《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——3.3　UWB

超宽带（Ultra Wideband，UWB）是一种无线技术，该技术利用时间间隔极小的能量脉冲，产生频域消耗极大的带宽。我们将讨论UWB在个域网中的概念和应用；然而该技术已应用于雷达和测距等其他领域。与传统通信信号不同，UWB信号占用大量带宽。

本节书摘来自华章出版社《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》一书中的第3章，第3.3节，作者：（美）杰克L.伯班克（Jack L. Burbank）等著，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看

3.3 UWB

超宽带（Ultra Wideband，UWB）是一种无线技术，该技术利用时间间隔极小的能量脉冲，产生频域消耗极大的带宽。我们将讨论UWB在个域网中的概念和应用；然而该技术已应用于雷达和测距等其他领域。与传统通信信号不同，UWB信号占用大量带宽。例如，IEEE 802.11g中OFDM波形占用20M信道，而脉冲UWB信号可能占用4G信道，且带宽以200倍的增速增加。一般情况下，UWB信号占用500MHz或更高的带宽。
通过设置脉冲相位或幅度调制UWB信号，可使其携带信息。图3-34给出了理论UWB脉冲信号，本例中脉冲持续时间的单位为纳秒（ns）。假设脉冲长度为1ns，那么其频域内带宽约1GHz。注意此脉冲采用幅度和相位调制。
这些短脉冲的特点之一是固有抗多径衰落的能力，在连续窄带信号中，由于多径，接收机会存在相长和相消干扰。而UWB信号极短，因此相长和相消干扰不再是问题。这是因为持续时间短，任何因UWB信号的多径造成的散射和延迟能量几乎没有时间在接收端干扰自己。

UWB符号调制的方法之一是改变脉冲极性，图3-35阐述了该概念。

图3-35 利用幅度/极性的改变调制UWB
如图所示，幅度为+A的脉冲代表二进制中的“1”，而极性相反、幅度为“-A”的脉冲代表二进制中的“0”。检测系统根据接收脉冲的初始斜率确定传输的脉冲。此情况下，正相位的符号代表正值，而负相位的符号代表负值。
FCC在FCC-02-48号中定义了UWB信号，是指相对带宽大于0.25或频谱大于1.5GHz的信号。相对带宽公式如下：

其中Bfr是相对带宽，fh和fl分别是信号-10dB点处的上截止频率和下截止频率。图3-36对其进行了详细阐述。
例如1GHz的UWB信号，中心频率为2GHz，其-10dB点位于fl=1.5 GHz和fh=2.5GHz。因此其相对带宽为1.0，对应于100%。而802.11g信号的中心频率为2.45GHz，带宽为20MHz，对应于fl=2.44GHz和fh=2.46GHz，则其相对带宽是0.008（或0.8%）。

为使干扰最小化，UWB信号不允许超出工作带宽内的类噪声功率密度。UWB信号功率密度的减小，大大限制其通信范围，仅为10米左右。正因为这个局限性，UWB信号被广泛认为是PAN应用的理想选择。
UWB在WPAN中的应用
UWB在PAN的最初应用是短程、高速数据通信，这方面的应用包括无线视频和将外设连接到PC。作为IEEE802.15.3工作组的一个可能解决方案，WiMedia联盟开发了一种大带宽内的多带OFDM标准[67]。此标准并未使用图3-34中的脉冲方法，而是利用大量分布于大带宽内的OFDM载波来达到高吞吐量。无线USB技术就是基于WiMedia标准的。
UWB技术的历史在IEEE 802论坛中是很有趣的。IEEE 802.15 PAN工作组中，3a任务组将UWB作为备选的高速率物理层技术，却于2006年解散；因坚持的技术方案不同，竞争的两个任务组就推进发展的方案一直没有达成一致协议。而4a任务组提出的连续相位UWB标准作为PAN物理层的备选。
3.3.1.1 802.15.4a标准中的UWB物理层
参考文献[13]中定义的UWB PHY层是基于突发位置调制（BPM）和BPSK的，共有3个工作频段：
249.6～749.6MHz（单信道）
3.1～4.8GHz（4信道）
6.0～10.6 GHz（11信道）
UWB中使用BPM调制技术调制脉冲以表示二进制数据，并根据符号周期内突发脉冲的位置，对比特进行编码。
对于IEEE 802.15.4a中的UWB的定义而言，一个符号携带2比特信息：一比特用来确定一系列脉冲突发的位置，而另一比特用于调制突发的极性。图3-37阐述了IEEE 802.15.4a标准中的UWB符号的结构。

图3-37 IEEE 802.15.4 a标准中的UWB符号结构，摘自参考文献[14]
如图所示，Tbpm是一个符号的BPM部分的时间长度。突发的相位和位置用来表示信息位，无论其在整个符号的第一个还是第二个Tbpm间隔。利用位置间跳变减小干扰，跳变间隔Nhop=Tdsym/[4Tburst]，其中Tdsym是总的符号间隔；Tc是每个BPM码片的时间长度，Ncpb是突发内的码片数目。
3.3.1.2 WiMedia PHY 1.5中的UWB PHY层
WiMedia PHY 1.5规范描述了用于无线USB标准的UWB波形[67]，但此UWB信号并不是基于短间隔脉冲的，而是基于OFDM的。从这个意义上看，根据相对带宽的定义，大量分布于大带宽的OFDM载波表示一个具有UWB特性的信号。根据相关标准，信号表示如公式（3-7）所示：

其中Re{}代表等式的实部，Npacket是一个数据包的符号数，fc|m|是第m个频带的中心频率，q(n)是第n个符号映射到特定频段的函数，sn(t)是第n个符号的复基带形式。
WiMedia UWB OFDM PHY 1.5版本在3.1～10.6 GHz带宽上工作，根据有关标准，特定带宽数目的中心频率定义如公式（3-8）所示：

每个带宽是528MHz，表3-27[67]总结了WiMedia PHY层的参数。

摘自参考文献[67]。
3.3.1.3 实例
Time Domain Corporation长期从事UWB研究并开发了多种基于脉冲UWB技术的产品。目前该公司所宣传的产品之一是PulsON 400测距与通信模块（Ranging and communications module，RCM）。该模块是一个电路板，可以集成到系统中，包含了UWB测距和通信应用所必需的功能和接口。
基于WiMedia标准的无线USB已用于多种应用，包括：
笔记本电脑到投影仪的多媒体接口：无需视频电缆将笔记本屏幕内容投影到更大的屏幕
笔记本电脑到无线坞站的接口：无需电缆将键盘、鼠标、监视器等其他外部设备连接到笔记本电脑
无需电缆将设备音频流连接到无线扬声器，或具有流音频扬声器的无线系统
UWB的另外一个应用是高清多媒体接口（High-definition multimedia interface，HDMI），用于无线连接全高清（1080p）分辨率的多媒体。Gefen Corporation已开发出一种Gefen Wireless for HDMI Extender设备，能够将三个独立HDMI源（如DVD播放器、笔记本、游戏机）连接到一个HDMI输入（如大屏幕电视机）。由于UWB功率密度水平的限制，在视距情况下范围可达30英尺，但此特点使得该技术更适用于家庭或会议室应用场景。

《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——1.7 蜂窝网络技术概述 过去的10～15年间，当大量的无线通信技术被802LMSC提出的同时，无线蜂窝通信技术也得到了飞速的发展。在十多年前，GSM和IS-95标准码分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）等2G通信技术是当时最先进的蜂窝通信技术，但是，其数据传输速率仅相当于互联网服务有线拨号的水平。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——2.3 IETF IETF每年召开三次会议，然而，许多参与者并不参加会议，这和IEEE 802 LMSC有些类似，即标准的推进不是依靠正式的投票过程决定的。通常，只要工作组成员能达成大致共识，标准推进即被认为是可接收的。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——2.5 3GPP2 3GPP2标准网络采取cdma2000蜂窝网络技术及其相关的迁移技术。3GPP2旨在采用全IP核心网，每个BS和移动用户节点都具有全IP的功能。3GPP2中有四个TSG，接入网络接口TSG（Access Network Interface，TSG-A）、cdma2000 TSG（TSG-C）、服务和系统方面TSG（TSG-S）以及核心网TSG（TSG-X）。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——3.2 ZigBee IEEE 802.15.4-2006标准[13]定义了低速率无线个域网（Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPAN）的MAC层和PHY层规范。这种技术适合于数据传感器、无线自动化，或其他不需要高数据速率的应用，如高质量的视频会议。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——2.10 总结 无线网络已经彻底改变了世界交流的方式，一个巨大且正日益增长的生态系统衍生自这种转变。我们已经对其中的一些关键组织进行了概述，其成员定义的技术标准推动了无线产品市场的进步，也改善了消费者的体验。我们可以看到这些组织定义标准的过程各不相同，然而每一个组织对全球无线市场的影响是不可否认的。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——导读 在信息化时代初期，人们陶醉于家用个人电脑，通过有线网络获取、分享信息，通过各种有线技术进行“互联网”体验。随着人们对信息的需求不断增加，这些有线技术也变得更加先进，功能更强大。但是，随着时间的推移，人们开始渴望更多的功能，更便捷的通信，而笔记本电脑的普及和无线网络技术的出现，使得这一需求得到满足。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——1.4 无线互联网：不同的模型 当你阅读本书时，你可能会好奇为什么一些设计选择只用于某个特定标准，以及为什么它们与其他标准不同。举个例子，蓝牙WPAN设备通常比较小（移动电话、免提设备），而WiMAX-兼容 802.16的WMAN 设备可能会大一些（一个机架大小的基站）。
《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》——2.6 国际电信联盟 人们所熟知的国际电信联盟ITU的成立可以追溯到1865年5月17日，也就是国际电报大会（International Telegraph Convention）第一次召开的时间。国际电报大会是在电报网络迅猛发展的背景下开创的，其目的是在20个欧洲国家之间开发一个统一的框架协议。