基礎知識篇導引

無線個域網（WPAN）中的超寬帶（UWB）技術介紹

瀏覽：11571 來源：通信人在線日期：2020-09-11

超寬帶UWB（Ultra-Wide Band）是一種短距離、高帶寬頻譜、低功率譜密度的無線通信技術。該技術最早被用于軍事領域（主要是雷達系統），目前被廣泛應用在無線個域網（WPAN）中，即在個人操作空間（POS，Personal Operating Space）內使用UWB無線通信技術。

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一、UWB技術概述

1、UWB技術的概念

在1989年美國國防部首次使用了“超寬帶”（UWB）這一術語，其概念是指產生、傳輸、接收一段持續時間非常短（可達納秒（ns）到皮秒（ps）級）的爆發式射頻能量脈沖。通過傅里葉變換理論知道，這樣的時域脈沖在頻域中有很寬的帶寬。由該概念可知，最早的UWB技術是基于脈沖的技術，后來隨著UWB技術的發展，也有基于載波的技術等，因此：

在2006年ITU-R建議書SM.1755《超寬帶技術特性》中，給出的超寬帶（UWB）技術的定義是：用于短距離無線電通信的技術，其中涉及在極大頻率范圍內分布的射頻能量的有用生成和發射，此頻率范圍可能與分配給無線電通信業務的若干頻帶相重疊。使用超寬帶技術的設備的天線一般生成兩種有意輻射：至少500MHz的–10dB帶寬或大于0.2的–10dB部分帶寬。

2、UWB技術的起源

用超寬帶技術傳輸數據，大約出現于20世紀60年代，那時的名稱有脈沖無線電（IR，Impulse Radio）、基帶（Baseband）傳輸技術、無載波（Carrier Free）技術等。當時研究主要是受時域脈沖響應控制的微波網絡的瞬態行為。在20世紀70年代獲得了重要的發展，其中多數集中在雷達系統應用中。美國國防部在1989年首先使用了“超寬帶”（UWB）這一術語。

UWB技術一直是美國軍方使用的作戰技術之一，直到2002年4月22日，美國聯邦通信委員會（FCC）批準了民用的超寬帶技術，并且給出了超寬帶信號的定義。定義相對帶寬大于20%~25%，或絕對帶寬大于500MHz的信號為超寬帶。

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后來，在超寬帶（UWB）技術轉為民用之后，隨著無線電通信新技術和系統方案的不斷采用，在原有基于脈沖無線電超寬帶（IR-UWB）技術外，又涌現了基于載波的UWB技術、基于直擴碼分多址（DS-CDMA）的UWB技術和基于多頻帶跳頻的UWB技術（FH-UWB），等等。

下附錄1是對UWB技術的發展歷史有一個比較具體的介紹，若要詳細了解請查閱。

附錄1：超寬帶（UWB）技術的發展歷史介紹

二、UWB技術的標準化

在2002年4月22日，超寬帶技術被美國聯邦通信委員會（FCC）批準為民用后，其超寬帶（UWB）技術在通信領域，尤其是在無線個域網（WPAN）應用的標準化，主要是由IEEE 802.15工作組（WG）來進行的，主要是研究制定超寬帶技術的無線媒體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）的規范，即空中接口的規范。為此，IEEE 802.15工作組又下設了兩個任務組（TG）來從不同方向上研究的。具體情況是：

1、IEEE 802.15.3a

組建于2002年12月的任務組TG3a，主要從事高數據率的UWB技術（HR-UWB）的標準化。然而，IEEE 802.15.3a的標準化并沒有完成，但其最大貢獻是把23個UWB物理層標準合并成了兩大建議：MB-OFDM UWB和DS-UWB。最后由于支持各自標準的兩大工業聯盟MBOA聯盟和UWB論壇無法達成一致，致使802.15.3a的制定工作陷入停頓。不過在2007年，WiMedia的MB-OFDM UWB標準被ISO批準為國際標準。

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2、IEEE 802.15.4a

組建于2004年3月的任務組TG4a，主要從事低數據率的UWB技術（LR-UWB）的標準化。最終選定了Nanotron Technologies GmbH公司的寬帶線性調頻擴頻（CSS，Chirp Spread Spectrum）物理層技術作為基本的物理層標準，于2007年3月22日被IEEE-SA批準為正式標準IEEE 802.15.4a-2007，發布于8月31日。IEEE 802.15.4a-2007作為IEEE 802.15.4-2006的一個修正案，在2011年對IEEE 802.15.4-2006修訂時，納入到了IEEE 802.15.4-2011版本之中。

下附件2對上述IEEE 802.15.3a和IEEE 802.15.4a標準化情況及其相關技術，做了比較具體的介紹，若要詳細了解請查閱。

附件2：關于無線個域網（WPAN）用超寬帶（UWB）技術及標準化

三、UWB技術的分類

依據ITU-R建議書SM.1755，UWB技術，從具體應用方面分類，分為雷達成像系統；車載雷達系統；檢測系統；測量系統；位置遙感與跟蹤系統；通信系統等六大類。

根據UWB技術所傳輸數據速率方面分類，可分為高數據率的UWB技術（HR-UWB）和低數據率的UWB技術（LR-UWB）。對于HR-UWB的物理層實現機理，又可分為基于脈沖的USB技術（IR-UWB）和基于載波的UWB技術。而基于載波的UWB技術進一步可分為單載波USB技術、雙載波UWB技術和多帶UWB技術（MB-OFDM）。

欲詳細了解相關高速UWB技術的請進入：IR-UWB；MB-OFDM UWB；基于單載波和雙載波的UWB

另外，根據IEEE 802.15.4標準，LR-UWB技術是基于脈沖無線電（IR）的技術方案的。

欲詳細了解LR-UWB技術內容的請進入。

四、UWB技術的特性

ITU-R建議書SM.1755《超寬帶技術特性》對超寬帶技術的特性進行了描述。其一般特性在SM.1755附件2中進行了了詳細的描述；在研究使用超寬帶技術的設備（目前未被視為在分配給無線電通信業務的頻帶中工作的設備）對無線電通信系統的影響時，應考慮SM.1755附件3中所含的技術和操作特性。SM.1755建議書描述的這些特性請查閱下附件4，這里不再做重復介紹。

附件4：ITU-R SM.1755（05/2006）《超寬帶技術特性》

五、UWB技術的相關技術要求

1、工作頻率

由前述的UWB技術的分類，對于應用于WPAN的通信系統的UWB技術，它們各自物理層采用的是不同的無線技術，因而，不同類型的UWB技術所使用的工作頻率范圍是不相同的，一個共同的特點是它們都采用了高帶寬的頻譜范圍。

欲詳細了解各種UWB技術的具體工作頻率范圍的請進入。

2、工作帶寬

按照美國聯邦通信委員會（FCC）對于信號帶寬的“超寬帶”、“寬帶”和“窄帶”的定義詳見下表5-1，可見UWB的帶寬明顯大于目前所有無線通信技術的帶寬。

表5-1：FCC對于信號帶寬的定義

如果用f_H、f_L分別表示能量功率譜密度的上、下限頻率（FCC規定為功率譜密度衰減為-l0dB的輻射點所對應的高低端頻點）。絕對帶寬指f_H~ f_L，也稱能量帶寬；相對帶寬，也稱分數帶寬（Fractional Bandwidth），則定義為下式，其中（f_H+ f_L）/ 2為中心頻率f_C。

（f_H- f_L）/（f_H+ f_L）/ 2

按照ITU-R建議書SM.1755的規定：使用超寬帶技術的設備的天線一般生成兩種有意輻射：至少500MHz的–10dB帶寬或大于0.2的–10dB部分帶寬。其中：500MHz的–10dB帶寬也稱為B_-10帶寬；0.2的–10dB部分帶寬也稱為μ_-10帶寬。

欲詳細了解這兩種帶寬的計算方法及各種UWB技術的工作帶寬介紹的請進入。

3、等效各向同性輻射功率（EIRP）限制

由于UWB技術涉及在極大頻率范圍內分布的射頻能量的有用生成和發射，此頻率范圍可能與分配給無線電通信業務的若干頻帶相重疊。因此，為避免對其它現存通信系統潛在的可能干擾，FCC對其輻射功率作出了嚴格的限制，將其等效各向同性輻射功率（EIRP）限制在-41.3dBm/MHz以下，相當于帶寬為1MHz的輻射體在3m距離處產生的場強不得超過500μV/m，功率譜密度小于75 nW/MHz。下圖5-3-1所示的是FCC制定的UWB設備室內和室外輻射功率的限制指標，圖中包含了對帶外輻射的限制。另外，下圖5-3-2給出了UWB技術與其它無線通信技術（如GPRS、移動蜂窩系統、WLAN等）的產品存在同頻和鄰頻干擾的示意圖（按UWB技術采用3.1~10.6GHz頻譜帶寬）。