超宽带技术研究报告

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 介绍 2超宽带技术的工作原理及其演化 2主流超宽带通信技术介绍 3MB-OFDM 技术介绍 4为什么采用 OFDM 技术 4频谱划分 5OFDM技术 6时频码 7DS-CDMA 技术介绍 7频谱划分 7DS-CDMA 技术 8共同信令模式 10UWB 系统的 MAC 层发展现状 11超宽带系统与其他无线通信系统的兼容 14FCC 的 UWB 频谱规划 14ETSI 的 UWB 频谱规划 15ITU 的 UWB 电磁兼容性研究 16中国对 UWB 电磁兼容性研究 18超宽带通信技术的标

2、准化、产业化及应用 18UWB 技术的标准化进程 18UWB 技术的应用前景 19IEEE 802.15.4A标准化近况 22结论与未来工作展望 错误！未定义书签。.介绍超宽带(Ultra Wideband , UWB )技术是现在正在被广泛研究的一种新兴无线通信技术。 一方面，由于其具有高数据率(可达 100Mbps1Gbps)、低功耗和低费用等特点，为无线通 信的发展开辟了新的机遇。另一方面，由于其占用极宽的带宽，与其他通信系统共享频段， 又给干扰、兼容等相关领域的研究带来了挑战。最近，美国联邦通信委员会( FCC)已经规定UWB系统可以使用3.1GHz10.6GHz的 频段，但有效各向同

3、性发射功率( EIRP , Effective Isotropic Radiated Power)不得超过 -41.3dBm/MHz 。频谱规划的确定使 UWB技术的研发骤然加速。在过去的一两年中，各种 技术方案围绕国际标准的制定展开了激烈的竞争。同时UWB芯片的开发业紧锣密鼓地进行，第一批UWB设备有可能在2004年底面市。而我国在 UWB方面的研究还有很多工作 要做：频谱尚未划分，发射功率的限制要求尚未确定，作为频谱划分依据的兼容性研究和测试技术尚不成熟，技术方案尚未选定。本报告试图对当今国际上 UWB技术的发展现状和发展前景做一介绍，并对我国在UWB方面的标准化和产业化提出一些建议。需要

4、说明的是，UWB技术并不仅仅应用于通信领域，它在雷达成像、车载防撞雷达、定位、测距等方面也有很多应用。本报告主要涉及UWB通信技术。本报告的内容将分成如下几部分：第二节将介绍超宽带技术的原理及近年来该技术的概 念的变化。第三节将对现在有可能成为国际标准的两种主流UWB技术方案进行介绍， 并比较它们的优缺点。第四节将对UWB技术的应用前景做一展望。第五节将讨论UWB技术的兼容性问题。第六节将对我国在UWB标准化和产业化过程中应做的工作提出建议。.超宽带技术的工作原理及其演化UWB技术被看作是近几年在无线通信领域兴起的一种新技术。但实际上，这项技术已 经有几十年的历史了。UWB最初的定义是来自于

5、60年代兴起的脉冲通信技术，又成为脉冲无线电(Impulse Radio)技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种 技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输(basebandtransmission)或无载波(carrierless)技术。脉冲UWB技术的脉冲长度通常在亚纳秒量级，信号带宽经常达数 GHz,比任何现有的无线通信技术(包括以 3G为代表的宽带 CDMA技术)的带宽都大得多，所以最终在 1989 年被美国国防部称为超宽带技术。传统脉冲UWB信号通常具有很小的占空比(duty cycle )(10-210-3),这决定了这种UWB设备的平均发射

6、功率很低，甚至是现有的蓝牙(Bluetooth)系统的1/100至1/1000。如此低的发射功率带来的诸多好处：首先，这使UWB系统可以与其他无线通信系统“安静的共存”。可以理解，UWB系统所要求的超宽频段不可能通过独占许可频段来获得，所 以UWB设备的发射功率必须降到背景噪声的水平，以便和其他无线系统共享频段。其次， 极低的发射功率也使 UWB设备具有很低的能耗。由于功率放大器通常可以被省去，UWB设备具有很低的成本。最后，极低的发射功率也使UWB信号很难被监听，从而有很好的保密性。另外，低占空比的脉冲UWB设备也有很好的抗多径干扰性能。由于脉冲宽度很小，来自其他径的信号分量很容易被时域滤波

7、器滤掉。尽管脉冲UWB系统由上述的优点，但其频谱利用率较低，脉冲成形滤波过程中残留的 带外频率分量可能产生难以预估的干扰，也有研究指出使用CMOS实现脉冲UWB系统有一定的困难。另外，早期脉冲UWB技术的专利多掌握在一些小公司手中。基于上述的原因，当近几年Intel、TI、Motorola等大公司进入这一领域时，不约而同的摒弃了脉冲方法，转而 对传统的载波调制技术进行改造，使其具有 UWB技术的特点。从UWB技术本身的工作机理分析，该技术的某些特点与使用脉冲技术没有必然的联 系。根据香农公式，无线信道的容量极限是与其占用的带宽成正比的，UWB能实现很高的数据率，是由于其占用很大的带宽。如果载波

8、调制技术经过改进可以利用很大的带宽，理论上也可以实现很高的容量。当前对于UWB技术的定义不是根据其使用的调制方式，而是根据其使用的带宽来设定的。根据FCC数年前的定义，UWB系统应该是相对带宽（带宽与中心频率之比）大于 0.25 或带宽超过1.5GHz的系统。最近 FCC又修正了对 UWB技术的定义，规定相对带宽大于 0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作 UWB系统，并分配3.1-10.6GHZ频段作为UWB系 统可使用的频段， 在该频段内，UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz ,以便与其他无 线通信系统共存。这种更宽泛的定义使某些传统无线通信技术也开始被考虑作为UWB通信

9、技术的候选方案。2003年，在IEEE 802.15.3a工作组征集提案时，Intel、TI和XtremeSpectrum （后被 Motorola收购）分别提出了多频带 （multiband）、正交频分复用（OFDM）、直接序列CDMA （DS-CDMA ）等三种方案，后多频带方案和OFDM 方案融合，形成了多频带 OFDM（MB-OFDM ）和DS-CDMA两大方案竞争的格局。这两种方案都是在对传统技术进行改进 后满足UWB技术的特征的。MB-OFDM 仍然基于128点的OFDM传输，但每个子载波的 频宽由几kHz增长至ij 4MHz。而DS-CDMA采用了超过1Gcps的码片速率，与传统

10、 CDMA 技术几百kcps的码片速率形成了很大区别。现在大部分研究人员都同意，UWB是指一种频谱使用方案，而不是某种特定技术的名称。综上所述，当今成为 UWB主流方案的两大技术与早期定义的UWB技术在本质上是不同的，它们更适宜被看作 OFDM技术和CDMA技术的超宽带改进型。 人们在这两种技术上 积累的理论知识和实践经验大部分仍适用于UWB技术，只是在具体的技术环节上（如干扰问题、频谱规划、低能耗等）应特别注意。虽然在超高速无线通信方面，大部分研究开发工作已转向非脉冲方法，但仍有部分研究者坚持脉冲UWB技术进行改进，希望其成为超高速 UWB的备选技术。另外，脉冲UWB 技术在雷达、成像、精确

11、定位（精度 1cm）等其他领域仍有其发展空间，IEEE 802.15.4a工作组正在考虑的低速 UWB无线通信技术也是脉冲方法可能应用的领域。.主流超宽带通信技术介绍和其他的IEEE 802.1x技术相似，IEEE 802.15.3a技术协议也可分为三层。如图 1所示, 这三层为物理层、 MAC层和汇聚层。各种 UWB技术的不同主要体现在物理层和MAC层,汇聚层则将各种不同的应用技术（如无线UWB、无线IEEE 1394等）映射到UWB的MAC层。当前，UWB物理层技术主要分为 MB-OFDM 和DS-UWB两个分支。这两种物理层技 术在MAC层方面，现在都支持IEEE 802.15.3的MA

12、C层协议。另外，MB-OFDM厂商正在 编写新的MAC层协议，以适应发展。nuo 一 soApplications图1、UWB技术协议结构MB-OFDM术介绍2003年7月在美国召开的IEEE802.15.3a会议上，Intel提出的多频带方案和 TI提出的 OFDM 方案最终融合成了 MB-OFDM UWB技术方案，并获得了比DS-CDMA 方案更多的支持。虽然此方案也尚未获得成为IEEE标准的75%的票数(截止至2004年7月)，但由于得到大多数厂家，尤其是Intel、TI等芯片制造商的支持，很有可能成为最早被业界认同的事实标准。由于两大标准在IEEE802.15.3a内相持不下，MB-O

13、FDM技术的开发推广工作主要在多频带 OFDM联盟(MBOA )中展开，该联盟现有 173个成员(截止到2004年9月7 日)，除了 Intel和TI以外，还包括松下、索尼、三菱电机、三星、飞利浦、惠普、 NEC、 诺基亚、夏普、东芝等知名厂商，中国的华为、中国科大和上海大学也加入了该联盟。为什么采用OFD峨术多频带OFDM联盟考虑采用 OFDM技术作为UWB系统的物理层基于如下几个原因： (1) 频谱效率高。OFDM技术可使所有子载波之间有很好的正交性，所以可以紧密 的排列子载波，从而最大限度的利用频宽。相对于 CDMA系统中的多址干扰， OFDM子载波之间的干扰是很小的，所以 OFDM技术

14、被看作超3G的主要核心 技术。同时，OFDM技术已经在无线接入系统(如 802.11和802.16)和数字电 视系统中广泛的使用，取得了良好的效果。抗多径干扰。传统OFDM技术将数MHz带宽分成数百个子载波，使每个子载 波只有几kHz或十几kHz,这样每个子载波内的多径衰落可以近似看作水平衰 落，这使OFDM接收机可以将均衡(equalization)过程极大的简化。但需要注 意的是，当前被考虑的多频带OFDM方案总带宽超过 500MHz ,单子载波带宽在4MHz以上，所以频率选择性衰落的影响不可忽略，这一点与传统的OFDM技术有很大不同。但是，多频带OFDM技术仍然可以采用在相邻符号(sym

15、bol)间插入循环前缀(cyclic prefix , CP)来防止码间干扰(inter-symbol interference , ISI)并保证的子载波之间的正交性，然而由于频率选择性衰落产生的一个符号 之内的多径干扰仍然相当严重，接收机端均衡的压力仍然很大。抗窄带干扰。在有窄带干扰的环境中，OFDM系统可以通过关闭某些子载波来规避干扰。即使少数子载波受到干扰，OFDM接收机也较容易使用前向纠错码(FEC)解码器纠正信号中的误码。OFDM技术的这一特性对 UWB系统有特殊的意义。由于UWB设备需要在很宽的频带中与其他无线通信系统共存，UWB系统在防止受到其他系统干扰的同时，要保证其他系统的

16、正常使用，这一点是 UWB技术是否能顺利推广的一个重要因素。即使UWB设备能够满足相关频率监管部门(如FCC)的发射功率限制，仍需要规避某些敏感频段。OFDM系统可以灵活的关闭与这些频段重叠的子载波来满足要求，以适应各国对本国不同 的特殊频段的保护。但是直接序列扩频(DS-SS)系统显然无法做到这一点。图2显示了 OFDM系统如何关闭某些子载波，以保护日本航天无线通信系统所使用的频段。3332 - 3339 MHz图2、OFDM系统可关闭某些子载波，规避受保护频段频谱划分多频带OFDM UWB频谱划分方案曾多次修改，最新的方案如图3所示。该方案将FCC分配的3.1-10.6GHZ频带分为13个

17、频段，每个频段 528MHz,用来发送128个点的OFDM 信号，每个子载波占用4MHz左右带宽。这13个频段又分为5组，每组包含三个或两个频段，最初使用的将是低频段组，即第一组。UWB的OFDM传输可以在这三个频段之间跳转，以取得频率分集。高频的频段组既可以单独使用，也可以和低频的频段组联合使用，比如第1组和第3组可以联合使用，获得 6个频段的频率分集。UWB系统在多频段之间的跳转方法由时频码(Time-Frequency Code)实现，本文将在 3.1.4节介绍。Band Group #1Band Group #2Band Group #3Band Group #4Band Group

18、#53432 MHzBand#4Band#7Band #129240 MHz9768 MHz10296 MHz55446072MHzMHz396044885016MHzMHzMHz660071287656MHzMHzMHz81848712MHzMHzBandBand#13#14BandBand#5#6BandBand#10#11承：Band #1Band#2Band#3Band#8Band#9图3、多频带OFDM频谱划分方案如图3所示、将很宽的频带分段使用的模式即称为多频带(multiband)技术，这种技术和OFDM技术有相似的优点，如有效、灵活的使用频宽，可以支持各种速率的业务等。多 频带

19、技术和OFDM技术联合使用，由多频带粗分频带，由 OFDM细分频带，可以灵活的规避敏感频段，如某个频段内有较多OFDM子载波对其他系统（例如 5.8GHz WLAN系统）产生干扰，可暂时完全关闭这个频段，转而使用其他频段。OFD般术多频带OFDM系统使用的 OFDM技术与传统的 OFDM技术基本是一样的，这从多频 带OFDM发射机的结构（如图 4所示）就可以看出，只是每个子载波使用很宽的带宽而已。 信源首先经过信道编码、 交织和调制，然后通过快速反付丽叶变换（IFFT）将并行分布在各子载波上的符号调制成OFDM时域信号，然后再调制到射频上（由此也可以看出多频带OFDM UWB 技术已与传统的脉

20、冲 UWB技术有本质的不同）。Input Data图4、多频带OFDM发射机结构多频带OFDM系统的技术参数如表 1所示。系统采用128点的OFDM传输，正如前面 提到的，由于使用的总频宽很大，128个子载波占用4MHz带宽，一方面加重了接收机均衡的负担，一方面所加入的循环前缀消耗了较大的系统带宽。现在系统需加入60ns循环前缀,而符号长度仅为 315ns,循环前缀消耗的带宽接近20%。从原理上讲，应考虑使用更多点数（如10244096点）的OFDM配谿，以减小循环前缀的开销，并减轻多径干扰。但可能出 于对复杂度的考虑，多频带 OFDM的标准制定者尚未考虑这一点。表1、多带OFDM技术参数In

21、fo. Data Rate55 Mb 网80 Mbps”0 Mbps,160200 Mbps32OMbps皿0 Mbps*ModuiatiorVConEteiiaDonOFDMraPSKOFDKVQPSKOFDM/QPSKOF 口的 PSKOFDMraPSKOFDM/QPSKOFDM/QPSKFFT Size1281128128128128128128Cod ng Rate (K=7)R = 11/32R= 1/2R= 11/32R = 1值R = 5R= V2R=3AISpreairtg RerteA422211Informaijon Tones2525505050100100DataTon

22、eE1001001001001003100Info. Length242上ns242.4 ns242.4 ns2A2.4 ns242.4 ns242.4 ns242.4 nsCyclic Preifix60.6 ns606 rre606 ns60 6 ns60 6 ns60.6 ns6O6nsGuard interval9.5 ns9.5 ns9.5 ns9 5 ns9.5 ns9.5 ns0.5 nsSymbol Length312.5 ns312.5 ns312.5 ns312.5 ns312.5 ns3125 ns312.5 nsChannel Bit Rate60 MbpsMD Mbp

23、sMD MbpsM总联640您因WO MbpsWO MbpsMulti-path Tolerance60.6 nsBD.BrK60.6 ns60 Bns60.6 ns60.6 ns60.6 ns* Miuichfoiy uinlion datsi i ate. + OiJtioiial infbinmhoii rate根据不同需求和信道条件，多带OFDM UWB系统可以提供从 55Mbps到480Mbps的7种传输速率。这些不同的速率是由不同的信道码码率和时频码扩频系数得到的。其中55Mbps、110Mbps和200Mbps是强制配谿，其余数据率是可选配谿。3.1.4 时频码多频带OFDM系统

24、使用空频码（time-frequency code）技术获得频率分级，并实现多微 微网（piconet）多址。微微网是无线个人网（ WPAN ）的基本结构单元，一个微微网中的 WPAN设备使用相同的物理层配谿，但使用不同的时隙进行通信。一个UWB WPAN系统中可能包含多个微微网，因此需要有效的物理层多址手段防止不同的微微网之间的干扰。时频码类似于跳频技术。如3.1.2节所述，多频带OFDM技术可使用多个 528MHz频段传输OFDM信号，如在第一频段组中，有 3个频段可供使用。为了取得频率分集，系统可 在3个频段不停的跳转。表 2显示了 3个频段的时频码，例如，第一个piconet的时频码为

25、123123,意即第一个符号在频段1发送，第二个符号在频段2发送，第三个符号在频段3发送，第四个符号在频段 1发送，以此类推。另外，同一个符号还可以在不同的频段重 复发送，以避免受到窄带干扰的影响。一个符号重复发送的次数称为扩频系数（spreadingrate）,如表1所示，多频带 OFDM系统支持1、2、4三种扩频系数。当然，扩频系数越大， 得到的数据率就越小。表2、多频带OFDM使用的ChannelNumberPreamble PatternMode 1 DEV:军band Length 6 TFC11123123221321323311223344113322另外，时频码也可以用来实现多

26、址， 如表2所示，3个频段的时频码可支持 4个piconet 共存，如果同时使用图 3中的5个频段组，系统最多可支持18个piconet。然而，我们也注意到，现有多频带 OFDM时频码使用的频段数量很少，因而跳频增益也很小。如表 2所示 的3频段配谿，任意两个piconet都有1/3的符号在同一频段发送， 这意味着任意一个 piconet 都至少有1/3的符号受到其他 piconet的干扰，同时使用的piconet数量也多，piconet间的干 扰也越大。可见，时频码的多址能力是很有限的，当多个 piconet同时使用时，每个 piconet 的系统容量将显著降低。多频带 OFDM的设计者们显

27、然是假设：在大多数时候在近距离内 只有一个piconet存在，可能构成干扰的 piconet与这个piconet的距离都较远。3.2 DS-CDMA术介绍在2003年7月IEEE 802.15.3a会议上被选的另一种技术是直接序列CDMA （DS-CDMA ）技术。CDMA技术广泛应用于 2G和3G移动通信系统，在UWB系统中使用的CDMA技术 与在传统通信系统中使用的CDMA技术没有本质的区别，只是使用了很高的码片速率，以获得符合UWB技术标准的超宽带宽。在2004年9月北京召开的无线技术大会上， 飞思卡尔（freescale）半导体公司（原Motorola 半导体部）声称，已向市场推出基于

28、 DS-UWB技术和802.15.3 MAC层协议的套片（包括从 射频、基带到 MAC层的芯片）。频谱划分与MB-OFDM 方案相同，DS-UWB方案也使用FCC分配的3.1-10.6GHz免许可频段。 该方案将所有频带分为两个频段：3.1-4.85GHZ频段（称为低频段）和 6.2-9.7GHZ频段（称为高频段)，如图5所示。图5、DS-UWB的频谱分配方案在每个频段中，DS-CDMA系统将基带信号扩频到整个带宽。这种频率划分方案避开了5-6GHZ无线接入频段，但灵活性较差，可能无法规避将来出现的新技术使用的频段。但 DS-UWB 信号占用的带宽(如低频段为 1.75GHz)远远大于 MB-

29、OFDM 信号的带宽(528MHz ),所以更容易达到很低的功率谱密度。DS-CDMADS-UWB使用的CDMA技术与现在广泛应用于 2G和3G蜂窝系统地 CDMA技术基本 相同，只是采用很高的码片速率 (chip rate)以获得超宽的带宽。低频段码片速率大于 1.3GHz, 高频段码片速率大于 2.6GHz,远远大于 UMTS系统的3.84MHz。系统可实现 25Mbps到 1.3Gbps数据率。DS-UWB 系统使用 BPSK 和 4BOK (quaternary bi-orthogonal keying )调制，这两种调制 技术都具有很低的复杂度，4BOK调制可提供两倍于 BPSK调制

30、的速率，但只略微增加复杂 度。使用1/2和3/4码率的卷积码作为纠错码，扩频码长度从1到24不等。通过采用各种不同的调制方法、纠错码码率、何扩频增益(扩频码长度)，可以实现各种不同的数据率，如表3表6所不。表3、在低频段采用 BPSK可实现的各种物理层配谿Data RateFEC RateCode LengthBits per SymbolSymbol Rate28 Mbps?L=241Fchip/2455 Mbps?L=121Fchip/12110 Mbps?L=61Fchip/6220 Mbps?L=31Fchip/3500 Mbps?L=21Fchip/2660 Mbps1L=21Fch

31、ip/21000 Mbps?L=11Fchip1320 Mbps1L=11F chip表4、在低频段采用 4-BOK可实现的各种物理层配谿Data RateFEC RateCode LengthBits per SymbolSymbol Rate110 Mbps?L=122Fchip/12220 Mbps?L=62Fchip/6500 Mbps?L=42Fchip/4660 Mbps1L=42Fchip/41000 Mbps?L=22F chip/21320 Mbps1L=22Fchip/2表5、在高频段采用 BPSK可实现的各种物理层配谿Data RateFEC RateCode Lengt

32、hBits per SymbolSymbol Rate55 Mbps?L=241Fchip/24110 Mbps?L=121Fchip/12220 Mbps?L=61Fchip/6500 Mbps?L=41Fchip/4660 Mbps1L=41Fchip/41000 Mbps?L=21Fchip/21320 Mbps1L=21Fchip/2表6、在高频段采用 4-BOK可实现的各种物理层配谿Data RateFEC RateCode LengthBits per SymbolSymbol Rate220 Mbps?L=122Fchip/12660 Mbps?L=62Fchip/61000 M

33、bps?L=42Fchip/41320 Mbps1L=42Fchip/4与MB-OFDM 技术不同，DS-CDMA 技术本身具有较强的多址能力。系统在低频段和 高频段各支持 6个微微网，其中 DS-UWB设备必须支持低频段的微微网14,低频段的微微网56和高频段的微微网 712是可选配谿。DS-UWB系统除了使用在传统 CDMA系统使用的码分多址的方法区分不同的微微网之 外，还使用不同的中心频率和码片速率来增强多址能力。DS-UWB系统使用6组扩频码，每组包括一个24位码和一个12位码。系统可以使用 1、2、3、4、6、12、24七种长度的扩 频码，其中扩频码长度为1或3时，每个微微网只能使用

34、一个扩频码，使用其他长度的扩频码时，每个微微网可使用两个扩频码。在使用BPSK调制时，系统只使用一个扩频码组中的24位码，在使用4BOK调制时，系统同时使用一个扩频码组中的两个码。12个微微网工作于不同的中心频率，中心频率不同，相应的码片速率也不同，中心频 率和码片速率之比总是 3。12个微微网使用的中心频率、码片速率和扩频码见表7。不同的码片速率有助于接收机解除不同微微网信号之间的相关性，从而有助于区分不同的微微网。表7、各微微网使用的中心频率、码片速率和扩频码组Piconet ChannelChip RateCenter FrequencySpreading Code Set11313 M

35、Hz3939 MHz121326 MHz3978 MHz231339 MHz4017 MHz341352 MHz4056 MHz451300 MHz3900 MHz561365 MHz4094 MHz672626 MHz7878 MHz182652 MHz7956 MHz292678 MHz8034 MHz3102704 MHz8112 MHz4112600 MHz7800 MHz5122730 MHz8190 MHz6共同信令模式由于两种UWB技术在标准化进程中相持不下，DS-UWB的推动者Motorola和Freescale公司主张推广一种称为共同信令模式（common signaling

36、 mode , CSM ）的技术。这种技术可以允许多种不同的UWB物理层技术被同时使用，共享 UWB频谱。由于DS-CDMA和MD-OFDM 技术有很大的区别，一般来讲很难同时使用这两种技术，CSM技术可以使分别应用这两种技术的设备实现互操作，并避免干扰。在共同信令模式中，具有不同UWB物理层的设备可以用时分多址（ TDMA ）的方式共享UWB带宽，但微微网协调器（piconet coordinator,可由任意设备充当）发出的控制信息 需要被所有UWB设备接收。要做到这一点，要统一控制信号的调制技术和频谱分配方案。共同信令模式统一采用DS-CDMA的调制技术，但采纳 MB-OFDM的频谱分配

37、方案，它采用与MB-OFDM 三频段配谿的中间频段基本吻合的频带（如图6所示），这样MB-OFDM 设备很容易接收这个信号。而DS-UWB设备可以通过调整码片速率的方法适应这个频段，由于CSM频段只有DS-UWB频段的1/3,所以CSM信号的码片速率为中心频率的1/9 （正常DS-UWB为1/3）。这样MB-OFDM 设备和DS-UWB设备都可以接收和解调用共同信令模式 形成的控制信号，随后这两种设备就可以根据控制信号中包含的时隙分配信息进行DS-UWB或MB-OFDM信号的通信。遗憾的是，MB-OFDM技术的代表MBOA断然拒绝采用共同信令模式，使这项技术被 搁谿。从生产成本的角度考虑， 采

38、用CSM技术必然提高UWB设备的费用，所以MBOA坚 持用一种技术统一 UWB标准的想法也是可以理解的。图6、共同信令模式使用的频段4. UWB系统的MAC层发展现状UWB网络是无线个人网(WPAN),根据IEEE 802.15的定义，这个网络是一个自组网 (Ad Hoc Network )。现有的 UWB设备使用IEEE 802.15.3 MAC 层，这种 MAC层协议是从 802.11 WLAN的MAC层协议发展来的，所以在自组网结构的基础上， 还带有星型网的痕迹。如图7所示，802.15.3网络以piconet为基本单元，其中的主设备被称为piconet协调者(PNC)。PNC负责提供同

39、步时钟、 QoS控制、省电模式和接入控制。作为一个 Ad Hoc网 络，piconet只有在需要通信时才存在，通信结束，网络也随之消失。网内的其他设备为从 设备。WPAN网络的数据交换在 WPAN设备之间直接进行，但网络的控制信息由 PNC发出。图 7、IEEE 802.15.3 WPAN 网络结构802.15.3 WPAN的超帧结构如图8所示，一个超级帧包含如下三部分：信标(beacon)：包含时钟分配与通信管理信息。竞争接入段(CAP):用于交换命令和异步数据。信道时间分配段(CTAP):包含若干信道时间分配单元( CTA),其中有些是管理 CTA ( MCTA )。Superframe

40、4m-1Superframe #rnSuperframe #m+1Beacon#mContention access periodChannel time allocation periodMCTA1MCTA 2CTA 1CTA 2 CTA n-1CTA n图8、IEEE 802.15.3的超帧结构一个piconet从PNC开始发射信标（beacon）开始形成，信标携带关于此piconet信息。即使没有从设备存在，一个发射beacon的PNC自己也可以看作一个 piconet。当piconet开始建立的时候，PNC首先查找到一个可用的信道，然后就发出beacon来确定这是一个空的信道，而后在这

41、个信道中建立起piconet。在一个piconet建立后，仍然可以通过切换过程改变PNC。但是802.15.3不支持将两个 piconet融合成一个的功能。PNC通过发送beacon对空中资源进行分配，beacon载有网络的控制参数（网络同步、最大传输功率等）、信道时隙分配、超帧中传输的针对每一个业务流的指示信息等。CAP阶段使用防碰撞载波检测多址 （CSMA/CA ）接入的MAC机制，在CTAP可以使用基本的TDMA 方式分配给各个设备，MCTA可以采取TDMA方式分配或由各设备共享（基于 ALOHA协议）。802.15.3 MAC层由于从802.11 MAC层演变而来，虽然数据在UWB设备

42、之间直接传送， 但需要中心控制。这种星形网络结构适用于以PC （处理能力强、存储空间大）为中心的WPAN，但对消费电子（CE）设备和通信设备支持差。后两种应用需要更简单的、支持移 动性的连接方式。因此，新的UWB MAC 层协议也正在制定当中。 一方面，802.15工作组计划在 802.15.3b 开展新的MAC层的研究，但目前此工作组的工作陷于停滞。另一方面，MB-OFDM的推动者MBOA也在制定自己的 MAC层协议。为了更好的支持 CE和通信设备，MBOA协议在支持中心控制网络结构的基础上，也支持分布式网络拓扑结构。此MAC层将具有如下特点：任何设备都可以创建网络功控，减小干扰接入和数据传

43、送协议简单快速建链/断链（1秒）安装简单（零设辂）支持网络的融合和分裂支持跨网移动支持网络间的相互协调更省电支持同步和异步业务支持Mesh网络结构MBOA UWB网络如图9所示。该网络以 Beacon Group （BG）为单位，所有UWB设备 的超帧帧长统一，但各BG的帧结构不同。设备使用同一帧结构则合为一个BG,帧结构变为不同则BG分裂。设备改变帧Z构则可从一个BG漫游到另一个 BG,设备也可以同时跟踪两种帧结构，从而成为两个BG共有的成员。该设备可以在两个中继站之间转发数据，Mesh网络结构由此构成。图9、MBOA MAC 层支持的分布式网络结构MBOA的MAC定义的超帧Z勾如图10所示

44、。每个设备都发射信标（休眠设备除外）：信标周期可变，已容纳不同数量的设备。设备先搜索其他设备的信标，如未找到则创建新的 BP ,如找到则加入信标并始终使用同一slot。设备通过在信标中宣布不同等级的reservation来实现不同的QoS。异步数据采用有优先级的竞争接入机制。BeaconpSim 口yrtaEjc B0accmiug P/rktd Length*Resv SeaEonSuperframeExpansion TimeLOMUJ6 口 500S Q-3aE S3QL lia-lEo mJ2Egl dHm106-70geJnIndoor Limit-Part 16 Limit-75l

45、_J 161 .s,.10“io1Frequency In GHz图12、FCC对UWB系统的发射功率限制传统的无线通信发射功率测试方法是假设系统始终处于发射状态，这对MB-OFDM很不利。因为 MB-OFDM是间断性发射，而瞬间峰值发射功率较大。所以 MB-OFDM厂商认 为传统方法对 MB-OFDM设备不公平。在其努力下，2005年3日，FCC做出豁免的决定，允许对UWB设备采取测量平均功率的测试方法。使用这种新方法，MB-OFDM也能达到FCC的UWB发射限制标准。但同时，DS-UWB厂商声称，新的测试方法对他们的帮助更大。在满足FCC要求的情况下，DS-UWB设备可以发射更高的功率，从

46、而增加覆盖范围和 系统性能。ETSI的UW颜谱规划除FCC之外，欧洲电信标准协会（ETSI）也提出了自己的 UWB发射功率控制标准。其室内标准如图13所示，室外标准如图14所示。我们可以发现，ETSI在3.1-10.6GHZ频段与FCC建议的标准相同，但是在此频段以外对发射功率的限制比FCC标准更加严格。另外，日本、新加坡等国也正在对FCC标准作局部的修改，以形成本国的标准。If -u g-slw d 山ElCD变 n 一ETSI IndoDr LlrnA FCC Indoor Lbmit Pari: 15 Limit图13、ETSI的UWB发射功率限制（室内）-EO-70ETSI Porta

47、ble Limit FCC Outdoor LlnnHt Part 1 LimitFrequeney in GHz图14、ETSI的UWB发射功率限制（室外）需要指出的是，至今没有任何频谱管理机构宣布将采用ETSI的这种渐变形频谱限制方案，因此在近期召开的ITU SG1 TG1/8会议上，一致同意不再考虑这种频谱限制方案。ITU的UW曲磁兼容性研究由于UWB系统的电磁兼容性关系到此项技术是否能在全球得到广泛应用，有很多机构都投入很大精力进行这方面的研究。国际电信联盟无线通信分部（ITU-R ）在第一研究组SG1（频谱规划研究组） 中成立了 1/8任务组（Task Group 1/8）,命名为“

48、UWB设备和无线通信 业务之间的兼容性”。该任务组内又分成四个工作组：第1组：UWB特性负责定义UWB术语，确定现有ITU术语对UWB是否适用（UWB带宽、带外发射、杂散 发射、非希望发射等），由于 UWB技术的工作带宽远远超出所有的现有无线通信技术，当 前广泛使用的通信术语的概念和内涵还是否适用于UWB技术，尚有待于研究。另外该工作组也研究各种UWB技术的操作特性（包括成像雷达、车载雷达、探地雷达（23-26GHz）、定位和通信系统），包括 UWB发射机和接收机的技术特性第2组：UWB兼容性负责研究UWB系统对现有电磁环境的影响（包括单个UWB设备的影响和所有设备的总影响（噪声的积累）。对于

49、多UWB设备的干扰测量，现在经常使用UWB设备在单位体积内的密度来描述 UWB设备的数量。图15显示了在一个10层的多层建筑的仿真模型（该测试假设UWB设备的密度是1个UWB设备/50m3）,而后仿真这个 UWB设备区对某个无 线通信系统的干扰。口 PATHPP TerrninaJ station图15、多UWB设备的干扰仿真模型该工作组认为可能受影响的系统包括移动通信、无线接入、卫星、GPS、航空航天、海事，电视DVB-T , 24GHz固定点对点通信等。应通过分析UWB设备的特性和信道模型、 参数，确定采用何种保护策略。另外非UWB系统对UWB系统将产生何种影响，也是一个重要的问题。第3组

50、：频谱管理框架该工作组希望为频谱管理部门提供一个频谱管理框架，以确保UWB系统不妨碍其他通信系统的使用。解决是否应该将UWB系统的使用限制在某个特定频段、是否应对不同的UWB技术使用相同的限制、原无线通信规范中的定义是否适用于UWB等问题。第4组：测量方法UWB设备的发射对其他无线通信系统的影该工作组负责向行政管理部门就如何测量 响提出建议。TG 1/8工作组正在就UWB的兼容性和频谱规划方案展开激烈的讨论。有提案建议对UWB的发射采取很严格的控制，比FCC的标准低约30dB,该提案将使UWB技术几乎无法使用。由于这个报告基本沿用传统无线通信技术的研究方法，所以某些方面可能不能反映UWB技术的

51、实际特性。例如图 15所示的仿真模型就没有考虑建筑结构对UWB发射的衰减（实际上，这一衰减相当大），同时假设所有的 UWB始终处于工作状态，这与 UWB设 备的实际使用模式不同。因此UWB的推动者们希望ITU在进行UWB兼容性研究时能考虑如下因素：UWB设备的激活率UWB设备的使用率真实的路损模型5.4 中国对UW曲磁兼容性研究我国的UWB系统发射频谱限制模板应能够与我国现存的无线电系统和业务实现电磁 兼容，不产生相互干扰。在这个基础上，应尽可能与世界各国的标准一致。在2004年9月的中国UWB论坛上，中国国家无线电监测中心公布了一些对UWB技术电磁兼容性的仿真研究结果。该仿真考虑GSM、TD

52、-SCDMA 和PHS设备、下行链路，测试地点在基站覆盖范围边缘，UWB设备和移动终端距离 10m以内。仿真结果表明，与 FCC标准相比，ETSI标准对UWB设备干扰有更好的限制效果。其 中，对PHS系统和GSM900系统，两套标准都可以接受。但对 GSM1800系统，只有 ETSI 标准和FCC室外标准可以接受，而FCC室内标准的干扰过大。另外，对TD-SCDMA系统， FCC标准在多UWB设备共存时产生的干扰较大。更准确的测试结果显然应该通过现场测试才能得到。.超宽带通信技术的标准化、产业化及应用UWB技术的标准化进程近几年来，UWB技术的标准化主要在 IEEE 802.15框架内进行。I

53、EEE 802.15致力于无 线个人网（WPAN）的标准化。WPAN系统主要用于个人设备之间的互联，他的覆盖范围一 般在10m以内，而且应该具有廉价、低能耗的特点。在802.15协议中，802.15.1的主体部分都来自于蓝牙协议，只在局部作了一些修改和补充。802.15.2讨论WPAN和非授权频段其他无线设备的共存问题。802.15.3称为“WPAN高速物理层技术的其他选择”，旨在进一步提高 WPAN的速率，其中的802.15.3a专门考虑采 用UWB技术实现这一目标。802.15.4称为“ WPAN低速物理层技术的其他选择”，旨在提 供高精度测距（ranging）和定位（location）服

54、务（精度1米以内），以及实现更长的作用距 离和超低耗电量。在这个协议中，脉冲无线电UWB技术也是被选方案之一。另外，也有工作组正在对网格（Mesh）网络和毫米波技术展开研究。2003年7月，在美国旧金山市召开的IEEE802.15.3a会议上，各方提出了多种UWB被选方案，但随着会议的进行，有些方案遭到淘汰，其他方案逐渐融合成两个方案：即由美国 德州仪器和英特尔等公司为首的多频带OFDM 联盟（MBOA ）提出的多频带OFDM（MB-OFDM ）方案和以美国 XtremeSpectrum （后被 Motorola公司收购）为主的 XSI联盟 所提出的直接序列扩频（DS-CDMA ）方案。在随后

55、的一年多时间里，两套标准在802.15.3a内一直僵持不下，虽然经过多次投票表决，始终无法淘汰其中一种标准，以取得统一。同时， MBOA和飞思卡尔半导体（Freescale Inc.,原Motorola半导体部门，在 Motorola并购XtremeSpectrum后负责DS-UWB技术的开 发）并没有因为标准悬而不决而放慢产业化的步伐，双方UWB芯片和设备的研发都在紧锣密鼓地进行。在这个过程中，由于 Intel公司与各大计算机和消费电子公司传统上的良好关 系，MB-OFDM 标准得到了这些公司的广?支持。相对而言，DS-UWB技术则显得有点曲高和寡。现在 MBOA的成员包括Intel、TI、

56、三星、松下、诺基亚、Philips、三菱电机、松下电器等，EPSON、富士通、惠普、微软、 TDK、东芝、日立等著名公司，而 DS-UWB的 阵营中除Motorola和Freescale外罕有重量级的企业。最近，DS-UWB联盟在明显处于劣势的情况下，在802.15.3a工作组中提出了 “共同信令模式 （CSM）方案，在这种模式下，两种 UWB物理层技术可以共存。但是 Intel显然认为自己在这场标准之争中已经胜券在握，断然拒绝了DS-UWB阵营的提议，他们认为技术的折衷是不可接受的，未来的UWB技术应该采用单一的方案，那就是 MB-OFDM 。 MBOA的这种态度使 802.15.3a标准的

57、制定继续陷于僵局。显而易见，两大阵营都不再抱短期内统 一 802.15.3a的幻想，而是加速开发芯片和产品，试图将自己的标准做成“事实标准” 。在2004年9月在北京举办的无线技术大会上，飞思卡尔半导体展示了由3颗芯片组成的XS110 DS-UWB芯片组，这种芯片已批量上市，支持 802.15.3 MAC层，数据速率为 29、57、 86和114 Mbps,并声称已获得了 FCC认证。现在飞思卡尔半导体已经用这一芯片组实现了 IEEE 1394和PCI应用模块，无线USB模块将于2005年上半年推出（如图16所示）。Size图16、DS-UWB技术的产业化进程MBOA在MB-OFDM 技术的产

58、业化方面略微落后于 DS-UWB （如图17所示），他们的 目标是在2004年底实现基于USB 1.0的应用，在2005年上半年推出 PCI标准的模块，同时 也在积极和1394联盟合作，实现 无线1394 PAL规格的应用。proMypeB5用卬1 VflndkxsInterpperafcility Testing3QTQIM1004JQObPtlUJKtii1Mbps这个标准近期已开始接收提案，原本收到24个独立的提案，其中包括一份由中国 UWB论坛和一家外国公司共同提交的方案。后经过融合，在 3月Atlanta IEEE 802全会召开时合 并为6个提案。在此次会议上，参与802.15.4

59、a标准化的代表们共同努力，最终将这6个提案融合成了一个提案。这次融合表现了TG4a工作组的成员希望 802.15.4a标准化尽快完成愿望，各个公司都在努力避免重蹈15.3a标准分裂的覆辙。但实际上，这个所谓的“单一提案”还只是一个最初的框架文件，各方代表只是达成了融合的意愿，并对这种技术的某些特征达成了一致，6种技术方案的融合、选择才刚刚开始。这个“单一提案”支持两种物理层：UWB频谱内的UWB技术和2.4GHz频段内的扩频 技术(在802.15.4 ZigBee技术2.4GHz物理层基础上发展而来)。其中的UWB技术由6个 提案中的ABCD融合而成，最终 F提案接受了 ABCD融合提案。提案

60、 E为2.4GHz扩频方 案。UWB方案将支持通信和定位业务，但2.4GHz扩频方案不支持定位业务。ABCD提案最后会采用哪种或哪几种技术，尚不得而知，但很可能允许几种技术共存。 考虑到15.4a技术主要用于搭建传感器网络或定位，这样的网络通常会一次性建成，所以用 户可以选择标准中的某种技术，各种技术混合组网的可能性较小。当这种情况发生时，“单一提案”中规定的统一信令可以保证多种技术的互操作性。到目前为止，就 UWB信令格式 达成了如下共识：调制技术应兼容各种接收机发射机基于脉冲方式兼容相关接收机、半相关接收机和非相关接收机尽可能采用统一的操作方式采用三种调制方式具体调制技术尚待确定频段的使用