物联网通信技术--UWB

现代通信新技术---超宽带UWB：UltraWideBand一.超宽带技术概述Ultra-Wideband,UWB2012-12-122频率单位频带发射功率超宽带宽带窄带超宽带（UWB）发展简史•19世纪末期，马可尼演示的第一个无线通信系统就涉及了脉冲超宽带的概念；最早的超宽带又称为ImpulseRadio；•1942年，随机脉冲系统专利，上世纪六七十年代在雷达信号处理领域有成功应用；•1993年，R.A.Scholtz提出了采用跳时冲激脉冲实现多址通信，称为IR-UWB，之后IR-UWB成了通信的一种新体制；•2003年4月美国联邦通信委员会（FCC）发布UWB规范；•IEEE802.15.3a/4a工作组制定UWB信道模型和技术提案；•2005年，UWB被CNN评为2004年十大热门技术之首；•2001年，国家863计划发布了我国第一个关于超宽带的预研课题指南•2003年，863计划发布了超宽带无线传输技术研究与开发的预研课题•2009年，我国启动有关于超宽带的重大专项科技计划。•2009年，我国为UWB技术制定了预开放频段4.2~4.8GHz和6~9GHz2012-12-12FCC关于UWB的定义•定义–绝对带宽带宽大于500MHz或相对带宽Br大于20%–相对带宽定义为-10dB带宽除以中心频率–这一定义还可能再修改•跟早的定义是Br大于25%或带宽大于1.5GHz•对于超宽带的定义存在地区差别()/2HLrHLffBff2012-12-1242012-12-125绝对带宽（AbsoluteBandwidth）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：纵坐标PSD（信号功率谱密度），单位是功率/Hz，所表现的是单位频带内信号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。相对带宽（FractionalBandwidth）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：HL2ffHL10dBFractionalHLHL22ffBBffff相对带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率例如，以−10dB绝对带宽计算的相对带宽为：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。相对带宽（FractionalBandwidth）中心频率超宽带的定义1.22.82.81.2100%80%()2(2.81.2)2LHHLHLfGHzfGHzffff相对带宽1.22.82.81.2100%80%()2(2.81.2)2LHHLHLfGHzfGHzffff相对带宽UWB窄带相对带宽1%宽带1%相对带宽20%相对带宽20%UWB定义TimeFrequency-20-100绝对带宽(DARPA)绝对带宽(FCC)中心频率频率轴归一化功率谱（dB）分数带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率DARPA：FBW25％（－20dB）FCC：FBW20％或者绝对带宽0.5GHz（－10dB）这样的系统被定义为UWB系统时域波形信号频谱UWB究竟是何方神圣？–UWB可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。（spark－gap）–现代意义上的超宽带UWB无线技术(ImpulseRadio)，出现于1960年代。–超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，1998年FCC征询用于民用的意见，2002年2月确定辐射模板正式将其解禁。非正弦载波调制传输：•非正弦载波调制传输：•第一个基于UWB无线电通信的脉冲技术为SparkGap无线电通信技术，主要用来传送摩尔斯电码。•在1942年和1945年，DeRose和Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。•但因二战和机密原因，被美国政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后对于相控雷达的研究深化了脉冲无线电技术的发展。•1962年随着HP采样示波器面市，微波网络基于脉冲的响应能够被直接观察与研究，研究表明基于脉冲的传送可广泛用于雷达及其它种类的通信，并在70年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注，应用到雷达高精度测距和测角。2012-12-1213非正弦波形传输UWB发射信号传统无线发射信号2012-12-12142012-12-1215fttSignal1Signal2Signal1Signal2时域共享频域分离fftSignal1Signal2Signal1Signal2时域分离频域共享2012-12-1216UWB：由来•80年代，UWB技术被看成基带、无载波的脉冲技术。一直到1989年，美国国防部才采用UWB这个称呼，此时对UWB及其相关方面的研究已经近30年了。•时隔这么多年后，在最近七八年中其它先进的无线技术如蓝牙技术、WiFi、WiMAX都先后面世，UWB为什么会重出江湖并引起如此密切的关注呢？2012-12-1217UWB：由来•UWB技术特点与时代需求的结合–随着网络技术的发展，网络信息传输从以文字为主过渡到以多媒体信息为主，因此对带宽的要求就比较高；–从技术层面来说，可靠地传输视频图像所需的数据传输速度超过了蓝牙与WiFi的能力；–而且，数据传输速度越高，能量损耗也就越多，不便于便携应用。–UWB技术却令人惊讶地具有两种优点：一是很高的数据传输速度（×100），二是能量损耗很少（÷100）。有关无线通信的基本问题与概念•为什么会成为热点？–需求与资源的矛盾•不断增长的服务速率•102Kbpsto102Mbps•不断增长的服务业务•Voice,data,video,…•不断增长的服务对象•人、设备、….•不断增长的服务要求•随时、随地、….•高清、定位、….•日益缺乏的频谱•日益受限的功率•日益敏感的价格UWBmightprovideanovelsolutiontoreusethespectruminpersonalareanetwork(PAN)关键词：容量•信息是通过“信道”传输的•信道的最大信息传输量为“信道容量”)1(log2NSBC传统的系统通常是在带宽（B)受限的前提下，提高改善信噪比提高容量；UWB系统则是通过增加带宽来提高容量。但是，增加B并不能无限地增加容量。Cmax=1.44S/noB关键词：共存or兼容•带宽与功率的互换性–带宽从哪里来？重用！54321fGHzGPSBlutooth802.11bHomeRFPCSSatelliteFuture802.11aHiperLAN功率谱密度(dBm/MHz)-75.3-41.3Idea:―Imperceptible‖UWB“Polite”Co-existencewithLicensedOperators:AggregateInterferencefromUWBTransmissionsis―Undetectable‖(orHasMinimalImpact)toNarrowbandReceivers,i.e.PowerSpectralDensityisatNarrowbandThermalNoiseFloororBelow.UWBNoiseFloorFCC关于民用UWB设备的规范FederalCommunicationsCommissionFCC室内UWB频谱模版FCC室外UWB频谱模版为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将UWB系统的发射功率限定在一定范围内，即在UWB通信频率范围内的每个频率上都规定一个最大的允许功率，这个功率值一般通过辐射掩蔽（emissionmask）来决定.2012-12-1223UWB的特点1、共存性能好超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信使用的频谱范围从3.1GHz到10.6GHz，频谱宽度高达7.5GHz，通过发射功率的限制，避免了对其他通信系统的干扰。从上图中可以看到，超宽带信号的最高辐射功率为-41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这样在很低的功率谱密度下共享频谱的方式，在频谱资源非常紧张的今天具有极其重要的意义，这也是超宽带兴起和发展的主要原因之一.UWB的特点2、信道容量大，传输速率高香农信道容量公式超宽带信号占有数百兆赫兹（MHz）甚至几吉赫兹（GHz）带宽，理论上可以提供极高的信道容量，达到Gbps以上的传输速率，或者在很低的信噪比下，以一定的传输速率实现可靠传输。假定一个超宽带信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时，超宽带可以提供的信道容量为C=7G×log2（1+0.1）≈0.963Gbps，接近1Gbps。数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。2log(1)(/)SCWbsNUWB的特点3、低成本，低功耗脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器，接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机的硬件实现复杂性和成本。为了避免对现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间供电。UWB的特点4、信号衰减小，穿透能力强正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反比，在密集多径情况下，信号的功率衰减更是与距离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号为定向窄脉冲，不需要载波，具有较强的方向性，在相同的功率下，比正弦电磁波的衰减更小。同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波具有较强的穿透能力，能够穿透多种材料，使其可以应用于成像、检测、监视和测量等领域。UWB的特点5、定位精度高由于脉冲超宽带具有较强的穿透能力，因此可以用于各种环境下的测距和定位。系统的定位精度与信号的频谱宽度直接相关，频谱越宽，时间分辨率越高。脉冲超宽带发射极短的基带窄脉冲信号具有很高的定位精度，其带宽通常在数GHz，所以理论上其定位精度可达厘米量级。研究表明，与GPS全球定位系统相比，超宽带技术具有更高的定位精度。技术GPSBluetoothIEEE802.11UWB定位精度5-20m3m3m15cmUWB的特点6、保密和安全性能好超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境噪声和其他信号中，同时又具有极宽的带宽，很难被基于频谱搜索的侦测设备检测到。同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式，包括：跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频等，在接收端必须采用与发射端一致的扩频码才能正确的解调数据，这使得使非合法用户很难获取合法用户的传输信息，系统的安全性和保密性非常高。与其它短距离无线技术的比较UWB蓝牙802.11aHomeRF速率（bps）最高达1G＜1M54M1~2M距离（米）＜101010~10050功率1毫瓦以下1~100毫瓦1瓦以上1瓦以上UWB的应用通信UWB系统带宽极大，可支持大的信道容量，同时系统功率受限，只能传播较短距离，因此UWB技术特别适合于短距离高速无线通信。例如基于UWB技术的无线USB2.0，可取代有线USB,实现PC之间及消费类电子设备（电视、数码相机、DVD播放器、MP3等）之间的无线数据互连与通信。无线个域网(WPAN)、高速智能无线局域网、智能交通系统，公路信息服务系统，汽车检测系统，舰船、飞机内部通信系统，楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话，战术组网电台，非视距超宽带电台，战术/战略通信电台，保密无线宽带因特网接入等等UWB的应用UWB的应用雷达、探测超宽带依赖于极微弱的、与雷达中所使用的相近的基带窄脉冲，具有很强的穿透能力，能穿透树叶、墙壁、地表、云层等障碍，辨别出障碍物后隐藏的物体或运动着的物体，测距精度的误差只有一两厘米。可以应用在：穿墙雷达、安全监视、透地探测雷达、工业机器人控制、监视和入侵检测、道路及建筑检测、贮藏罐