无线个域网（WPAN）中的超宽带（UWB）技术介绍

超宽带UWB（Ultra-Wide Band）是一种短距离、高带宽频谱、低功率谱密度的无线通信技术。该技术最早被用于军事领域（主要是雷达系统），目前被广泛应用在无线个域网（WPAN）中，即在个人操作空间（POS，Personal Operating Space）内使用UWB无线通信技术。

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一、UWB技术概述

1、UWB技术的概念

在1989年美国国防部首次使用了“超宽带”（UWB）这一术语，其概念是指产生、传输、接收一段持续时间非常短（可达纳秒（ns）到皮秒（ps）级）的爆发式射频能量脉冲。通过傅里叶变换理论知道，这样的时域脉冲在频域中有很宽的带宽。由该概念可知，最早的UWB技术是基于脉冲的技术，后来随着UWB技术的发展，也有基于载波的技术等，因此：

在2006年ITU-R建议书SM.1755《超宽带技术特性》中，给出的超宽带（UWB）技术的定义是：用于短距离无线电通信的技术，其中涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有用生成和发射，此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干频带相重叠。使用超宽带技术的设备的天线一般生成两种有意辐射：至少500MHz的–10dB带宽或大于0.2的–10dB部分带宽。

2、UWB技术的起源

用超宽带技术传输数据，大约出现于20世纪60年代，那时的名称有脉冲无线电（IR，Impulse Radio）、基带（Baseband）传输技术、无载波（Carrier Free）技术等。当时研究主要是受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态行为。在20世纪70年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中。美国国防部在1989年首先使用了“超宽带”（UWB）这一术语。

UWB技术一直是美国军方使用的作战技术之一，直到2002年4月22日，美国联邦通信委员会（FCC）批准了民用的超宽带技术，并且给出了超宽带信号的定义。定义相对带宽大于20%~25%，或绝对带宽大于500MHz的信号为超宽带。

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后来，在超宽带（UWB）技术转为民用之后，随着无线电通信新技术和系统方案的不断采用，在原有基于脉冲无线电超宽带（IR-UWB）技术外，又涌现了基于载波的UWB技术、基于直扩码分多址（DS-CDMA）的UWB技术和基于多频带跳频的UWB技术（FH-UWB），等等。

下附录1是对UWB技术的发展历史有一个比较具体的介绍，若要详细了解请查阅。

附录1：超宽带（UWB）技术的发展历史介绍

二、UWB技术的标准化

在2002年4月22日，超宽带技术被美国联邦通信委员会（FCC）批准为民用后，其超宽带（UWB）技术在通信领域，尤其是在无线个域网（WPAN）应用的标准化，主要是由IEEE 802.15工作组（WG）来进行的，主要是研究制定超宽带技术的无线媒体访问控制（MAC）和物理层（PHY）的规范，即空中接口的规范。为此，IEEE 802.15工作组又下设了两个任务组（TG）来从不同方向上研究的。具体情况是：

1、IEEE 802.15.3a

组建于2002年12月的任务组TG3a，主要从事高数据率的UWB技术（HR-UWB）的标准化。然而，IEEE 802.15.3a的标准化并没有完成，但其最大贡献是把23个UWB物理层标准合并成了两大建议：MB-OFDM UWB和DS-UWB。最后由于支持各自标准的两大工业联盟MBOA联盟和UWB论坛无法达成一致，致使802.15.3a的制定工作陷入停顿。不过在2007年，WiMedia的MB-OFDM UWB标准被ISO批准为国际标准。

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2、IEEE 802.15.4a

组建于2004年3月的任务组TG4a，主要从事低数据率的UWB技术（LR-UWB）的标准化。最终选定了Nanotron Technologies GmbH公司的宽带线性调频扩频（CSS，Chirp Spread Spectrum）物理层技术作为基本的物理层标准，于2007年3月22日被IEEE-SA批准为正式标准IEEE 802.15.4a-2007，发布于8月31日。IEEE 802.15.4a-2007作为IEEE 802.15.4-2006的一个修正案，在2011年对IEEE 802.15.4-2006修订时，纳入到了IEEE 802.15.4-2011版本之中。

下附件2对上述IEEE 802.15.3a和IEEE 802.15.4a标准化情况及其相关技术，做了比较具体的介绍，若要详细了解请查阅。

附件2：关于无线个域网（WPAN）用超宽带（UWB）技术及标准化

三、UWB技术的分类

依据ITU-R建议书SM.1755，UWB技术，从具体应用方面分类，分为雷达成像系统；车载雷达系统；检测系统；测量系统；位置遥感与跟踪系统；通信系统等六大类。

根据UWB技术所传输数据速率方面分类，可分为高数据率的UWB技术（HR-UWB）和低数据率的UWB技术（LR-UWB）。对于HR-UWB的物理层实现机理，又可分为基于脉冲的USB技术（IR-UWB）和基于载波的UWB技术。而基于载波的UWB技术进一步可分为单载波USB技术、双载波UWB技术和多带UWB技术（MB-OFDM）。

欲详细了解相关高速UWB技术的请进入：IR-UWB；MB-OFDM UWB；基于单载波和双载波的UWB

另外，根据IEEE 802.15.4标准，LR-UWB技术是基于脉冲无线电（IR）的技术方案的。

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四、UWB技术的特性

ITU-R建议书SM.1755《超宽带技术特性》对超宽带技术的特性进行了描述。其一般特性在SM.1755附件2中进行了了详细的描述；在研究使用超宽带技术的设备（目前未被视为在分配给无线电通信业务的频带中工作的设备）对无线电通信系统的影响时，应考虑SM.1755附件3中所含的技术和操作特性。SM.1755建议书描述的这些特性请查阅下附件4，这里不再做重复介绍。

附件4：ITU-R SM.1755（05/2006）《超宽带技术特性》

五、UWB技术的相关技术要求

1、工作频率

由前述的UWB技术的分类，对于应用于WPAN的通信系统的UWB技术，它们各自物理层采用的是不同的无线技术，因而，不同类型的UWB技术所使用的工作频率范围是不相同的，一个共同的特点是它们都采用了高带宽的频谱范围。

欲详细了解各种UWB技术的具体工作频率范围的请进入。

2、工作带宽

按照美国联邦通信委员会（FCC）对于信号带宽的“超宽带”、“宽带”和“窄带”的定义详见下表5-1，可见UWB的带宽明显大于目前所有无线通信技术的带宽。

表5-1：FCC对于信号带宽的定义

如果用f_H、f_L分别表示能量功率谱密度的上、下限频率（FCC规定为功率谱密度衰减为-l0dB的辐射点所对应的高低端频点）。绝对带宽指f_H ~ f_L，也称能量带宽；相对带宽，也称分数带宽（Fractional Bandwidth），则定义为下式，其中（f_H + f_L）/ 2为中心频率f_C。

（f_H - f_L）/（f_H + f_L）/ 2

按照ITU-R建议书SM.1755的规定：使用超宽带技术的设备的天线一般生成两种有意辐射：至少500MHz的–10dB带宽或大于0.2的–10dB部分带宽。其中：500MHz的–10dB带宽也称为B_-10带宽；0.2的–10dB部分带宽也称为μ_-10带宽。

欲详细了解这两种带宽的计算方法及各种UWB技术的工作带宽介绍的请进入。

3、等效各向同性辐射功率（EIRP）限制

由于UWB技术涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有用生成和发射，此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干频带相重叠。因此，为避免对其它现存通信系统潜在的可能干扰，FCC对其辐射功率作出了严格的限制，将其等效各向同性辐射功率（EIRP）限制在-41.3dBm/MHz以下，相当于带宽为1MHz的辐射体在3m距离处产生的场强不得超过500μV/m，功率谱密度小于75 nW/MHz。下图5-3-1所示的是FCC制定的UWB设备室内和室外辐射功率的限制指标，图中包含了对带外辐射的限制。另外，下图5-3-2给出了UWB技术与其它无线通信技术（如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等）的产品存在同频和邻频干扰的示意图（按UWB技术采用3.1~10.6GHz频谱带宽）。

图5-3-1：FCC制定的UWB设备的辐射掩蔽

图5-3-2：UWB技术与其它无线通信技术的邻频干扰示意图

4、UWB设备的技术要求

在ITU-R建议书SM.1755中，给出了应用于通信领域的UWB设备的一般技术要求，分为设备G~设备K共五种类型设备分别给出的。对于设备分类的含义和它们的相关技术要求具体详见该建议书原文，即就附件。

另外，我国通信行业标准YD/T 2237《超宽带（UWB）设备技术要求和测试方法》也规定了我国使用超宽带（UWB）技术的发射机、收发信机和接收机的相关技术要求。

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