超宽带综述(涵盖应用前景和研究现状)

超宽带无线电基础一、超宽带信号的定义及其特点1.1 两个常用概念 能量带宽： 相对带宽：1.2 定义 1990年美国军方首次提出“超宽带”这一概念，并规定在-20dB处的绝对带宽大于 1.SGHz或相对带宽大于25%的任何信号均称之为超宽带信号。2002年，FCC对美国军方的定义作了修改，规定信号-10dB绝对带宽大于0.5GHz或相对带宽大于、等于20%，就称之为超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射. 1.3 超宽带技术的特点超宽带技术在历史上还有其他的名称，如脉冲无线电 (ImpulseRadio)，时域脉冲，无载波技术等。上述名称反映了超宽带信号在时域上持续时间极短，在频域上覆盖了很宽的频带这个典型特点。超宽带技术具有如下优势:(1)辐射谱密度低超宽带通信系统使用很低的功率谱密度发射信号，功率谱密度与窄带系统接收端的背景噪声电平持平。因此，超宽带系统对窄带系统的干扰小，能与其他通信系统共享频谱资源。此外，低的辐射谱密度使得信号的隐蔽性特别强，被截获和检测的概率低，保证了通信的安全性。(2)传输速率高超宽带极窄脉冲信号的本质特点就是具有极宽的带宽，由香农信道容量公式可知，信道容量与带宽呈近似线性关系。因此，超宽带系统具有很大的系统容量。超宽带的这种特性非常适用于高速率数据传输的无线通信系统，理论的最大数据传输速率可达到1GbPs。但是，由于辐射谱密度低，超宽带系统只能应用于10米内的短距离高速无线通信。(3)多径分辨能力强在无线通信系统中，信道情况比较复杂，发射机和接收机之间存在许多障碍物。发射信号经过多次反射、散射、绕射后经过不同的路径到达接收端。由于经过不同路径的信号其幅度的衰减和时间的延迟都是不同的，所以在接收端这些信号的叠加会引起信号的衰落，窄带系统尤为严重。在超宽带系统中，承载数据信息的是持续时间在纳秒级的时间离散窄脉冲，经多径反射的延时信号与直达信号在时间上是可以分离的。因此，超宽带信号具有很强的分辨多径衰落能力。(4)极宽的带宽一个基带极窄脉冲从时域经傅里叶变换到频域，其频率覆盖范围从直流(DC)到几个甚至十几个GHz的频率位置。因此，脉冲超宽带系统具有极宽的带宽。无论是人为干扰还是无意识的干扰只能破坏如此大的频带中的某一小部分频率，对整个信号的衰减不大。(5)体积小、功耗低超宽带技术不需要载波，传输的数据(信息)直接调制在持续时间为纳秒级的窄脉冲上，超宽带信号的辐射功率极低，大大简化了发射机结构。接收机的结构也比较简单，与传统载波通信系统相比，不需要频率合成器、混频器等复杂的射频电路模块。因此，脉冲超宽带系统的功耗和成本较低。二、超宽带技术的历史及研究现状1.1 历史 超宽带技术的历史渊源，最早可追溯到1895年马可尼在意大利用感应线圈和顶负荷天线实现了1.5英里(1.609公里)的火花放电式莫尔斯电报试验，该试验系统符合超宽带无线电这个词的含义;1942年，Louis de Rosa提交了两项脉冲技术的专利申请;1945年，Conrad H. Hoeppner提出的有关脉冲通信技术的专利申请获得批准;60年代中后期，美国斯伯利电子研究中心的Gerald Ross博士和Henning Harmuth为脉冲通信技术的发展做出了很大的贡献，他们研究了脉冲传输系统的主要部件和脉冲收发信机的设计，主要集中在脉冲的产生和检测技术;1974年，Moray申请了一个能探测地下地貌的雷达系统的发明专利，该系统采用脉冲超宽带技术，这项专利后来被推广应用在商用领域;1978年，Ross G F博士以“时域电磁学及应用”为标题对脉冲超宽带技术作了比较全面的论述，内容涉及了超宽号的产生和处理技术、时域特征分析技术、天线技术以及在雷达上的应用等从80年代开始，时域电磁学的研究成果开始被应用于无线通信，特别是在密径环境下的短程通信。现代超宽带通信的应用开始于1993年美国南加州大学Scholtz教授提出的超宽带多址通信概念。90年代初，超宽带技术引到了美国军密切关注，开始斥巨资资助超宽带技术的研究。主要研究军用电台和无线组目标是建立保密性好的通信/定位一体化的移动网络。 1.2 国外研究现状 本世纪以来，国外很多研究机构和高校纷纷对超宽带技术展开了全面的研究。2001年5月，美国南加州大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院从美国国防部申请到了短距离超宽带通信系统的创新性研究项目。美国国防部高级研究计划局委托佐治亚理工学院的移动和便携无线电研究组，展开了超宽带Ad-Hoc（特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，即点对点）网络节点在恶劣环境下的可靠性和稳定性研究。美国罗格斯大学的WINLAB实验室在其申请到的超宽带项目中，主要研究超宽带系统建模、信道建模、调制和解调算法、信号的定时和同步算法以及物理层和数据链路层收发芯片的设计。20022004年，加州圣地亚哥大学无线通信研究中心开展了对超宽带技术通信和定位的研究，研究超宽带技术如何能更快、更方便、更安全地应用于计算机之间通信。美国奥斯汀大学超宽带研究与工程中心研究了超宽带系统与全球定位系统的兼容性问题。美国斯坦福大学还建立了通信试验网，测试超宽带系统对全球定位系统的干扰。芬兰奥卢大学无线通信研究中心启动了超宽带研究项目，主要研究超宽带系统与GSM、UMTS、GPS等系统的共存性问题，并研制出了自组织无线个域网的通用平台，该通用平台具有精确的室内定位能力。目前，亚洲国家中国、以色列、日本、韩国和新加坡也开展了超宽带技术的相关研究，正在积极争取制定超宽带无线电技术的国际标准。国外研究机构在超宽带通信理论研究方面取得了长足的进步，研究了超宽带通信技术与常规无线通信技术(如窄带系统、GSM系统、GPS系统和WCDMA系统等)的共存性、脉冲超宽带的多用户检测、脉冲超宽带信道估计、最佳接收机、脉冲超宽带的ad-hoc网络、和脉冲超宽带功率谱等方面的问题。超宽带通信的研究从最初以脉冲为主导，发展到脉冲与多种超宽带通信技术并存。在脉冲超宽带方面，脉冲从最初的高斯系列脉冲发展到多种脉冲并存;在调制技术方面，从最初提出的脉冲位置调制发展到多种调制方式并存。1.3 国内研究现状 国内的研究机构也纷纷开展了超宽带技术的研究工作，目前，已有多个大学的研究项目得到了国家自然科学基金和863重大项目的支持，涌现一大批研究成果。其中东南大学、清华大学、中国科技大学提出了不同的宽带短距离高速通信的技术方案，提交了有实用价值的发明专利，搭建了超宽带系统的演示平台。东南大学超宽带课题组自2000年开始，率先在国内开展了超宽带通信技术的研究，并在超宽带技术领域获得多项国家专利，其提出的DC-OFDM高速超宽带系统方案，成为我国国内第一套自主研制的、完整的、经过硬件实验系统验证的高速超宽带物理层通信系统方案，其设计的传输速率可大于480Mbps，在数字家庭和办公室高速无线网络，信息家电和无线多媒体通信等领域有广泛的应用前景。该方案可作为我国的超宽带通信国家标准物理层的备选方案，对实现我国超宽带技术的产业化、标准化，具有重要的意义。2007年，国家863计划又启动了高速超宽带芯片研发的新项目，开发我国有自主知识产权的超宽带芯片。中国科大无线网络通信安徽省重点实验室与同年承担了国家“”计划课题“超宽带芯片设计及组网试验”。经过年的努力，课题组完成了超宽带集成技术研究和关键专用集成电路芯片开发，实现了超宽带无线接入与互联的组网应用示范。这是脉冲超宽带技术走向工程实现的一个重要突破。国内企业看到了超宽带技术的市场前景，也积极参与超宽带技术的研发，华为技术有限公司已经成功开发出了基于超宽带技术的视频传输演示系统和无线USB等。超宽带技术正逐步走向实用化、商业化阶段。注：RFID(Radio Frequency Identification的)，即射频识别，俗称电子标签。毕光国，我国超宽带通信技术研究的先行者。他领导东南大学超宽带通信课题组率先在国内进行了超宽带通信技术的研究，并获多项国家专利。在国家“863”计划的资助下，提出了我国第一套自主设计研制成功的高速超宽带通信物理层方案，他指出高速UWB的传输速率目前可达100Mbps1Gbps，传输距离可达1020米，属于高速短距离传输；中低速UWB传输速率一般在1Mbps以下，最高不超过30Mbps，传输距离可达100米以上，甚至几公里，属于中低速中短距离传输。其中，高速UWB应用标准的传输速率可达480Mbps，目前实际已可达到1Gbps，正在开发2Gbps的速率，并将进一步发展到56Gbps，预计在56年内，能够达到10Gbps40 Gbps。1.4 超宽带通信技术的主要研究方向目前国内外UWB通信技术研究主要集中在以下几个方向上：信号传播特性的研究与信道建模；UWB同其他通信系统的相互干扰；超宽带天线的设计；脉冲形状、脉冲产生电路和脉冲修形电路与天线的联合设计与优化；调制方式与伪随机码的选择；接收机的设计；MAC层的设计与优化等。三、超宽带技术的主要应用相对于常规的窄带无线通信系统，超宽带通信系统具有空间频谱效率高、分辨多径能力强、截获概率低、测距和定位精度高、体积小功耗低等诸多优点，因此超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网、个域网，雷达定位和成象系统，智能交通系统，涉及到军事、公安、救援、医疗、测量等等领域:(1)在无线多媒体局域网，家域网，个域网、通信运营商的无线中继线路的应用中，各种多媒体设备通常希望使用数十兆甚至数百兆的数据速率，目前超宽带技术被认为是能够符合这种要求的最合适的技术之一(2)超宽带系统同时具有无线和定位的功能，可以应用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生及智能交通系统中。(3)使用基带脉冲方式的超宽带系统，具有比较强的穿透障碍的能力，在勘探、安全等领域具有很大的应用潜力。(4)利用超宽带信号截获概率低、保密性高和体积小的优点，可以应用于侦察、情报收集、武器制导等军事领域。四、超宽带产品主要生产厂家 针对人们对短距离、大容量的通信需求，目前国外研究机构已开展了集成RF、基带和网络处理等模块为一体的SOC芯片设计研究工作。在芯片研发和制造方面，Intel和Motorola是业界的先驱，两家公司已开发研制出多种超宽带无线通信系统，最高传输速率可达480MbPs，提出了超宽带芯片组商用化的解决方案。这些系统不仅能应用于短距离高速通信，也能应用于低功耗、低成本、定位精确、低速率超宽带传感器网络。Xetrem公司已开发出可商用的脉冲超宽带收发芯片组，包括RF前端、RF收发信机、基带处理和MAC处理等四个芯片。2005年，德国Nanotron公司推出了一款基于Chirp调制的芯片组，该芯片组可以用10mw的输出功率实现室内900m，室外60m，速率为IMbPs的无线通信。2005年12月8日一10日在日本举办的超宽带系统国际研讨会上，Nanotron公司发布了它的新的基于Chirp的脉冲超宽带系统原型。该系统原型利用500MHz的带宽和500ns的符号宽度，实现了优于1米的测距精度。Six Startups ： Staccato Communications（2000年再美国成立，主要为无线通信设备芯片制造商，是以UWB为核心技术起家的） Wisair Co.（以色列无线电子产品芯片制造商） Alereon Inc.（美国） WiQuest Communications Inc. （完整超宽带解决方案的全球领先者WiQuest通信公司） Artimi Inc.（Artimi公司是一家无晶圆厂半导体公司，开发硅芯片解决方案对高带宽的无线连接基于UWB技术。） TZero Technologies(破产)UWB chip supplier in the top ten rankings: WiQuest Communications Inc. Alereon Inc. Pulse LINK Wisair Co. Realtek Semiconductor Sigma Designs TZero Technologies WiLinx LLC Staccato Communications General Atomics Aero