超宽带无线通信技术

超宽带无线通信技术东南大学移动通信国家重点实验室张在琛博士2020年3月17日东南大学2内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波形式超宽带技术的研发现状超宽带技术的研究课题超宽带技术的早期历史结束语2020年3月17日东南大学3什么是超宽带？Ultra-Wideband,UWB频率单位频带发射功率超宽带宽带窄带2020年3月17日东南大学4UWB的本质特点美国FCC的定义和规范关于UWB的一些错误认识在极宽的频带中进行通信，并为避免对其它系统造成干扰，发射功率受到严格的限制2020年3月17日东南大学5FCC关于UWB的定义定义•相对带宽Br大于20%或带宽大于500MHz•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一开始的定义是Br大于25%或带宽大于1.5GHz()/2HLrHLffBff2020年3月17日东南大学6FCC关于民用UWB设备的规范(2)穿墙成像监视系统(3)室内系统(4)室外手持设备(1)探地雷达墙内成像医疗成像2020年3月17日东南大学7FCC关于民用UWB设备的规范（续）EIRP-41.25dBm/MHz•EIRP：等效各项同性发射功率基本通信频带0–960MHz和3.1–10.6GHz其它国家和地区（如欧洲、新加坡等）考虑制定的规范与FCC的规范会稍有不同我国尚未制定相关的规范2020年3月17日东南大学8关于UWB的一些错误认识UWB通信就是基带窄脉冲通信调制载波的UWB系统与常规通信系统一样，没有什么特别的地方UWB通信的距离都非常近（10米以内）UWB通信的频带就是FCC规定的0–960MHz和3.1–10.6GHZ，或在其附近可以是调制连续载波的方式，只要满足相关的定义虽然都采用DS、OFDM等技术，但在使用频谱的方式上有本质的不同，由此带来实现方式、技术难点、系统性能、适用领域的诸多不同在特殊的场合，放宽发射功率的限制，即可增大通信距离只要满足相关的定义，就可以算是超宽带，包括有线通信和无线通信，微波通信、光通信中很多都可算是超宽带，只是我们一般研究10.6GHz以下的超宽带无线通信2020年3月17日东南大学9内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波形式超宽带技术的研发现状超宽带技术的研究课题超宽带技术的早期历史结束语2020年3月17日东南大学10UWB通信的实现方式基带窄脉冲方式•传统的、“典型的”超宽带通信方式调制载波方式•与现有一般通信方式较接近的方式•MB-OFDM、DS-UWB等其它方式•SSA(Soft-SpectrumAdaption)•数字调频•…2020年3月17日东南大学11基带窄脉冲UWB通信利用基带窄脉冲序列通信，脉冲宽度在纳秒、亚纳秒级脉冲波形可以是高斯、升余弦等多种波形通过PPM、脉冲极性调制、PAM等方式携带信息采用跳时（TH）、DS-CDMA等多址方案典型高斯脉冲在信道上的时域波形和功率谱密度jkNjckjfksdTcjTtwts)()()(/)()(典型TH-PPM信号2020年3月17日东南大学12基带窄脉冲UWB通信原理图数据/用户接口编码脉冲产生解码脉冲检测LNA数据/用户接口2020年3月17日东南大学13PPMUWB通信系统2020年3月17日东南大学14PPM调制的时域波形和频谱特性2020年3月17日东南大学15窄脉冲的产生雪崩晶体管阶跃恢复二极管（StepRecoveryDiode，SRD）高速CMOS电路2020年3月17日东南大学16窄脉冲的产生（续）50ohmslineS.C.SRD•Triggersignal=+/-10v•250ps@3vSRD窄脉冲发生器的电路和输出脉冲2020年3月17日东南大学17基带窄脉冲方式的特点优点•系统简单、成本低、功耗小•多径分辨能力强•信号随距离衰减小，穿透力强缺点•信息传输速率不高•频谱利用效率不高•频谱使用不灵活2020年3月17日东南大学18基带窄脉冲方式的典型应用隔障碍物探测、通信•穿墙探测•抢险救灾•探地雷达极低功耗、低速、低成本通信•无线传感网•军事网络其它应用2020年3月17日东南大学19调制载波的UWB通信优点•频谱使用灵活•频谱利用率可以较高•较易实现高信息传输速率缺点•系统较复杂•成本较高•功耗较高•高频段时信号穿透力较弱2020年3月17日东南大学20MB-OFDM方案将频谱划分为多个宽度为528MHz的子频带•3频带方案：3168–4752MHz•7频带方案：3168–4752MHz和6072–8184MHz•后续方案还可利用更高频率的子频带时频交织（TFI）•OFDM符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同子频带传输•不同的时频序列可以用来区分不同的Piconet优点•采用OFDM技术，能够简单、有效地收集多径能量•采用OFDM技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活•技术较成熟，便于CMOS实现2020年3月17日东南大学213子带时频交织Channel#1Channel#2Channel#3OFDMSymbol#1OFDMSymbol#2OFDMSymbol#3OFDMSymbol#4OFDMSymbol#5OFDMSymbol#6timefreq(MHz)GuardIntervalforTX/RXSwitchingTimeCyclicPrefix2020年3月17日东南大学22MB-OFDM方案发送端原理图2020年3月17日东南大学23MB-OFDM方案部分参数参数数值N：子载波总数128B：子频带带宽528MHzF：子载波间隔4.125MHz(=B/N)TFFT:IFFT/FFT周期242.4ns(=1/F)TCP:循环前缀长度60.61ns(=32/B)TGI:保护间隔长度9.47ns(=5/B)TSYM:符号间隔312.5ns(=TFFT+TCP+TGI)2020年3月17日东南大学24DS-UWB方案频谱的使用•将可用频谱分为高、低两个频段，信号调制在两个频段之一传输，两个频段也可同时或合并使用•两个频段之间为U-NII频段，为避免干扰，没有使用DS-UWB信号频谱2020年3月17日东南大学25DS-UWB方案发送端原理图三进制扩频码，码长为24M进制双正交键控（M-BOK）平方根升余弦（RRC）脉冲2020年3月17日东南大学26DS-UWB方案部分参数（114Mbps）参数数值参数数值RRC带宽1.368GHz载波频率4.104GHz码片速率1.368Gcps调制方式BPSK扩频码长24扩频码类型8-BOK符号速率57Mbps信道编码2/3速率卷积码2020年3月17日东南大学27DS-UWB方案SOP最多支持8个Piconet同时工作•FDM（高、低频段）＋CDM（不同扩频码集合）•每个Piconet内，采用TDMA方式共享信道，与IEEE802.15.3MAC层协议兼容多个Piconet同时工作示意图LB：低频段HB：高频段Ch.A–Ch.D：不同的码集合2020年3月17日东南大学28内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波形式超宽带技术的研发现状超宽带技术的研究课题超宽带技术的早期历史结束语2020年3月17日东南大学29规范化工作美国FCC•2002.2/4：给出了美国民用UWB设备的初步规范，规定了各种应用使用频谱的范围和限制•2004.8：批准了Freescale公司的UWB芯片组XS110的商用XS110：可选速率29/57/86/114Mbps，最大耗电量750mW其它2020年3月17日东南大学30标准化工作IEEE802.15.3a•高速WPAN物理层可选技术标准•2002.12开始公开征集方案•目前陷入MB-OFDM和DS-UWB两种方案竞争的僵局之中IEEE802.15.4a•2003.7成立•低速、低成本、低功耗物理层可选技术标准MBOA•2003.6成立•Intel、TI、Samsung、Philips等50多家单位组成•采用MB-OFDM方案UWBForum•Motorola、Freescale等发起•DS-UWB方案2020年3月17日东南大学31最新动态Freescale:XS110芯片组获FCC认证Intel:WirelessUSB2.0•物理层采用UWB技术，速率480Mbps•MB-OFDM1394TA(WWG):IEEE1394overUWB•已进行规格制定的最后阶段（2004.9）•MB-OFDM或DS-UWB，未确定2020年3月17日东南大学32演示系统2002年初，Intel，100Mbps，2米2003年1月，XtremeSpectrum，传送双路HDTV信号2003年4月，Intel，220Mbps，1米，多带方式2003年4月，新加坡资讯通信研究院，500Mbps，4米其它如新加坡新龙（Cellonics）公司、日本太阳诱电、美国Blue7通信公司等的演示系统2020年3月17日东南大学33芯片开发2002年6月，XtremeSpectrum推出芯片组“Trinity”，现为多家开发UWB产品的公司所采用2003年9月，Intel发布基于90nmCMOS工艺的单片集成UWB芯片2004年4月，Wisair推出采用MB-OFDM技术的UWB芯片UB501（最高480Mbps）2004年8月，FreescaleUWB芯片组XS110通过FCC认证其它2020年3月17日东南大学34未来预测美国In-Stat/MDR:2005～2008年UWB设备将以每年400％的增长率增加ABI公司预测，2007年全球基于UWB的电子产品和芯片组的出货量将达到4500万个，2007年全球UWB设备和芯片收益将达到13.7亿美元WTRS预测，2007年通信市场的UWB芯片市场总值将达到6300万美元UWB技术将面临多种无线通信技术/标准的挑战：•高速：802.11n、WiMAX等•低速、低功耗：RFID等2020年3月17日东南大学35内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波形式超宽带技术的研发现状超宽带技术的研究课题超宽带技术的早期历史结束语2020年3月17日东南大学36UWB技术的研究课题系统理论的深入研究•现有的UWB系统理论还远未成熟•主要包括信道模型和信号传播特性、UWB信号处理理论等系统设计•如何更高速？•如何更低成本、低功耗？•抗干扰设计•频谱自适应2020年3月17日东南大学37UWB技术的研究课题（续）UWBMAC层、直至网络层的设计和优化•修改现有MAC层还是全新的UWBMAC层？•自组织网络和Mesh网络结构UWB天线的理论、设计和实现2020年3月17日东南大学38内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波形式超宽带技术的研发现状超宽带技术的研究课题超宽带技术的早期历史结束语2020年3月17日东南大学39UWB技术的早期历史1895/1896年,Marconi和波波夫所演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线电的定义。1942:DeRosa提出随机脉冲系统的专利（因二次大战，1954年才公布）1969~1984年，Harmuth出版了一系列关于UWB发射机和接收机设计的书和论文。1973年Ross申请了UWB通信中具有里程碑意义的专利。1974年，Morny申请了一个探地雷达技术的专利。1978年，C.LeonardoBennett,GeraldF.Ross在ProceedingsoftheIEEE的一篇综述全面概述了时域处理方法，UWB通信和雷达技术等。2020年3月17日东南大学40内容提要什么是超宽带？超宽带通信的实现方式•基带窄脉冲形式•带通调制载波