物联网及短距离无线通信技术[董健] 第八章

1、第八章第八章 UWBUWB技术技术 本章内容本章内容1 1、UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 2 2、UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理3 3、 UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案 4 4、 UWBUWB技术的应用技术的应用UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述n超宽带(Ultra Wide Band, UWB)无线通信技术起源于20世纪60年代Dr.Gerlad F.Ross对微波网络冲激响应的研究。n此后研究焦点主要集中在雷达系统，并一直被美国军方严格控制，利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达，以及低截获率/低侦测率的通信系统。 UWB技术

2、背景技术背景n1989年，美国国防部首次使用超宽带UWB的名称，规定相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的信号为超宽带信号。n2001年的11月，附属于 IEEE 802.15 的任务小组3a (Task Group 3a, TG3a) 成立，以发展高速率的物理层,用来提供在不到 10公尺的短距离内实现 110 Mbps 至 480 Mbps 的数据传输。 UWB技术背景技术背景UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述n2002年2月，美国联邦通信委员会FCC 发布02-48号报告及法规，批准将UWB 技术用于民用，对使用UWB的发送输出功率标准值按三种用途分别做了规定：

3、（1）Imaging Systems （2）Vehicular Radar Systems （3）Communications and Measurement Systems UWB技术背景技术背景UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述nFCC 批准UWB 设备的合法使用后，促使许多公司考虑采用UWB无线通信技术向 IEEE 802.15.3a 提出物理层的标准。 UWB技术背景技术背景UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述nUWB是一种WPAN (Wireless Personal Area Network,无线个人局域网）通信技术。nWPAN是一种采用无线连接的个人局域网，它被用在诸如

4、电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。 UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术简介技术简介UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术简介技术简介n 支持WPAN的技术包括：Bluetooth、ZigBee、 UWB、IrDA、HomeRF等。UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术简介技术简介nUWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit

5、/s的数据传输速率。UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述nDARPA（美国国防部先进研究项目局 ）： 在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%nFCC（美国联邦通信局）： 在-10dB处的绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%n两方面限制： UWB技术简介技术简介绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止频率 与下截止频率之差。10dBHLBff注：注：纵坐标PSD（信号功率谱密度），单位是功率功率/Hz，所表现的是单位频带单位频带内信号功率随频率的变换情况功率随频率的变换情况。实际应用中，绝对带宽有3dB绝对带宽、20dB绝对带宽等不同选择。 UWBU

6、WB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术简介技术简介相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值 。中心频率中心频率：HL2ff UWB技术简介技术简介UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述HL10dBFractionalHLHL22ffBBffff例如，以10dB绝对带宽计算的相对带宽为：注：注：FCC规定UWB信号为10dB绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术简介技术简介中心频率UWBUWB技术背景和概述

7、技术背景和概述 UWB技术简介技术简介-20-100绝对带宽绝对带宽(DARPA)(DARPA)绝对带宽绝对带宽(FCC)(FCC)中心频率中心频率频率轴频率轴归一化功归一化功率谱（率谱（dBdB）nFCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1-10.6GHz，发射机的信号最高功率谱密度为41.3dBm/MHz，如图所示。 UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述1.6 1.92.4Bluetooth,802.11bCordless PhonesMicrowave OvensGPSPCS5802.11a-41 dBm/MHz“Part 15 Limit” UWB SpectrumFreque

8、ncy (GHz)EmittedSignalPower10.63.1 UWB技术简介技术简介 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述nUWB显著特征是高速率和短距离。nUWB采用500MHz至几个GHz的带宽进行高速数据传输，在10m距离内提供高达100Mbit/s以上，甚至1Gbit/s的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。 UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术特点技术特点（1）传输速率高）传输速率高（2）通信距离短）通信距离短（3）系统共存性好，通信保密度高）系统共存性好，通信保密度高（4）定）定位位精度极高，抗多径能力强精度极高，抗多径能力

9、强（5）体积小、功耗低位）体积小、功耗低位（1）传输速率高）传输速率高nUWB系统使用高达500MHz7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式， 即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率。 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述)1 (log2NSBC（2）通信距离短）通信距离短n高频信号衰落更快，这导致UWB信号产生严重的失真。n研究表明： 当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于传统的窄带系统； 当收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述

10、技术背景和概述（3）系统共存性好，通信保密度高）系统共存性好，通信保密度高n极低的功率谱密度（上限仅为41.3dBm/ MHz）n噪声电平低，与传统的窄带系统有着良好的共存性n具有很强的隐蔽性 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述（4）定）定位位精度极高，抗多径能力强精度极高，抗多径能力强n脉冲宽度一般在亚纳秒级n很强的穿透力，高精度测距和定位能力n由于信号持续时间很短，脉冲信号使得信号具有很好的多径分离性能，尤其对于室内这种密集多径环境，UWB信号好的多径分离特性使得其系统只有相对很小的衰落容限（fading margin）。所以UWB信号更适合室内等密集多径环境下

11、的高速率、短距离信息传播应用。 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述（5）体积小、功耗低位）体积小、功耗低位n传统的UWB技术无需正弦载波，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术特点技术特点UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述UWB技术主要指标技术主要指标nUWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。n在

12、通信领域的应用包括：组建高速局部物联网；无线个域网和家庭无线网络；作为各种设备之间的高速通信接口。UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 UWB技术技术应用范围应用范围UWB card 常见常见UWB连接设备连接设备UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述dell wireless dock 常见常见UWB连接设备连接设备UWBUWB技术背景和概述技术背景和概述UWB HUBUWBUWB技术背景和概述技术背景和概述 常见常见UWB连接设备连接设备 脉冲无线电技术脉冲无线电技术n脉冲无线电（Impulse Radio）是早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载

13、波无线电技术。该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理（1）常用）常用UWB基带窄基带窄脉冲波形脉冲波形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。n功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。因此，典型的UWB脉冲是高斯双叶脉冲（Gaussian Doublet），这种脉冲因为生成容易而被经常使用。 脉冲无线电技术脉冲无线电技术UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理（1）常用常用UWB基带窄基带窄脉冲波形脉冲波形 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

14、UWB无线通信技术原理无线通信技术原理)(6exp36)(2tteAtv)6exp(232)(222tfeftjfvn 单周期高斯脉冲对应的时域和频域的数学模型可以表示为： 脉冲无线电技术脉冲无线电技术（1）常用）常用UWB基带窄基带窄脉冲波形脉冲波形 单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术 一种频谱利用率高的UWB窄脉冲的时域波形和频域波形UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术（1）常用）常用UWB基带窄基带窄脉冲波形脉冲波形（2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式nUWB技术常用的脉冲调制

15、方式包括脉位调制（PPM）、脉幅调制（PAM）和二相调制（BPSK）。UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术： 通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。（2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术 通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。 通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，即OOK（On-off Keying）。UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲

16、无线电技术脉冲无线电技术（2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式 BPSK通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于PPM的3dB增益。（2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式 脉冲无线电技术脉冲无线电技术UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理n几种调制方式的比较几种调制方式的比较 PAM、OOK和PPM共同的优点： 可以通过非相干检测恢复信息。 PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。（2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术 PA

17、M、OOK和PPM共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，而且会降低功率的利用率。 BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。 （2）UWB脉冲调制脉冲调制方式方式 脉冲无线电技术脉冲无线电技术UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理（3）UWB脉冲无线电系统脉冲无线电系统n多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现各用户之间通信的技术。n实际的多址技术有：跳频FH（Frequency Hopping）

18、，直扩DS（Direct Squence）。n直扩采用伪随机码进行扩频，跳频是用码序列构成跳频指令来控制频率合成器输出信号的频率。 脉冲无线电技术脉冲无线电技术UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理n多址与调制方式相结合，可以得到3种典型的超宽带脉冲无线电系统： TH-PPM TH-PAM DS-BPSK。（3）UWB脉冲无线电系统脉冲无线电系统UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 脉冲无线电技术脉冲无线电技术n在2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽

19、带方案MB-OFDM（MultiBand OFDM）。n2005年3月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于MB-OFDM方案的ECMA-368和ECMA-369标准，于2007年通过ISO认证，成为第一个UWB的国际标准。 多带多带OFDM（MB-OFDM）UWB技术技术UWB技术方案技术方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理nOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交频分复用 是一种MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)技术，其主要思想是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换

20、成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。nMB-OFDM 将频段分成多个528MHz的子频带，每个子频带采用OFDM方式，数据在每个子带上传输。 多带多带OFDM（MB-OFDM）UWB技术技术UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理UWB技术解决方案技术解决方案ECMA-368协议协议nECMA-368协议规定了用于高速短距离无线网络的UWB系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为3.110.6GHz，最高速率可以达到480Mbit/s。UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技

21、术原理无线通信技术原理 ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（ PLCP ）前导、PLCP头和物理层服务数据单元（ PSDU ）三部分组成的PLCP协议数据单元（ PPDU ）。UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理PLCP（Physical Layer Convergence Protocol：物理层汇聚协议）PSDU（PHY Service Data Unit，物理层服务数据单元）PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP协议数据单元）nPLCP前导有标准和突发两种类型。nPLCP前导的结构分为同步序列和信道估计序 列

22、两段。n同步序列长度: 标准类型为24个OFDM符号，突发类型为12 个OFDM符号; UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理n 信道估计序列长度: 两种类型均为6个OFDM符号。n OFDM符号是指在发送端数据比特经过一些列 变化后，将要通过射频发射出去的模拟波形。UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理nPPDU的数据经过编码调制过程后形成OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。其中PLCP前导是时域信号，不用经过编码和调制直接形成OFDM信号，PLCP头与PSDU部分形成OFDM符号的过程如图所示：UWB技术解决方案

23、技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 它把4个交织后的比特同时映射到两个16进制（16点）的符号中，接下来把两个十六进制的符号映射到间隔50个子载波的两个子载波中。n在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为528MHz的子带，这14个频带又分为5组，其中前4组内各含有3个子带，第5组内含有2个子带。n实际方案中，先期仅采用3.1684.752GHz的3个子带，在每个子频带上，信息采用128点IFFT/FFT的OFDM调制。IFFT将信号从频域转换为时域，FFT将信号从时域转换为频域。UWB技术解决方

24、案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理 MB-OFDM 定义了7组时频码，其中包括4组跳频与3组定频模式，跳频模式可使两个未经协调的微微网（piconet）之间的干扰减小。UWB技术解决方案技术解决方案UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理6个符号时隙周期的时频码个符号时隙周期的时频码UWBUWB无线通信技术原理无线通信技术原理UWB技术解决方案技术解决方案n图中列出了7组周期为6个符号时隙的时频码，每种TFC中的1，2，3表示子带序号。无载波脉冲位置调制UWB通信系统无载波脉冲方案无载波脉冲方

25、案 UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案n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。n无载波脉冲方案中，常采用跳时(TH)和直接序列扩频(DSSS，direct-sequence spread spectrum)的多址方案。n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 。UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案无载波脉冲方案无载波脉冲方案 单载波单载波DS-CDMA方案方案 单载波DS-CDMA信号频谱单载波DS-CDMA UWB 系统的部分参数UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案nMB-TFI-OFDM（多带-时频交织Time Fre

26、quency Interleave-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。nMB-TFI-OFDM方案在频谱利用方面有很高的灵活性。nMB-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。 UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案 MB-TFI-OFDM方案方案典型MB-TFI-OFDM UWB 系统的部分参数 MB-TFI-OFDM方案方案UWBUWB通信的实现方案通信的实现方案UWB的应用概述 nUWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能