小, 意味着其电磁波辐射对人体造成的影响也会很小, 应用面就广。

目前, 超宽带的传输距离都在十米之内, 它的传输速率达到了480Mbps, 与同类技术相比, 是蓝牙标准的159倍, 是Wi Fi标准的18.5倍, 很适合传输数据量较大的多媒体信息。

总结:抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小、保密性好。

2 UWB的实现结构

简单UWB发射器的设计与实现如图1所示。

3 国内外UWB技术研究历程

3.1 国外UWB技术的研究

美国Intel公司在2002年2月28日举办了“Intel Developer Forum (IDF) Spring 2002”开发商会议, 公开演示了UWB (超宽带技术) ——下一代无线通信技术。它主要有以下3大特点: (1) 高达数百Mbps的高速率通信。 (2) 耗电量不到现有无线技术的百分之一。 (3) 相对于现有无线技术成本低。

Intel总裁保罗·奥特里尼已宣布:“将会在Banias中集成无线LAN的功能”。Banias是能够和Crusoe抗衡的低耗电处理器, 在2003年上半年便已开始供应。

欧盟以及日本也很重视UWB, 纷纷开展了研究计划。由Wisair、Philips等六家公司成立了Ultrawaves组织。主要研究家庭等是室内环境内UWB在AV设备高速传输的可行性。STMicro、Thales集团和Motorola等多家公司团体成立了UCAN组织, 利用UWB实现PWAN的技术, 其中包括MAC层、实体层、路由以及硬件技术等。瑞士的IBM研究公司和英国的Philips等四十多家研究团体组成了PULSERS组织, 主要研究UWB的位置测量技术以及近距离无线界面技术。

3.2 国内对UWB技术的研究

中国早在2001年9月初就在"十五"国家863计划通信技术主题研究项目中将"UWB无线通信的关键技术以及其共存和兼容的技术"首次作为无线通信的研究内容, 以此鼓励国内学者关注这方面的研究。当下, 常州唐恩软件科技有限公司, 研制了基于UWB技术的高精度定位系统, 能够在室内环境实现3D高精度定位, 是当今无线电实时定位领域最先进的定位系统之一。

4 UWB的主要应用

4.1 军用方面

超宽带的一个介于雷达与通信中间的应用是精确地理定位, 比如利用UWB技术提供3D地理定位信息的设备。此系统是由无线塔标和移动漫游器组成的。它的基本原理是, 通过漫游器和塔标间的包突发传送实现航程时间的测量, 再经过往返时间测量值的对比, 再分析便能得到目标的精确定位。UWB地理定位系统一开始主要应用于军事领域, 它可以实现士兵在城市环境下能以高分辨率测定自身所处位置。

4.2 民用方面

超宽带同样适用于短距离高速宽的带无线接入和数字化音视频的无线连接等相关民用领域。家庭数字娱乐中心是超宽带技术的一个重要应用。它的概念是:家庭住宅中的PC、PAD、家电等智能设备会与Internet连接在一起, 你可以在家中以及周边短距离内使用它们。

5 UWB未来的发展

5.1 Blutooth+UWB

UWB自身的一些缺点使得它无法被普及和广泛使用。由于缺乏可靠的安全性、信令技术、很强的匹配能力及功率适配等问题, UWB极不适用便携式设备, 因而面临着沦为小市场技术而落后的危险。与此相同时, 蓝牙技术已经很成熟可靠并且高效, 而UWB的低功耗高速率正好能弥补蓝牙的缺点, 可以将UWB引入便携式设备的大市场。

5.2 RFID+UWB

各类技术之间的融合应用可以弥补各自的缺点。RFID与UWB技术的融合应用, 能大大推进信息数字化的建设。

5.3 UWB卫星技术

未来可能会面临地面终端数量多, 多个终端同时接入信道造成拥堵的问题, 同时会造成频谱重叠现象。所以我们可以让地面终端实现信道动态接入, 同时使用卫星通信技术和超宽带技术实现短距通信。目前, 这种技术还处于概念研究阶段, 许多相关问题还未能得到充分的研究, 距离工程化应用还有很长的路要走。

摘要：UWB (Ultra Wideband) , 即超宽带。一种起源于19世纪的无线短距离通信技术。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小、保密性好、对人体辐射小等优点, 在无线个域网领域中已成为最富有竞争力的技术之一。文章主要论述UWB的发展现状及应用, 并且对未来的发展作出预测。

关键词：超宽带,无线通信,实现结构,应用与发展

参考文献

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UWB超宽带无线技术论文 篇2

超宽带无线通信技术应用在很大程度上为人们的日常生活提供了便利，同时其使得人和人的关系更密切，新通信时代的到来有力推动了各大行业的进步。目前，世界上的超宽带无线通信技术的传输效率能够达到上千兆，即使在信号功率密度偏低的条件下，依然能够维持较高的传输速度。另外，由于距超宽带无线通信技术会在很大程度上受到长距离与高频信号的干扰，因此，该项技术的通信距离往往偏短，而通信距离的大幅度缩短也会在很大程度上提升传输效率。目前，我国超宽带无线通信的发射功率极其低，但是传输效率依旧能够稳定在每秒100兆至500兆的合理范围内。甚至就理论分析，当信号的带宽能够达到7GHz、信噪低于-10dB时，信道流量甚至可以达到每秒1G，这是传统通信技术远远无法实现的传输速度。

1.2发射功率低

在短距离的信号传输中，其发射功率甚至可以低于1毫瓦，这主要是由于带宽的牺牲实现的，其能够有效促进超宽带与窄宽带的共同使用，最大程度提升现有资源的利用效率。根据国际相关标准的具体规定，UWB信号的发射功率需要低于美国信噪的标准值-41.3dBm/MHz。因此，就理论分析而言，UWB信号产生的干扰仅仅为一宽带的噪声，一方面，这能够实现UWB信号与现有通信系统的良好共存，从而有效提升频谱的利用效率，缓解越来越紧张的能源局势；另一方，UWB信号的发射功率低能够有效提升信号的隐蔽性与安全性，使得其拦截与探测难度大大提升，这对于军事机密的安全传输来说起着非常重要的作用。

1.3互补性

超宽带无线通信技术具有明显的互补性特征，其主要体现在该项技术在接入方式、覆盖规模以及适用范围等方面，例如4G与WiFi技术都能够在一定方面互相补充，4G能够有效实现网络漫游与移动，同时在大范围内实现网络的无缝覆盖。而WiFi则能够在限定范围内实现高速度的信号传输，有效弥补了4G网络在信号传输速率方面的局限性。在此基础上，为了促进超宽带无线通信技术的改进与完善，这要求相关的技术人员应该加强对该项技术的研究与重视，实现网络技术体系的一体化发展，实现技术之间的互补与协调，并通过互补的接入方式与通信手段，全面满足客户的多样化需求，为客户提供更高质量的通信服务。与此同时，超宽带无线通信技术的互补性对于市场的细分与建立来说起着非常重要的作用，其能够实现技术系统整体的全面发展，改善其发展不均衡的现状，为其良好应用奠定可靠的基础。

1.4多径传播

关于超宽带无线通讯技术探讨 篇3

【关键词】超宽带 无线通讯技术 探讨

超宽带无线通讯起源于二十世纪的五十年代末期，它作为全新无线通信，在当前的发展中得到人们的高度关注，此前，其主要应用在军事技术方面，例如雷达通信设备，但随着无线通讯的发展，人们对其在应用中提出更高要求，从而为人们的交流提供更多的便利。

一、阐述超宽带无线通讯的定义

根据美国联邦的通信委对超宽带通讯所作出的定义：将信号带宽高于500MHz以及信号带宽和中心频率之间的比例高于百分之二十五的都可以称之为超宽带无线通讯。超宽带无线作为无载波的通信技术，其主要采用的是极短脉冲信号实现信息传输，通常情况下，每个脉冲所持续时间在几十皮秒至几纳秒之间。

目前，在FCC中开放频段为3.1至10.6GHz，尽管超宽带无线通讯中的带宽较宽，而其传输的速率已达几十Mbps，但在超宽带系统中，其所发射的功率谱密度较低，有时甚至是-41.3dBm-FCCPart15。

因此在无线通信中，超宽带无线通讯设备发射功率较小，仅为现有发射设备几百分之一，而普通非超宽带则近似于一些噪声，所以在理论上，超宽带和现有的无线电可以实现共享带宽的价值，有望在今后的无线通信的领域中得到更加广泛应用。

二、分析超宽带的特点

2.1频带宽且传输的速率较高

超宽带以较宽频率来换取较高数据的传输，且不单独的占用现已拥挤频率的资源，而是通过共享无线技术中频带实现信号的输送，因此从信号的传播角度来看，超宽带的无线通信由于其有效减小的多径传播影响，而使它可以实现较高地传输数据。

2.2结构简单且成本低

在超宽带无线通讯中，其脉冲通信系统没有基于常规的正线载波而调制无线通信的系统，其中它所需上、下之间的变频电路与中频电路中各种不同的滤波器，从而实现简单的结构，同时也使其更加易于数字化，从而降低其成本；再者由于常规的无线通信射频中的信号多为一些连续性的信号，或其在时间方面的持续都远远地大于一些多径的传播，而超宽带无线通讯则可以采用持续时间较短窄脉冲，由于其占有的空比极低，在时间方面能够实现多径信号的可分离，从而使得窄脉冲的发射低于超宽带无线通讯的信号，而使其处于多径的环境中渐渐地衰落，通过大量实验研究表明，常规无线电的信号在多径中的衰落深可以达到10至30dB而超宽带的信号衰落是低于5dB的。

2.3穿透能强且隐蔽性较好

在相同的绝对带宽无线信号当中，超宽带无线通讯的脉冲频率是最低。因此，它与毫米的波信号相对比，其具有更强穿透的能力；再者，由于超宽带无线通讯中的信号采用的是跳时扩频，在射频带宽中可达1GHz，且其所需的平均功率又十分的小，因此在信号较隐蔽的环境中是难以被检测的，必须使用和发端相一致扩频的码脉冲方能解调，从而增加系统安全性。

2.4功率低且功耗小

超宽带无线通讯的信号具有十分低辐射的功率，同时它又具有频带极宽的特点，由此而导致功率谱的密度极低，有时甚至是低于环境中的噪声，从而使超宽带的通信系统在低截获与低检测的特性中不受到一些常规的通信系统干扰与影响，有时还可以与之实现共享频带，而低功率又非常地适合一些移动的通信设备应用，同时，它还低辐射从而降低对人体侵害。

三、超宽带的应用

由于超宽带无线通讯具有许多的优点可以在较广泛的范围中加以应用，例如低截获率这一优势就是其中一大亮点，它在内部的无线通信系统中，通过超宽带的雷达以及防撞与高精度的定位中得到广泛的应用；在当前的信息技术发展中，超宽带无线通讯的技术还可以应用于智能交通的系统中、无线传感的网络、成像应用和射频标识等。此外在数字化的办公中，将传统有线地连接升级至无线连接，使办公环境更方便与灵活，同时在超宽带无线通讯中较高的传输宽带，可以使计算机在外设、主机和会议的设备、显示器以及投影仪等之间进行连接，所以在任何的地点都能够有效地接入当地超宽带无线的网络，从而为人们的运用提供许多的便利，下面对其应用进行一一分析。

3.1超宽带技术在交通领域的应用

由于超宽带技术具有高效地传输能力，在交通领域中可以利用这一特点为道路的检测提供良好的帮助，例如这一优势特点来制造雷达，应用于道路信息的收集，如道路中的车流量多少以及路面的情况等，然后将前方的路况真实地传输并反馈给车辆的司机，而司机可以根据这一信息而有效地选择恰当地行驶路线，从而达到避开道路中的障碍物，在未来汽车的发展中，还可以在超宽带技术的支持下实现智能驾驶，为司机提供更好地驾驶环境，从而保证汽车的行驶能够更加的顺畅；此外，在解决停车的问题方面，在超宽带信息技术的支持下，未来可能会实现司机在不停车的情况下而自动的收取相应费用的目标。

由此可以得知，超宽带技术在交通领域的应用能够给人们的出行带来良好的帮助，随着超宽带技术的不断发展，还可以将其大量地应用于交通管理的系统中，充分地发挥其强大的功能为人们提供优质的服务。

3.2超宽带技术在个人的局域网中使用

在通讯技术发展的今天，为人们的生活与工作带来了良好的帮助，而随着超宽带技术的发展，它能够通过无线方式来代替电子设备中的有线设备，从而扩大电子设备的应用范围，为人们实现不同地域的工作而提供技术支持，除此之外，在超宽带技术的发展中，它所具有的超大容量数据的传输，也对人们的正常办办公、家庭环境等都提供较好地便利；我国早年间在“十五”规划中的863计划，就将超宽带的无线通信以及与其兼容性的技术核心技术问题，作为重点的研究对象，其中一处是关于无线通信的创新技术以及共性技术研究，在各方的努力下我国以及出现UWB技术蓬勃发展的良好状态，尤其在是雷达系统的研究中，超宽带的系统研究取得较为深入研究的成果，同时也是超宽带的技术优点，使它能够位于无线通信的各个方面中实现巨大的应用价值与潜力。

3.3超宽带技术在军事领域的应用价值

由于军事方面的通信要求严格的保密性，由于超宽带的技术具有较强的隐蔽性，使得它得到了我国军事通信研究者们繁荣积极追捧。在超宽带的技术发展自中，它能够有效地将相关数据以及文件的传输通过窄带的系统所发出较小的辐射作用而提高信息的隐蔽性，有的甚至没有在UWB中也难以检测出文件或是数据传输的信号，由此提军事信息的保密性。

基于此，超宽带技术在我国的军事领域中得到广泛的应用；除此之外，由于超宽带的技术在传输的速度方面比较快，信号也能够得到较好地保证，在穿透力极强的情况下，实现精确的定位以及保密性等。所以，在支援各种灾害的救援中，可以发挥其在这些方面的优势，从而有力地促进各种救援工作能够得到积极有效地开展，再者超宽带的技术还可以在具有特殊性的任务发挥积极作用，如战术组网、保密数据、定位导航以及定位追踪等，为军事通信的发展提供良好的帮助，随着超宽带的技术在不断研究中发展与进步，在超宽带的技术所具有的特性，如耗能少、保密性强、定位精准、灵活性好、成本低以及传输速度快的特点给受到社会各界的高度关注与研究。

四、展望超宽带技术的未来发展

目前，社会各界对超宽技术的研究工作取得较多的成果，其实还出现一些亟待解决的问题，例如基于窄带中的载波调制、短距离的无线系统等，它们难以实现视频高速的传输，从而使得移动终端在准确位置方面不能得到十分的确定。除此之外，还在对一些位置敏感应用的程序中，它难以提供有效地支持。

但是，在众多的用户管理中，同时使用几种系统能力，为人们的实际工作以及生活带来积极的帮助，这也成为超宽带的下一研究方向；

再者就是在超宽带的技术研究中，它能够在调制与编码的技术领域中得到良好地发展，同时也出现一些挑战，如在最初的军事应用方面，超宽带的技术并没有将其作为一个较高容量的追求，但随着超宽带技术不断的广泛使用，出现用户容量的增加，这就使得这一问题成为主要的考虑因素，在编码与调制中适应了多用户的高容量需求，因此这就急需研究出新的方法，对编码的技术加以调节，从而达到提高此系统容量的目的。

而另一挑战则来自于它的物理层设备，如天线设计与实施，这其中要充分地考虑到不同的使用状况，如一些小型的、便携式天线，它能够充分地配合系统中的信号发射和收取的工作，但在这个过程中避免不了的是天线出现损坏的问题，如果一旦发生损坏，就会使整个系统出现中断，从而导致大量信息的传输终断，从而带来许多的麻烦，因此在又是超宽带技术在今后发展所需要解决的又一问题。

五、结束语：

UWB超宽带技术研究及应用 篇4

关键词：UWB,家庭网络,PPM,Ad Hoc

引言

无线网络和个人通信网代表了当今通信网络技术的发展方向。随着计算机、通信与家电的融合在人们生活中日益普遍, 设备之间迫切需要高速、互操作性强的无线通信, 短距离无线通信系统成为今后较长时间内通信领域研究的热点, 而超宽带技术就是一种能实现无线局域网 (WLAN) 和无线个人域网 (WAPN) 无线接口互联接入的技术。与传统无线通信技术不同的是, UWB技术不使用载波, 而是以占空比很低 (几十分之一) 的超短电磁能量窄脉冲作为信息载体的无载波通信技术, 因而又称为基带通信、无载波通信。

1 超宽带技术的基本原理和技术特点

UWB信号定义为相对带宽 (信号带宽与中心频率之比) 大于0.2, 或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500MHz的信号, 其中信号带宽定义为:低于最高发射功率10dB的截止频率间的带宽。FCC规定, UWB的使用频段范围是3.1GHz-10.6GHz, 且其发射功率必须在1mw以下。从时域上讲, 一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制, 而UWB是利用起、落点的时域脉冲 (几十纳秒) 直接实现调制, 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行, 而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。从频域上讲, 超宽带有别于传统的窄带和宽带, 它的频带更宽。其相对带宽大于25%, 而且中心频率大于500MHz[1-2]。

1.1 基本原理

超宽带通信的理论基础是信息论中的“香农公式”, 即:

其中, C是信道容量, B是信道带宽, S是信号的功率, N是噪声的平均功率, S/N是信噪比。

所以要想提高一个信道容量主要由三个要素决定, 即:B、S和N, 可以通过增加信道的带宽, 提高信号的功率或是减少噪声的功率来达到提高信道容量的目的。UWB信号的带宽一般高达数GHz, 这样不仅可以降低信噪比, 而且相对于扩频信号来说还可以继续增加信道容量。因此从香农公式可以看出, UWB具有高容量无线通信的潜力。

1.2 UWB的信号波形

UWB系统发送的是纳秒级脉冲串, 脉冲宽度远小于脉冲之间的平均间隔, 一般为0.2～1.5 ns, 而为25～1 000 ns。常UWB的信号模型为:

1.3 UWB信道模型

UWB信道不同于一般的无线衰落信道。传统无线衰落信道一般用瑞利分布来描述单个多径分量幅度的统计特性, 前提是每个分量可以视为多个同时到达的路径合成。但是在典型的室内环境下, 每个多径分量包含的路径数目是有限的, UWB信道可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级[3]。

1.4 UWB通信系统的调制方式

脉冲位置调制 (PPM) 和脉冲幅度调制 (PAM) 是UWB的主要调制方式, PAM方式中, 每个用户的下一块信息在时间上随机分布, 可以在频域内得到更为平坦的RF信号功率, 使得UWB信号在频域中类似于背景噪声。PPM的信号波形如式 (1) 所示。它用每个脉冲出现位置的超前或者滞后的时间表示信息。调制后需要在接收端采用匹配滤波技术, 由正交相关器在零时差时检测调制信息。采用PPM脉位调制方式的UWB通信系统原理框图如图1所示。

1.5 UWB的特点

由于UWB独特的频域和时域特性, 使得它具有以下的特点:

a) 系统结构的实现比较简单:UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号, 其发射器直接用脉冲小型激励天线, 不需要功放与混频器;同时在接收端, 也不需要中频处理。

b) 高速的数据传输:UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输, 在10m的传输范围内, 信号传输速率可达500Mbit/s。

c) 功耗低:UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据, 脉冲持续时间很短, 所以其系统耗电很低。

d) 保密性强:UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内, 功率谱密度低于自然的电子噪声, 采用编码对脉冲参数进行伪随机化后, 脉冲的检测将更加困难。

e) 抗多径能力强:UWB发射的是持续时间极短的单周期脉冲, 且占空比极低, 多径信号在时间上是可分离的, 因此具有很强的抗多径能力。

f) 定位精确:冲激脉冲具有很高的定位精度和穿透能力, 采用超宽带无线电通信, 很容易将定位与通信合一, 在室内和地下进行精确定位。

2 UWB技术在家庭网络中的应用

2.1 DS-UWB的应用

家庭网络系统由有线系统和无线系统综合构成。其中, 有线系统采用国际数字接口标准IEEE 1394b, 在IEEE 1394b基础上, 家庭网络无线系统引入了频谱高效率的超宽带脉冲无线电技术, 可提具有供灵活性和移动性的宽带无线接入[5]。直扩序列超宽带的家庭网络把移动高速高性能无线网无缝隙的扩展至有线1394骨干网。

现在已有的UWB无线通信系统方案有两种, 一是多载波交频率复用 (MB-OFDM) 建议;另一个是直接序列WB (DS-CDMA) 建议。其最大分歧在于是采用单频段技术还是多频段技术。其中单频带体制的DS-UWB系统是家庭网络比理想的方案。DS-CDMA建议采用了双频带 (3.1～5.15GHz加5.825～0.6GHz) 的方法, 即在每个超过1GHz的频带内用极短时间的脉冲传输数据, 该方法也称为脉冲无线电[4][6]。DS-UWB无线通信统结构图如图2所示。

2.2 直接序列超宽带通信子网技术

与无线1394网桥综合的家庭网络结构支持IEEE1394固定连接和DS-UWB无线连接。无线UWB总线系统的拓扑结构是呈现星形, HUB位置不是固定不变, 管理所有挂在无线总线上的子站, 负责维护帧结构, 分配周期定时信息。要监控在总线注册的子站状态, 在子站和子站间广播通信质量信息, 显示同步和等时模式子站的时隙安排, 控制多址接入过程, 保证输出功率在某一电平之下。数据流的传输是自组织网络中对等通信的模式, 当一对子站之间直接链路被阻隔时, 子站和HUB也可以承担中继多条数据的功能。

直接序列超宽带系统的物理层采用二进制相移键控调制技术, 为了避免多径衰落的的影响, 使用RAKE接收机接收信号。其多址接入技术采用直扩码分多址技术。由于UWB信号产生的特殊性, 其脉冲成型技术为甚窄高斯单周脉冲, 并使用空时编码对其进行编码。典型高斯单周脉冲宽带为0.2～2.0 ns, 脉冲间隔为10～100ns, 脉冲位置可以是等间隔、随机或伪随机间隔。假设, 双相脉冲调制数据信号为:

其中, L为RAKE接收的分集路径数目;表示第i路径上的幅度衰减, 表示经过解调后的第k个用户, 在第p条路径上的信号[7-8]。

直接序列超宽带系统的数据链路控制层 (DLC) 是由一系列帧长为1394周期数倍的DLC帧构成的, 该帧由管理区域、数据区域、随机区域等组成。数据链路控制层把资源分成两部分, 分别是用于等时时隙的预留带宽和用于同步时隙的动态带宽。UWB总线协议栈结构如下图3所示。

直接序列超宽带的1394汇聚层 (CL) 含有IEEE1394特定业务会聚子层 (SSCS) 和公共部分会聚子层 (CPCS) , 它类似IEEE1394b链路层, 负责1394事务处理层和UWB低层次之间的映射。

3 UWB在其他方面的应用

3.1 UWB无线定位

UWB无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低, 尤其是能提供非常精确的定位精度等优点, 而成为未来无线定位技术的热点和首选。

UWB定位技术属于无线定位技术的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法, 即定位算法。目前最常用的定位技术主要有:时差定位技术、信号到达角度测量 (A O A) 技术、到达时间定位 (T O A) 和到达时间差定位 (TDOA) 等。其中, TDOA技术是目前最为流行的一种方案, UWB定位采用的就是这种技术。

UWB精确定位的主要思想是基于距离公式 (2) 的。根据定位的基本物理和几何条件, 如果要定位一个三维坐标, 至少需要4个参考点, 建立4个方程来进行直接计算:

其中, (x, y, z) 和分别表示需要定位的位置和参考点位置的坐标, 表示需要定位的位置发送信号的时间, 是未知数, 表示参考点位置的到达时间。利用时间差, 经过一系列代换, 可以减小参考点和需定位坐标之间由于不同步带来的误差, 实现差分的时间到达算法 (TDOA) , 从而简化方程组求解。

在上述理论基础上, 求待测点坐标的问题就转换成了解四元二次方程组问题。解这个方程组, 目前常用的解析算法是Fang算法, 即完成上述代换后, 可以先解出待测点坐标z的值。通常, 方程有2个解, 而期望的解只有1个。若所得的解没有物理意义或者超过了可测量的范围, 就视其为无效解。为了提高有解的概率, 可以设定5个参考点, 这样就有5个不同的组合, 产生5组方程组, 可以得到5组解, 再从中选取最优的解。

3.2基于UWB技术的Ad Hoc网络

目前UWB技术在Ad Hoc网络中的应用大致分为两类:一类为高速率多媒体服务, 其典型应用为无线个域网, 另一类为低速率低功耗服务, 其典型应用为无线传感器网络。

基于UWB的Ad Hoc网络采用分簇方式, 根据UWB信号精确定位特性, 簇内各个节点均知道相互的位置, 簇的大小可以小于节点的通信范围, 仅同一簇内的节点才能通信。其路由选择付出的链路开销是:

在路由选择时, 所有的链路建立必须满足上式, 路由算法在所有可以建立的链路中选择链路开销最小的一条链路, 如果存在多条链路开销相同, 则再在其中选择一条跳数最小的链路。

以上是建立基于UWB的Ad Hoc网路的基本原则, 具体的信道接入方式, 分簇方式和路由选择方式不再给出详细具体的方案。

4结语

基于超宽带技术的无线个人区域网在多媒体设备互连、家家庭和个人网络方面极大地提高了系统性能, 这意味着UWB将会会在无线通信领域的主导技术之一。在无线局域网相关技术的辅辅助和PAN协议标准不断完善下, UWB-WPAN必将真正实现不同同移动设备间的通信交互和多媒体信息数据交换。相信在不久的的将来, 人们就可以充分享受到UWB技术带来的宽带便利。我们们有理由相信, 在2010年的上海世界博览会上, UWB技术将大有有用武之地。

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UWB超宽带无线技术论文 篇5

超宽带技术获得广泛关注的一个重要原因是它具有高速率和低功耗,这就要求其信道估计的计算复杂度尽量低。基于训练序列的信道估计由于预先掌握较多的先验信息,往往可以快速准确地求出信道冲激响应。对跳时超宽带系统最简单的信道估计是在发送端发射一个单独的脉冲信号,然后基于接收到信号估计信道的冲激响应[1,2],这种方法具有实现简单的特点,缺点是需要制定特定的帧结构,并且由于要避免ISI,估计的时间效率低。比较通用的方法是根据ML准则,并且利用超宽带通信具有时间上可分辨的多径[3]。这种方法可以迭代运算,但是由于要在时域进行卷积运算,则运算复杂度较高。近来的研究发现,在频域进行信道估计[4]可以有效降低运算的复杂性。频域估计要求得到接收信号的频域值,直接在频域用除法运算。直接在频域的除法运算在被除的信号频谱非常小的时候,容易引起非常大的信号失真,这就需要较长的估计序列及适当的频域可信门限设定,同时需要大数据量的快速傅里叶变换(FFT)运算。

本文提出基于序列和的最大似然算法估计信道的冲激响应。这一算法可适用于慢衰减信道下的TH-UWB通信系统,并且要求该系统的跳时码在传输过程中保持不变,同时冲激响应长度不大于帧长度。本方法可用于基于训练序列的信道估计或盲估计,同时便于迭代运算,适于在频域进行处理,从而大大降低了运算的复杂性;另一方面,由于序列的累加求和,提高了接收信号的信噪比,使频域失真减小,从而在合理的信号频谱可信门限设定下,可以获得类似于一般频域信道估计的性能。

1系统模型

假设UWB通信系统采用PPM调制。为简化计算,本文中考察二进制调制,但该方法也可应用于大于二进制的调制方式。发送的信号可以表示为:

undefined。 (1)

式中,bi(t)为传输第i个符号的波形,具体的表达式如下:

undefined。 (2)

式中,g(t)为超宽带脉冲信号,以M个脉冲表示一个比特信息,每个脉冲存在于一个码片间隔Tc内,具体位置由跳时码cij决定,cij的下标ij表示第i个符号的第j个脉冲,取值为0～1之间的实值;αi为二进制的信息符号,取值为0或1,并且概率相等;Δ为正常数;Ts为符号周期,这里假设Ts=MTc。此处只考察单用户的情况,把其他用户当作加性高斯白噪声(AWGN)。

为简化定义,把发射天线和接收天线的求导特性合并到脉冲的符号表达式中,得到高斯脉冲的二阶导数g(t)为[5]:

undefined。 (3)

在一个典型的系统设计中,可以假设D≈5T0为脉冲的周期。

为把每个脉冲限制在一个码片间隔内,式(1)～(3)中,cj、Δ和D满足式(4)所限定的条件:

cjTc+Δ+D≤Tc。 (4)

令h(t)表示信道的脉冲响应。则接收到的信号为:

r(t)=s(t)*h(t)wtot(t)。 (5)

式中,*为卷积运算;wtot(t)为噪声总和,为AWGN信号。

2基于序列和的信道估计

2.1信道估计算法

IEEE公布的UWB标准信道显示,由于超宽带信号波长与室内环境物体的尺寸在同一个数量级,导致室内环境中电磁波极易发生散射,产生回波,造成了UWB信道密集多径,多径信号成簇到达。因此其信道模型可设为:

undefined。 (6)

式中,L为信道多径的个数;undefined与undefined分别为衰减和时间延迟参数。根据信道响应估计的接收信号为:

undefined。 (7)

接收到的波形在间隔0≤t≤Tsum上进行观察,其中,Tsum=NTs。把各帧收到的信号叠加起来,求取各序列的和,对这个叠加后的新信号求最大似然的信道冲激响应。序列和的ML函数表达式为:

undefined。 (8)

所以,使undefined取得0值的条件是:

undefined。 (9)

当h(t)的持续时间小于Ts时,可以对式(9)进一步化简为:

undefined。 (10)

式中,rp(t)为undefined以0

undefined。 (11)

由式(11)可以看出,undefined可以在频域由除法简单地求出,由于undefined是以Ts为周期的信号,所以undefined只在undefined为整数)上有值。

2.2性能分析

假设噪声频域表现为AWGN的频域特性,应用频域信道估计方法得到的信道冲激响应可以求得频域的均方误差为[4]:

undefined。 (12)

式中,σundefined为噪声部分的方差;Nc为一个符号间隔数据的抽样个数;S(k)为相应抽样频点的幅度值。假设信号频谱均匀,则由式(12)可以看出,序列求和后,平均噪声方差降为原来的1/N。因此,均方误差也为一般频域信道估计的1/N。但由于对序列进行了求和运算,使得估计序列长度变为一个符号间隔,由噪声在频域不再表现为恒值,从而对信道估计的MSE产生较大的影响。

2.3盲估计算法

在盲信道估计时,不知道接收到的信号中所包含的信息,需要借助统计概率信息尽可能精确得到信道特性。除了信号信息未知外,盲信道估计算法与基于训练序列的信道估计前提条件相同。因此,可以从式(10)开始分析。令

undefined。 (13)

则bik(t)表示第i个比特发送了“0”或“1”中的某一符号。

式(12)的等号左边可以通过接收到的信号样本求得。由于预先知道发送“0”和“1”的概率相等,在这里假设收到的“0”与“1”数量相等,则

undefined。

可得:

undefined。 (14)

令Xb(w)为(bi0(t)+bi1(t-Δ))的傅氏变换。则有:

undefined。 (15)

此时,Xb(w)可以预先保存在接收端,通过迭代的方法得到R(w),从而实现对信道的估计。

3性能仿真

仿真中使用的估计算法均为频域信道估计,在频域信道估计中,只能取得频域的最大似然。而对于用于估计的接收信号的某一频点来说,其值越低,估计误差就越大,估计的可信度就越低,使其在向时域转化的过程中对信道的估计造成过大的危害。因此,有必要设定一个可信的门限值β,只有根据大于该门限值的频点幅度,才被采信,而小于该值的频点对应的冲激响应强度取0值。门限取值与信号波形、接收到的信号功率等有关。图1仿真了取不同的β时,使用序列和的最大似然算法下基于训练序列(DA)的信道估计和序列和的最大似然算法下的盲信道估计的均方误差。在仿真中发现,β的取值对时域MSE影响剧烈,并且β取值的效果随估计序列的长度增加而提高对信道估计的准确程度。另一方面,当取得门限值过高时,由于过多的频点取为0值,使MSE趋于稳定。从图1中可以看出,取β=0.5时,得到的信道估计更准备,并且随着取样点的增加使MSE减小。

图2、图3的仿真中给出了匹配接收情况下,4种信道估计下的误比特率。4种信道估计分别是:① 信道的冲激响应已知(CSI);② ML算法下,基于训练序列的频域信道估计;③ 基于序列和的最大似然算法下,基于训练序列(DA)的信道估计;④ 基于序列和的最大似然算法下的盲信道估计。在时不变的信道下,频域信道估计中影响估计效果的因素有2个:用于估计的信号长度N和确认接收信号频域幅度有效性的β值。仿真中取N=500,图2中,β=0.01,图3中,β=0.5。

可以看出,对训练序列直接进行频域上的最大似然估计,对N和β的敏感度不如基于序列和的频域最大似然估计。适当的门限选择,可以极大提高基于序列和的最大似然估计性能。同时可以看出,足够长的训练序列,可以在较大的门限值取值范围上获得稳定的信道估计,如图2和图3所示,得到与直接频域的信道估计类似的估计效果。

4结束语

提出一种基于序列和的ML信道估计算法,仿真证明,适当的发射序列频谱可信门限设定,可以获得与一般的频域信道估计相似的性能,并且由于序列取和后的平均噪声方差减小,也可能使信道估计性能优于一般的频域信道估计;另一方面,基于序列和的信道估计更依赖于估计序列的长度和门限值的选取。文中应用了TH-UWB通信系统,对单用户系统的性能进行了仿真。频域估计可以简化运算的复杂性;另外,本文给出了基于训练序列的信道估计方法和盲估计方法,仿真证明,在等概发送无规律符号情况下,2种方法可以取得近似的效果。

参考文献

[1]WIN MZ,SHOLTZ R A.On the Energy Capture of Ultrawide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments[J].IEEE Commun.Lett.,1998,2(1):245-247.

[2]LEE HJ,HA D S,LEE HS.A Frequency-domain Approach for All-digital CMOS Ultra Wideband Receivers[J].IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies,2003(3):86-90.

[3]LOTTICI,ANDREAAD,MENGALI U.Channel Estimationfor Ultra-wideband Communications[J].IEEEJournal on Selected Areas in Communications,2002,20(9):1638-1645.

[4]SATO H,OHTSUKI T.Frequency Domain Channel Estimation and Equalisation for Direct Sequence Ultra Wideband(DS-UWB)System[J].Communications,IEE Proceedings,2006,153(1):93-98.

超宽带技术的探讨 篇6

一、超宽带定义及特点

超宽带通信是指具有很高的带宽比的通信技术。超宽带技术相对于扩频通信等传统窄带和宽带通信方式而言是一种全新的通信方式, 从信号的产生角度看, 超宽带技术一般可以不采用正弦波将基带信号调制到信道上, 而采用基带信号直接激励天线发射超短时宽的冲激脉冲, 以时域窄脉冲作为信息载体。它具有以下特点和优点:

1. 共享频谱。

UWB技术以一种新的、与其他系统共享的方式使用频谱。它使用的频谱从3.1GHz到10.6GHz, 宽度高达7500MHz, 而无需划分特定的、专有的频段。同时, 通过限制发射功率, UWB也避免了对其他系统造成干扰。UWB的极宽的频谱和极低的发射功率, 也使UWB系统具有传输速率高, 系统相对简单、成本低, 功耗低等优点。

2. 传输速率高, 系统相对简单、成本低、功耗低。

UWB通信利用其超宽带的优势, 传输速率可达1Gbps以上。传统的无线通信系统, 因为频带较窄, 要实现100Mbps以上的高传输速率, 必须采用高阶调制等方法达到较高的频谱使用效率 (hits/s/Hz) 。这就对信噪比提出了很高的要求, 同时提高了系统的复杂性。而UWB系统的频带很宽, 即使传输速率高达1Gbps以上时, 所需信噪比仍然不高, 这使得系统较为简单, 实现了系统的降低成本和功耗。另外, 因为UWB的发射功率受到了严格的限制, 以频带宽度1500MHz的UWB系统为例, 其发射功率应不超过一9.54d Bm, 所以UWB系统在信号发射上的功耗也很低。如果UWB通信采用的是其传统的基带窄脉冲形式, 则因为无需对载波进行调制和解调, 还将使系统的成本和功耗进一步降低。同时低功率的脉冲比起以前雷达和通信中的大功率脉冲, 更容易产生, 实现成本更低。

3. 信号衰减较小, 穿透力强。

采用基带窄脉冲形式的UWB信号, 与利用正弦载波携带信息的一般无线通信信号在空中的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波, 在自由空间中的衰减与距离的平方成反比, 在室内多径信道条件下, 衰减与距离的3-4次方成反比。而具有适当波形的UWB瞬态脉冲具有较强的定向性, 其衰减与距离成反比或更小。因此, 在相同功率下, 采用基带窄脉冲形式的UWB信号可比一般的调制载波的信号传输更远的距离。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, 为UWB技术在室内环境以及透视成像等领域的应用提供了便利。

4. 定位精度高。

信号的定位精度与其带宽直接相关。UWB信号的带宽一般在500MHz以上, 远远高出一般的无线通信信号, 因此, 其所能实现的定位精度也很高。对于基带窄脉冲形式的信号, 其带宽通常在数GHz, 其定位精度更是可以高达厘米量级。超宽带的实现形式大致可以分为两大类, 即脉冲无线电和多频带OFDM。

二、超宽带脉冲的设计及产生

从本质上讲, 产生极短脉冲宽度的信号源是研究UWB技术基本的前提条件。UWB的窄脉冲, 有两个突出的特点:一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短脉冲;二是激励信号包括很宽的频谱, 从直流到微波波段。目前产生脉冲源的方法有两类:

1. 光电方法:

其基本原理是利用光导开关导通时瞬间产生的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿, 所以得到的脉冲宽度可ps量级。另外, 由于光导开关是采用集成方法制成的, 可以获得很好的一致性。因此, 光电方法是最有发展前景的一种方法。

2. 电子方法:

其基本原理是对半导体PN结反向加电, 使其达到雪崩状态, 并在导通的瞬间, 取陡峭的上升沿作为脉冲信号。这种方案目前应用得最广泛。其缺点是由于采用电脉冲信号作为触发, 其前沿较宽, 触发精度受到限制, 特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合, 达不到控制的精度。另外, 由于受晶体管耐压特性的限制, 这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲。当然, 其脉冲宽度还可以达1ns以下。

三、超宽带系统的调制与编码

根据信道的质量情况, 选择最合适的调制和编码方式, 并根据需要动态地调节调制方式及编码速率, 将传输误码率控制在系统规定值以下。传统通信系统的调制方案一般都已应用到UWB系统, 但是这些调制方案不一定是最佳的, 还应根据UWB系统的特点进行研究。现在研究的方向主要是自适应调制、编码、多址相结合或部分相结合的方案, 如M-BOK、网格编码调制。

四、超宽带系统的接收技术

早期的UWB接收机结构很简单, 只是一个等效于匹配滤波器的相关器而已。同时为了降低器件模数变换器变换速率的要求, 相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的, 但是当对传输速率的要求达到上百Mbit/s后, 不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来。接收信号幅度上的衰落需要通过Rake接收机收集足够丰富的多径分量来克服;另一方面, 信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象, 如何解决符号间干扰问题也必须在系统设计中加以考虑。一种比较理想解决方案应该是Rake接收加均衡, 通过Rake接收捕捉各条路径的能量以抵抗衰落, 同时利用均衡来消除符号间干扰。

对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于Rake接收机。在具体实现上有几条路径选取方法可用, 例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并。前者的性能更好, 只是实现难度较大。从仿真结果来看, 就UWB信道特性而言, 选择4~6径进行合并已接近于最佳性能。

五、超宽带技术应用

超宽带技术在无线电领域具有很好的特性, 它可以在保持本身特性的情况下以刁、同的方式工作。因为超宽带技术有如此的多样性, 所以几乎可以以任何方式使用超宽带技术。它的应用集中在以下三个方面:通信和传感器、定位和跟踪、雷达。