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1、4G中的新技术及其与3G的比较 摘要 目前，经ITU认可的第三代移动通信系统（3G）标准有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。虽然3G和2G相比，有很多优点，但是3G还是存在着很多不尽人意的地方，如：（1）3G缺乏全球统一的标准；（2）3G所采用的语音交换架构仍承袭了2G系统的交换电路，而不是纯IP的方式；（3）3G的业务提供和业务管理不够灵活；（4）流媒体（视频）的应用不尽如人意；（5）3G的高速数据传输不成熟，接入速率有限；（6）安全方面存在算放过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。因此，人们纷纷开始了第四代移动通信（4G）的研究，期望通过4G标准的制定来解决3G中存在的上述问题
2、。目前世界发送国家都正在积极进行第四代移动通信技术规格的研究制定工作，以期在全球第四代移动通信规格制定中能享有发言权。第四代移动通信设备“智能化”程度极高，移动通信面向个人、正反馈良好循环发展的特性，决定其市场潜力仍非常巨大。移动通信与互联网的结合，给移动通信与互联网的发展都将注入更大的活力。随着互联网高速发展，第四代移动通信系统将会得到更快的发展。据预测，这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能第四代移动通信技术在2010年将成为移动通信市场主流技术。21世纪我国移动通信还有一个巨大的发展空间同，这为我国移动通信的发展提供了前所未有的机遇，同时也带来了严峻的挑战。为此，我们有必要在大力开发第
3、三代移动通信技术系统的同时，提前作好准备，积极参与ITU关于第四代移动通信标准建议的研究，掌握世界移动通信技术的研究动向和最新成果，加强国际合作，关注并积极进行第四代移动通信技术的研究与开发工作，把第四代移动通信的研发与建立我国移动通信产业结合起来，加快我国移动通信产业的发展，使我国的移动通信产业在国内外拥有强大的市场。 关键词 第四代移动通信系统（4G）； 正交频分复用（OFDM）； MIMO；超宽带（UWB）无限传输； 宽带无线接入Abstract Currently，The ITU approved third generation mobile communication system
4、 (3G) standards are WCDMA, TD-SCDMA and CDMA2000.Altoough compare with 2G，3G has many advantages but still exist many unsatisfactory areas， (1) lack of global unity of 3G standards (2) using speech 3G exchange architecture still carries on the system of exchange circuit, rather than pure IP way(3) p
5、rovide 3G business and business management is flexible (4) streaming media (video) application unsatisfactory (5) of the high-speed data transmission 3G, limited access rate (6) safety aspects and authentication protocol is spared vulnerable safety defects. Therefore, people began to the fourth gene
6、ration mobile communication (4G) and expect to have 4G standards to solve the above problems existing in 3G. Currently the world send countries are actively carries out the fourth generation mobile communication technology specifications for the research work, in order to global fourth-generation mo
7、bile communications specification can be enjoyed for voice. The fourth generation mobile communication device intelligent high degree, mobile communications, positive feedback for personal development cycle, the characteristics of good decides its market potential is tremendous. The Internet and mob
8、ile communication, mobile communication and to the development of the Internet will inject more vitality. With the rapid development of Internet, the fourth generation mobile communication system will get faster development. According to the forecast, the Internet access to broadband, and has a vari
9、ety of functional fourth generation mobile communication technology in 2010 will become the mainstream of mobile communications market. The 21st century China mobile has a vast development space for the Chinese, with the development of mobile communication provides an unprecedented opportunities, al
10、so brought serious challenges. Therefore, it is necessary for us to develop the third generation mobile communication technology system, at the same time to prepare, actively participate in advance on the fourth generation mobile communication ITU-T standard advice, grasp the mobile communication te
11、chnology and the latest achievements of research trends, and the strengthening of international cooperation, and actively carries out the fourth generation mobile communication technology research and development, the fourth generation mobile communication research and establish China mobile communi
12、cation industry in China, accelerate combines the development of mobile communication industry, the mobile communication industry in China and has a strong market. Key word Fourth generation of mobile communication system (4G); The orthogonal frequency division duplicate uses (OFDM); MIMO; UWB； Broa
13、dband wireless access；40目 录第一章 引言21.1 3G面临的问题和4G的研发状况21.2第三代通信技术简介31.3第四代通信技术简介4第二章 4G中的新技术62.1正交频分复用（OFDM）技术6 2.1.1正交频分复用（OFDM）技术简介6 2.1.2正交频分复用（OFDM）技术的产生及现状8 2.1.3正交频分复用（OFDM）技术的基本原理102.1.4正交频分复用（OFDM）技术在下一代移动通信中的应用.122.2 超宽带（UWB）无线传输技术13 2.2.1超宽带（UWB）无线传输技术的简介13 2.2.2超宽带（UWB）无线传输技术的关键技术14 2.2.3超
14、宽带（UWB）无线传输技术的应用与发展17 2.3 MIMO技术18 2.3.1 MIMO技术的简介18 2.3.2 MIMO技术的关键21 2.3.3 MIMO与OFDM的结合232.4 宽带无线接入技术25 2.4.1宽带无线接入技术的简介26 2.4.2宽带无线接入技术的应用28 2.4.3宽带无线接入技术的发展29第三章 4G与3G的比较353.1网络体系结构的比较353.2系统参数的比较383.3安全策略的比较38第四章 结论39第一章 引言从原来模拟制的移动通信系统到现在大规模商用的GSM数字移动通信系统的巨大改变，是无线技术和大规模集成电路技术的运用带给人们的惊喜。可见通信系统的
15、升级换代，直接取决于通信技术水平的提高，而一些关键通信技术的发展，而是决定通信技术水平提高的关键因素。如何着眼于目前3G所采用关键技术的基础上，展开对下一代移动通信技术和建设的研究，最大限度的降低移动通信建设的投资成本，保证移动通信系统的连续性面试一个非常值得思考的问题。本文将从4G中的新技术和4G与3G的比较来了解4G通信系统。1.1 3G面临的问题和4G的研发状况 随着对高速移动数据业务尤其是对移动IP业务的需求越来越迫切，移动通信网络需要能够提供高速数据传输能力。目前，经ITU认可的3G标准有WCDMA、CDMA2000和中国提出的TD-SCDMA。标准的不统一在一定程度上阻碍了3G实现
16、全球无缝漫游的目标，虽然3G和2G相比，有很多优点，但是3G还是存在着很多不尽人意的地方，不能够满足人们对于通信的要求。一、对IP的支持远远不够目前IMT-2000在无线传输技术和核心网都没有统一的制式，其建议和主流技术并不适应因特网的发展要求。需要提出一种能在所有的环境和各种移动状态中传递无线多媒体服务，并能满足用户服务质量要求的更新一代移动通信系统（4G）。二、业务提供和业务管理不灵活完全开放式的业务平台使得业务开发商能够自由地开发新业务，并能更好、更灵活、更方便地进行业务管理，为今后的发展提供更广阔的天地。而3G网络与实现完全开放式业务平台之间还存在着很大的距离。三、高速数据传输不成熟3
17、G的接入数率有限，而且由于各种业务之间的干扰，要扩展到更高的数据速率很难。3G的最高传输速率是2Mbit/s，而且仅限于室内环境和移动速率不高的环境；在车载移动中其传输速率只能达到144kbit/s，难以适应多媒体业务增长的需要。3G的这些不足以及政策、经济等因素导致了对它的众多争议，再加上市场的需求和技术的发展，更先进的4G已被推上议事日程。美国AT&T公司已经在实验室中研究第四代移动通信技术，其研究的目的主要是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网的速率。日本的DOCOMO移动通信公司也已经在日本进行第四代移动通信的研究，日本企图像主导3G一样来主导4G的研发工作，成为第四代移动通信的领
18、头羊。简言之，第四代移动通信将比第三代移动通信更接近个人通信，在技术上将比第三代有更高的台阶，在应用上其终端不仅仅是手机，还可以用作如定位、告警等。总之，第四代移动通信将会带给人们更多的惊喜。1.2 第三代通信技术简介第三代移动通信系统（IMT-2000），在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带CDMA技术为主,并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统 亦即未来移动通信系统，是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端的最先进的移动通信系统。第三代移动通信系统一个突出特色就是，要在未来移动通信系统中实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与任何人，用任意方式、高质量地
19、完成任何信息之间的移动通信与传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主要地位，所以又叫未来个人通信系统。 众所周知，在第二代数字移动通信系统中，通信标准的无序性所产生的百花齐放局面，虽然极大地促进了移动通信前期局部性的高速发展，但也较强地制约了移动通信后期全球性的进一步开拓，即包括不同频带利用在内的多种通信标准并存局面，使得“全球通”漫游业务很难真正实现，同时现有带宽也无法满足信息内容和数据类型日益增长的需要。第二代移动通信所投入的巨额软硬件资源和已经占有的宠大市场份额决定了第三代移动通信只能与第二代移动通信在系统方面兼容地平滑过渡，同时也就使得第
20、三代移动通信标准的制定显得复杂多变，难以确定。1.3 第四代通信技术简介第四代移动通信的概念可称为广带接入(broadband)和分布网络，具有超过2Mbit/s的非对称数据传输能力。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网(WLAN)、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入IP系统。 也就是说，4G将是多种无线技术的综合系统。它融合了现有3G的增强技术，集3G网络技术和无线LAN系统为一体。4G通信具有以下特征： 一、技术基础较先进，通信速率高 在4G中将采用几项突破性技术如：OFDM(Orthogonal
21、Frequency Division Multiplexer)技术、无线接入技术、光纤通信技术、软件无线电技术等，使通信系统适合于分组突发业务，最大的数据传输速率将达到100Mbit/s。 二、无缝通信 可在不同接入技术(包括蜂窝、无绳、WLAN、短距离连接及有线)之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信，让所有移动通信运营商的用户享受共同的超3G服务。既有水平(系统内)切换，又有垂直(系统间)切换，还可以在不同速率间进行切换。 三、灵活性较强 4G系统能自适应分配资源，处理变化的业务流和信道条件，有很强的自组织性。 四、通信费用便宜 在建设4G系统时，通信运营商们将考虑直接在3G网络的基础设施之
22、上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。 五、网络频谱宽、无线频谱利用率高 4G网络的带宽将比3G网络带宽高很多，蜂窝组网的概念将被突破，以达到更完美的覆盖，核心网将全面采用分组交换(信元交换)，使得网络根据用户的需要分配带宽，从而大大提高了无线频谱的使用效率，将实现真正的宽带通信。 六、兼容性能更平滑 要使超3G通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到超3G通信。因此，从这个角度来看，超3G系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G平稳过渡等特点。 七、容量大 在容量方面，将可能在FDMA、TDMA、CDMA的基
23、础上引入空分多址(SDMA)，空分多址将会采取自适应波束，如同无线电波一样连接到每一个用户，从而使无线系统容量比现在高1-2个数量级。 八、多媒体通信智慧高、终端多样化和智能化 4G系统采用IPv6等先进的无线接入技术，支持各空中接口，提供的无线多媒体通信服务将包括语音、高清晰度图像、虚拟现实业务等，大量信息透过宽频的信道传送出去，为此4G也称为“多媒体移动通信”；4G通信终端的设计和操作具有智慧化，4G手机可以实现许多难以想像的功能，其终端已不能简单化归为“电话机”的范畴，因为语音数据传输只是4G移动电话的功能之一。第二章 4G中的新技术从前面的叙述中可以看出，4G是一个远比3G复杂的移动通
24、信系统，它的实现要依托于很多新兴的技术，如OFDM、MIMO技术、超宽带（UWB）无限传输、宽带无线接入等。21正交频分复用（OFDM）技术211正交频分复用（OFDM）技术简介OFDM技术属于多载波调制的一种，是一种无线环境下的高速传输技术。OFDM技术的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，将高速信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带带宽小于信道的相关带宽，可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间的干扰。OFDM系统中，各个子信道的载波相互正交，其频谱是相互重叠的，
25、这样不但减小了子载波的相互干扰，而且提高了频谱利用率。信源串/并IFFT加循环前缀并/串发送滤波器信道接收滤波器串/并去循环前缀FFT并/串信宿图2-1 OFDM系统原理图图2-1中，输入数据信元的速率为R，经串并转换，分成M个并行的子数据流，每个数据流的速率为R/M。每个子数据流中的若干比特分成一组，每组的比特数取决于对应子载波的调制方式（如PSK、QAM等）。M个并行的子数据信元编码经交织后，进行快速傅里叶逆变换，将频域信号转换到时域，输出N个时域的样点，再将长为L的CP（循环前缀）加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元。因此，实际发送的OFDM信元长度为（L+N），经并/串转换后发射
26、。接收端收到的信元是时域信号，经串/并转换后去掉CP。如果CP长度大于信道记忆长度，码间干扰（ISI）仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就除去了ISI的影响。OFDM技术有很多独特的优点：频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍；抗多径干扰与频率选择性衰落能力强；通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力；基于离散傅里叶变换的OFDM有快速算法，可采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。尽管OFDM有着种种优势，但仍有一些不足，比如OFDM采用自适应调制技术以及负载算法会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动时速高于30km/h时，信道变化加快，刷新频率增加用于
27、跳频的比特开销也相应增加。此时，自适应调制会变得不太适合，同时也会降低系统效率。212正交频分复用（OFDM）技术的产生及现状特高频/甚高频（VHF/UHF）波段的数字移动通信一直是通信领域中的热点。从80年代开始，数字移动通信技术日趋成熟，逐渐应用于各种无线通信系统之中，如我们所熟知的无线寻呼，数字集群电话，数字蜂窝电话，移动数据终端系统等等。当然，也不可避免地会在“全球个人移动通信”系统中应用。但是众所周知，VHF/UHF的移动信道存在着严重的频率选择性衰落、快衰落和慢衰落，以及各种噪声的干扰和多径传播下的码间串扰等问题。这些问题都会严重地影响着数字移动通信系统的性能和质量。为了克服上述缺
28、陷提高系统的性能，大多数数字移动通信系统都采用了对幅度抖动不敏感的移频键控（FSK）和带高斯滤波器的移频键控（GMSK）等调制方式，并采用了降低码率及自适应反馈均衡等措施。但上述调制技术的信道利用率不很高，因此随着频率资源的日趋紧张，又出现了多种新的高效的调制方式。其中正交频分复用调制（OFDM）就是一种较好的调制方式，其采用并行传送的方式，有较高的信道利用率，并有良好的抗衰落能力，已被应用于数字集群电话及数字广播（DAB）系统之中。它以超大规模集成电路（VLSI）制造技术为前提，在移动通信领域有广阔的应用前景。以上提到的并行传送方式和OFDM的概念是于本世纪5060年代提出来的。1970年，
29、OFDM的专利被发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频率重叠，但又相互间不影响的频率复用（FDM）的方法来并行传送数据，不仅可以不使用高速均衡器、有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM早期的应用有ANIGSC-10（KATHRYN）高频可变速率数传调制解调器（MODEM）。该MODEM利用34路子信道并行传送34路低速数据，每个子信道采用相移键控（PSK）调制，且各子信道载波相互正交，间隔为84Hz。但是在早期的OFDM系统中，发信号和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复
30、杂和昂贵。为了简化正弦信号发生器阵列，早在1971年，Weinstein和Ebert就提出了使用离散傅里叶变换（DFT），如专用的硬件-快速傅里叶变换（FFT）电路，实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。随着VLSI的迅速发展，已经出现了高速大阶段的FFT专用芯片及可用软件快速实现FFT的数字信号处理（DSP）的通用芯片，且价格低廉，使利用FFT来实现OFDM的技术成为可能。至80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究的热点。例如在有线信道的研究中，Hirosaki于19
31、81年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落，但OFDM调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重的破坏，造成突发性误码。而与串行方式不同，OFDM能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长，即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大
32、的传播延迟时间，码间串扰就可以完全避免。正基于此，1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙。虽然各子信道的频谱为Sinx/x形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数OFDM方案都是以此为原形实现的。进入90年代以来，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频（FM）和单边带（SSB）信道进行高速数据通信、陆地移动通信。高速数字用户环
33、路（HDSL）、非对称数字用户环路（ADSL）、超高速数字用户环路（VHDSL）、数字声广播（DAB）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用现有的调制系统进行数据传输。目前，国内对OFDM的研究尚处于理论分析及计算机模拟阶段，与国外还有一定的距离。213正交频分复用（OFDM）技术的基本原理当不需要很高的频带利用率时，最常用的并行传输系统使用频分复用（FDM）的调制方式，但这种方式的利用率也较低。为了提高FDM的信道利用率，可将各子信道的频谱部分重叠，接受端用相关滤波器在码元期间接受相应的子信道信号，只要在其它子信道信号
34、与这个本地相关信号在码元期间正交即可排除其它子信道的影响。一组典型的正交信号是，coswt,cos2wt,cosmwtsinwt.sin2wt.sinnwt。它们在0，TT=2/w内组成正交函数集。OFDM所发送的信号就是由这样一组正交信号作为副载波，码元周期为T的不归零方波作为基带码型调制而成的。接收机解调器也是由这样一组正交信号在0,T内分别与发送信号进行相关运算而实现解调的。调制解调原理见图2-2，图2-3。 图2-2 OFDM调制器图2-3 OFDM解调器如图中所示：一、在调制端，要发送的串行二进制数据经过数据编码器（如16QAM）形成M个复数序列，这里D(m)=A(m)-jB(m)。
35、此复数序列经串/并变换器变换后得到的码元周期为T的M路并行码（一帧），码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个副载波来实现频分复用。所得到的波形可由式表示： （1）式中：，为各频率副载波间的频率间隔；为1/T的整倍数。设倍数为C，则/T，各载波相互正交。二、在解调时，对d（t）用频率为的正弦或余弦信号在0,T内进行相关运算即可得到A(m)、B(m)，然后经并/串变换和数据解码复原与发送端相同的数据序列。214正交频分复用（OFDM）技术在下一代移动通信中的应用多载波调制（MCM）技术适用于多种通信方式，如无线电射频通信、光通信等，特别适用于高速数据的传输。随着大规模集成电路。信道自适应技术等
36、相关领域技术的发展，OFDM技术从理论走向实际应用，成为高速双向无线数据通信的最佳实现方式之一，在B3G、802.16等通信系统中成为关注的焦点技术之一。目前，在HSDPA网络普遍采用OFDM技术传输高速数据业务。OFDM可以把数据分散到许多子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响；可以灵活地选择适合的子载波进行传输，实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集合多用户分集，以获得最佳系统性能；通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力；OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波，可以有效地抵抗频率选择性衰落。B3G移动通信系统充分利用OFDM的频谱利用率高、频谱效率比串
37、行系统高、抗多径干扰与频率选择性衰落能力强等技术优点，提高通信质量。此外，OFDM可以和MIMO技术相结合，共同推进B3G移动通信网络的发展。MIMO系统于1908年由Marconi提出，它利用多天线来抑制信道衰落。基于收发两端的天线数量，可以包括SIMO（单输入多输出）系统和MISO（多输入单输出）系统等。MIMO技术可以使信道容量随天线数量的增加而线性增大，提高频谱利用率。MIMO系统在一定程度上可以实现抗多径衰落，与OFDM的抵抗频率选择性衰落相配合，二者将成为下一代网络的关键技术之一。22超宽带（UWB）无线传输技术221超宽带（UWB）无线传输技术的简介超宽带无线数据传输技术的历史渊
38、源，可以追溯到一百年前马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB数据传输技术，又称脉冲无线电（IR，Impulse Radio）技术，出现于1960年代，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技术在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，包括探地雷达系统。到80年代后期，该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989年首次使用了“超宽带”这一术语。自1998年起，美国联邦通信委员会（FCC）对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求
39、业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC仍开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。在UWB的发展过程中，其中有两项进展十分重要：一是UWB系统可以与其它使用更高频谱密度的通信系统可以与其它使用更高频谱密度的通信系统共存而不产生任何干扰；其次是FCC于2002年2月14日发布的02-48号报告及规则，该规则定义了不同类UWB设备的发射限制。按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义，超宽带指信号宽带大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25%；信号带宽与中心频率之比在1%25%之间为宽带，小于1%为窄带。U
40、WB技术是一种工作频率在几Hz到几GHz之间、带宽最高可达数百Mbit/s、通过微弱的脉冲信号进行通信的无线技术。与现有的各种无线通信技术相比，UWB有着明显不同的工作原理和应用特性。传统的无线通信技术使用连续电波作为通信载波，即用某种调制方式将信号加载到连续电波上，并且连续电波被限定在小范围的频段上（一般约为6MHz）。UWB技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题。它所实现方式是发送脉冲无线电信号传送声音和图像数据，每秒可发送多至10亿个代表0和1的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄（0.11.5ns），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），由于分散在很宽的频段范围内
41、，而且在任何一个频段上脉冲信号的功耗都很低，所以它们看上去只是一些微不足道的背景噪音，对其他信号不会形成有效干扰。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。此外，在ISO定义的OSI七个网络层中，UWB是位于最下面物理层的通信技术，这意味着它不可能像其他一些技术那样因受通信协议的束缚而出现兼容性问题222超宽带（UWB）无线传输技术的关键技术一、可控窄脉冲产生技术UWB系统的性能在很大程度上依赖于脉冲信号功率谱密度的平坦性和功率谱覆盖范围，而功率谱的形状又取决于脉冲信号的形状，因此，脉冲信号的设计和产生显得尤其重要。当信号频率接近于零时，天线的发射效率大
42、大下降，因此脉冲信号在接近零频段的信号能量应该很小。这就要求脉冲的形状具有正负对称性，如正弦和高斯脉冲的倒数。这些脉冲信号的宽度为几纳秒，产生的带宽则高达几兆赫兹。UWB最常用的信号脉冲是高斯单循环脉冲。理想的单循环脉冲时域、频域特性如图2-4所示。单循环脉冲是宽带信号，中心频率和带宽完全取决于脉冲宽度。高斯单循环脉冲的时域。频域表达式分别为：式中：表示脉冲宽度。高斯单循环脉冲的频域表达式为： 单循环脉冲的中心频率是脉冲宽度的倒数，带宽是中心频率的116%。因此，对于图2-4所示的宽度为0.5ns的脉冲信号，中心频率为2GHz，带宽大约是2GHz。二、调制技术目前UWB采用的调制技术主要是脉冲
43、位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）。PPM能除去UWB频谱的能量尖峰，使功率谱更加平坦，同时还能实现多址。但规则的单循环脉冲会产生规则分布的能量尖峰，这些能量尖峰会对其它无线系统产生较大的干扰。对脉冲信号进行位置调制，即改变脉冲信号的准确发射时间，使下一时刻的脉冲发射提前或滞后一段时间，能使射频能量更均匀的分布在带宽内，使功率谱更平滑，从而减小对其它系统的干扰。然而，这种调制对脉冲的位置变动很小，因此对功率谱的平滑作用也较小。如果用伪随机（PN）码对脉冲进行调制，可以使信号的频谱类似噪声频谱，去除了能量尖峰。每个用户分配一个PN码，可以同时实现多址，如果接收机没有PN码的信息，将无法识
44、别信号，从而加强了信号的保密性。PAM能有效提高频谱效率，在高斯白噪声信道中具有最佳性能。在多径信道中，据预测多进制PAM调制表现出更好的性能。因此，为支持基于IP的多速率业务及提高系统资源利用率，有必要进一步研究适用于UWB信道的多进制脉冲调制和自适应脉冲调制。三、信号检测技术信号检测技术主要研究如何提高UWB信号的接收质量。目前实现UWB接受的方法主要有3种：(一)相关或RAKE接收机法RAKE接收机由一组相关器或匹配滤波器组成，根据接收端所获得的信道信息对信号的多径成分做分集接收，从而提高接收端的信噪比。接收端的信道估计和相关器（或匹配滤波器）的个数会影响RAKE接收机的性能。相关器的个
45、数越多，RAKE接收机的效果越好，但设备的复杂度也越高。(二)自相关器接收机法自相关接收机将接收信号和前一时刻的信号进行相关运算，在慢衰落信道中，不用进行信道估计就能捕获到全部的信号能量。但这种接收机以带噪的信号作为参考信号，接收机的性能会随着信号质量的恶化而恶化。(三)采用自适应最小均方误差（MMSE）算法的多用户检测（MUD）接收机RAKE接收机虽然能有效地接受多径信号，但接收机的复杂度随着路径的增多而增加。采用自适应最小均方误差（MMSE）算法的多用户检测（MUD）接收机只接收落在观察窗内的可分离的多径成分，因此复杂度是一定的。而且，采用MMSE算法能更好地抑制码间干扰。仿真试验表明，脉
46、冲波形在时域的相关处理可以产生良好的时间分辨性，如RAKE接收、自相关器接收、最小均方误差多用户接收机都可不同程度地有效克服多径影响、抑制干扰和噪声。为进一步提高接收端的质量，空时阵列处理的概念也被尝试运用在UWB技术中。比如，基于脉冲波形的波束成形可以产生无旁瓣的窄的主波束，从而提高接收机抗多径干扰，共道干扰的能力。但是，这种处理增加了算法和设备的复杂度。因此，在多径环境下，考虑其它系统影响的低复杂度、易于实现并具有较高性能的接收技术依旧是UWB的核心问题。 223超宽带（UWB）无线传输技术的应用与发展一、超宽带（UWB）无线传输技术的应用UWB现阶段主要应用于雷达探测和精确定位，未来UW
47、B将广泛应用于数字家庭网络系统。由于UWB探测成像系统可以使警察、消防员和救援人员在紧急情况下迅速找到藏在墙后或者是被埋在废墟中的人；同时，还可以协助公共安全部门在攻坚之前，侦测歹徒的动向，在反恐战争中可以发挥不可估量的作用；此外，也可以用于提高建筑和家庭维修行业的安全性。因此，基于UWB技术的新型探测成像设备具有广阔的市场前景。UWB定位系统具备实时的室内外精确跟踪能力，定位精度可以到几个厘米，在室内精确定位方面将会对GPS起到一个很好的补充作用。UWB技术在家庭网络应用中的目标是消灭加点之间的连接线，利用其高速无线数据传输特点，替代蓝牙技术实现家庭中所有电器之间的无线连接，组建小型数字家庭
48、网络，满足现代家庭对未来高效数字化生活的需求。目前UWB技术正被整合进家庭影院和便携式产品，完成高速无线视频和音频信号的收发。Motorola、Intel、TI、ST（意法半导体）以及日韩一些厂商已推出UWB芯片和相关产品。二、超宽带（UWB）无线传输技术的发展从技术上看UWB有比较广阔的发展前景，但是其发展也面临着很多提前挑战，还有许多技术问题需要研究解决，诸如需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多径传播等问题；进行高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理等。UWB应用的逐步推广无疑会大大促进技术的成熟，有了UWB，未来的数字家庭已经不遥远。从技术竞争的角度看，UWB技术属于无线个域网的一项主要技术，跟RFID等短距离通信技术类似，但在应用层面上，RFID通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别，与UWB技术有着明显的应用隔离。WiMax和WiFi技术则在覆盖范围