1.1 超寬帶無線通信的發(fā)展

近年來，國內(nèi)外研究者對(duì)于超寬帶技術(shù)與應(yīng)用的研究仍處于上升階段。超寬帶技術(shù)在無線通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像、智能家居等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。特別是多子帶脈沖超寬帶系統(tǒng)的靈活性和速率可變性與寬帶通信業(yè)務(wù)的多樣性需求相吻合，且在無線通信網(wǎng)迅速發(fā)展、大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端不斷涌現(xiàn)的背景下，混沌超寬帶對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性和隨機(jī)性可以滿足更大容量、更低能耗的綠色通信需求。

1886年，海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澰趯?shí)驗(yàn)室中利用火花隙設(shè)備產(chǎn)生了一種輻射波即赫茲波，這是正弦波的來源，也是窄帶通信的基礎(chǔ)[2]。但是當(dāng)時(shí)由于發(fā)射設(shè)備非常粗劣，理論上的正弦波發(fā)射出來的卻是高達(dá)數(shù)百兆帶寬的超寬帶信號(hào)，這是最早的超寬帶通信，也可以說是窄帶通信的非理想情況。在之后的數(shù)十年，無線通信發(fā)展迅速，美國聯(lián)邦無線電委員會(huì)（Federal Radio Commission,FRC）和聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communication Commission,FCC）在無線通信方面制定了一系列的規(guī)范。例如，正弦波通信和窄帶信號(hào)是需要授權(quán)的，未被濾波的火花隙輻射信號(hào)是被禁止的，這些規(guī)則讓無線電信號(hào)走向了窄帶化，并使早期的超寬帶通信逐漸衰落。

有關(guān)脈沖通信的研究可以回溯到20世紀(jì)40年代，1942年，Louis de Rosa提出兩項(xiàng)利用脈沖傳遞信號(hào)的專利申請(qǐng)，1945年，Conrad H.Hoeppner也提出了有關(guān)脈沖通信技術(shù)的專利申請(qǐng)。20世紀(jì)60年代后期，Gerald Ross和Henning Harmuth開始了脈沖傳輸系統(tǒng)主要部件和脈沖收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)。從20世紀(jì)六七十年代開始，脈沖技術(shù)主要用于非通信領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用方面，第一個(gè)超寬帶無線通信專利于1973年獲得批準(zhǔn)。1978年，Ross博士論述了超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生、處理方法和特征分析等相關(guān)技術(shù)[3]。20世紀(jì)90年代，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)短距離、高數(shù)據(jù)率和多用戶應(yīng)用的需求明顯增加。同時(shí)，大部分可用的頻譜被注冊(cè)使用，導(dǎo)致頻譜越來越緊張，人們開始逐漸關(guān)注超寬帶這項(xiàng)短距離的高數(shù)據(jù)率應(yīng)用。1990年，美國軍方統(tǒng)一了“沖激”“窄脈沖”“無載波”“大于相對(duì)帶寬”等無線電技術(shù)，給出了“超寬帶”的定義。隨后，該項(xiàng)技術(shù)主要被用于美國軍事方面，如用于戰(zhàn)場(chǎng)防竊聽。2002年以前，其研究范圍僅對(duì)與美國政府軍隊(duì)有合作關(guān)系或相關(guān)的企業(yè)、機(jī)關(guān)和團(tuán)體開放。美國國防部在此期間大力發(fā)展UWB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在此領(lǐng)域研發(fā)出幾十種UWB可用系統(tǒng)，包括加密防竊聽網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及應(yīng)用最廣泛的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)[4]。此后，隨著UWB技術(shù)的發(fā)展和成熟，UWB技術(shù)開始被用于民用方面。2002年4月，F(xiàn)CC發(fā)布了關(guān)于超寬帶技術(shù)的“First Report and Order”，規(guī)定了超寬帶無線通信可使用的頻率范圍為3.1～10.6GHz，并給出了這一范圍內(nèi)的平均發(fā)射功率限制，正式批準(zhǔn)了UWB技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用[5]。3.1～10.6GHz頻段段與U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）頻段重疊，因此常被分為高低兩個(gè)頻段，即低頻段（3.1～5.15GHz）和高頻段（5.8～10.6GHz），如圖1-1所示，其中低頻段主要用于低速低功耗的應(yīng)用，高頻段通常用于近距離的高速數(shù)據(jù)傳輸。FCC對(duì)于商用UWB系統(tǒng)的規(guī)定，得到了世界范圍的廣泛認(rèn)可。2003年12月，由IEEE組織的對(duì)于UWB標(biāo)準(zhǔn)的討論會(huì)在美國新墨西哥州舉行，這次對(duì)于UWB標(biāo)準(zhǔn)的大討論有兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)，最終確立了兩種方案：傳統(tǒng)脈沖無線電方案（Direct-Sequence Ultra Wide-Band,DS-UWB）和多頻帶正交頻分復(fù)用方案（Multi-Band Orthogonal Freguency Division Multiplexing,MB-OFDM）。鑒于其與傳統(tǒng)信號(hào)相比具有傳遞的高效、安全等突出優(yōu)勢(shì)，UWB技術(shù)逐漸成為無線通信的熱門研究方向，以進(jìn)一步發(fā)揮其在無線通信方面的巨大潛力。

圖1-1 FCC定義的室內(nèi)可用超寬帶頻段

自此，超寬帶技術(shù)特別是超寬帶無線通信開始受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。此外，他們還針對(duì)超寬帶脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)方法、脈沖與混沌信號(hào)的結(jié)合、新環(huán)境下系統(tǒng)的靈活性等方面展開相關(guān)的研究。為了實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，充分利用FCC規(guī)劃頻段，2004年，Paquelet等[6-7]提出了多帶脈沖超寬帶（Multi-Band Impulse Radio Ultra Wide-Band,MIR-UWB）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)子帶并行傳輸數(shù)據(jù)信息，證明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有效提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。此后，很多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和深入的研究。Mittelbach等[8]修正了MIR-UWB系統(tǒng)模型，證明了傳輸速率可提高到Gbit/s量級(jí)。Hasan等[9]和Dehner等[10]從多用戶和干擾抑制的角度優(yōu)化了該系統(tǒng)模型。Moorfeld等[11]對(duì)采用MPAM（M-ary Pulse Amplitude Modulation）的MIR-UWB系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了基于能量檢測(cè)的幅度門限優(yōu)化方法，但此方法受限于信道傳輸特性，且系統(tǒng)性能會(huì)隨著進(jìn)制數(shù)M取值的增大而降低。Dehner等[12]對(duì)MIR-UWB系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間的共存性進(jìn)行了研究。

針對(duì)超寬帶系統(tǒng)脈沖波形的設(shè)計(jì)，國內(nèi)多名學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究。吳宣利等[13-14]提出了一種基于正交小波的組合脈沖波形構(gòu)造方法，可有效地減小多用戶干擾并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)頻譜包絡(luò)。徐玉濱等[15]提出了基于長球面波函數(shù)的雙正交脈沖設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了任意頻點(diǎn)不同深度的陷波，可很好地抑制窄帶干擾。沙學(xué)軍等[16]采用半正定規(guī)劃的方法設(shè)計(jì)了一組超寬帶脈沖正交波形，可進(jìn)一步增加正交波形的功率利用率，有效提高接收端的信噪比。寧曉燕等[17]提出了一種適用于認(rèn)知超寬帶無線電的自適應(yīng)波形設(shè)計(jì)方法，采用高斯函數(shù)的加權(quán)疊加，利用權(quán)重值數(shù)組控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段的陷波設(shè)計(jì)。常用的高斯脈沖及其導(dǎo)數(shù)的組合脈沖雖然滿足輻射掩蔽要求和頻譜利用率，但是計(jì)算量較大。上述的研究均是將超寬帶可用頻段作為整體進(jìn)行脈沖設(shè)計(jì)的，雖然實(shí)現(xiàn)了與部分窄帶系統(tǒng)的共存，但系統(tǒng)的頻譜利用率和頻譜使用靈活性依然受限。采用并行組合擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)的超寬帶通信系統(tǒng)可提高通信的傳輸效率，但系統(tǒng)抗噪聲性能受參數(shù)制約比較嚴(yán)重[18-19]。梁朝輝等[20]提出了基于正交小波脈沖極性和形狀調(diào)制的通信系統(tǒng)，可同時(shí)傳送多位比特信息，提高了傳輸速率，但是該系統(tǒng)中只局限于兩條子路的傳輸。在脈沖選擇方面，組合脈沖可以通過調(diào)整參數(shù)規(guī)避干擾，因此具有更高的頻譜利用率[21-22]。郭黎利等[23-24]提出了一種正交自適應(yīng)脈沖設(shè)計(jì)方法，將可用頻帶進(jìn)行自適應(yīng)劃分，可在不影響授權(quán)用戶的前提下，通過出讓部分頻帶的方式繼續(xù)占用空閑頻帶，降低認(rèn)知用戶的中斷率，提高系統(tǒng)的頻譜利用率。齊琳等[25]提出了一種適用于MIR-UWB系統(tǒng)的子帶頻譜劃分方式，并對(duì)系統(tǒng)的誤碼率（Bit Error Rate,BER）性能進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。MIR-UWB方案可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，還可以提高頻譜資源利用的有效性并有效避開其他系統(tǒng)的干擾，雖然增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，但可采用非相關(guān)的能量檢測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)同步精度的要求有所降低。

目前，對(duì)于脈沖設(shè)計(jì)方案的研究多從頻域幅值特性的角度出發(fā)，缺乏對(duì)脈沖基函數(shù)頻域相位特性的研究，因此應(yīng)從幅值和相位兩個(gè)維度考慮基函數(shù)的加權(quán)疊加，設(shè)計(jì)多帶多路正交并行傳輸脈沖超寬帶（Multi-Band Multi-Channel Orthogonal Parallel Impulse Radio Ultra Wide-Band,MMOP-IRUWB）系統(tǒng)構(gòu)架及其發(fā)射接收框架，論證系統(tǒng)的可行性并推導(dǎo)出系統(tǒng)在高斯信道中的誤碼率，然后與多帶單路串行超寬帶系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比[26]。MMOP-IRUWB方案可靈活地利用頻譜資源，具有較高的頻譜利用率，更重要的是其能夠提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、擴(kuò)充系統(tǒng)的通信容量，同時(shí)有效地減少與其他系統(tǒng)的干擾，為高速無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)方案。

由于UWB的諸多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都爭(zhēng)相研究UWB理論并研發(fā)UWB產(chǎn)品。在學(xué)術(shù)方面，國際上許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都開展了超寬帶技術(shù)的研究，有些還成立了專門的實(shí)驗(yàn)室，如美國南加州大學(xué)、美國加州大學(xué)伯克利分校、美國麻省理工學(xué)院在2001年就率先從美國國防部申請(qǐng)到了短距離超寬帶通信系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究項(xiàng)目。2002—2004年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、美國斯坦福大學(xué)和芬蘭奧盧大學(xué)等都啟動(dòng)了超寬帶系統(tǒng)方面的研究項(xiàng)目。在產(chǎn)業(yè)方面，許多著名跨國公司，如Intel、AT&T、IBM、SONY等都開始了超寬帶技術(shù)的研究。IEEE于2003年1月正式開始制定基于UWB技術(shù)的高速WPAN物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3a，并于2004年成立了IEEE802.15.4a工作組，該工作組的目標(biāo)是建立用于定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低速率工業(yè)環(huán)境的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在2007年正式公布并成為官方標(biāo)準(zhǔn)。2005年3月，Intel宣布完成了MBOA的物理層規(guī)范1.0版。同年11月，飛思卡爾半導(dǎo)體與海爾集團(tuán)在北京展示了首款支持超寬帶的液晶高清晰度電視機(jī)和數(shù)字媒體服務(wù)器。2006年，Alereon、Artimi、Intel等多家公司均推出了UWB芯片。2007年，多家芯片公司推出符合WiMedia認(rèn)證的UWB芯片。

我國在超寬帶無線通信技術(shù)方面的研究主要以理論研究為主，產(chǎn)品開發(fā)為輔。目前，許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行超寬帶技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開發(fā)。2001年9月，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）批準(zhǔn)了第一個(gè)超寬帶預(yù)研項(xiàng)目，在個(gè)人通信領(lǐng)域設(shè)立了“超寬帶無線傳輸技術(shù)的研究與開發(fā)”的子課題，研究100Mbit/s的IR-UWB和DS-UWB系統(tǒng)。2003年，我國發(fā)布了“超寬帶無線通信技術(shù)研究與開發(fā)”課題，主要進(jìn)行高速率的IR-UWB和MB-OFDM無線通信實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)的開發(fā)[27-28]。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)在2003年開始支持UWB研究項(xiàng)目，并于2004年發(fā)布了“超寬帶高速無線接入理論的關(guān)鍵技術(shù)”課題申請(qǐng)指南，主要研究脈沖UWB的波形設(shè)計(jì)、調(diào)制技術(shù)、信道模型、信道估計(jì)和均衡技術(shù)、UWB高速接入等相關(guān)理論和技術(shù)及該高速接入系統(tǒng)的演示驗(yàn)證[29-30]。2005年11月，在江蘇南京順利召開的UWB無線通信技術(shù)研討會(huì)中，由楊輝、汪洋等作了關(guān)于局域UWB室內(nèi)多徑信道特性的研究報(bào)告。2006年，北京郵電大學(xué)“超寬帶無線通信技術(shù)及其電磁兼容的研究”項(xiàng)目組與有關(guān)部門協(xié)作，首次代表中國向國際電聯(lián)ITU-R TG1/8提交了有關(guān)UWB與TD-SCDMA電磁兼容的提案，并參與了IEEE802.15.4a UWB國際標(biāo)準(zhǔn)方案的制定及融合工作。2007年，中國科技大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）課題“超寬帶SoC芯片設(shè)計(jì)及組網(wǎng)試驗(yàn)”。2010年，我國首個(gè)自主研發(fā)的脈沖超寬帶無線通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示范系統(tǒng)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制成功。在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，為了更好地給我國超寬帶技術(shù)提供良好的發(fā)展環(huán)境，在2008年12月和2011年1月，我國工業(yè)和信息化部無線電管理局分別發(fā)布了《關(guān)于超寬帶（UWB）技術(shù)頻率使用規(guī)定有關(guān)事宜的通知》和《關(guān)于發(fā)布超寬帶（UWB）技術(shù)頻率使用規(guī)定的通知》[31]，為我國UWB技術(shù)的發(fā)展掃清了障礙。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新與進(jìn)步及移動(dòng)通信的升級(jí)，超寬帶成了這場(chǎng)革命的主力。在過去的20年中，全球運(yùn)營商不僅僅將目光鎖定于語音業(yè)務(wù)，更關(guān)注于內(nèi)容和應(yīng)用。2015年9月，在第二屆華為全球超寬帶高峰論壇（UBBF 2015）上，這些觀點(diǎn)更被強(qiáng)化，高清視頻成為運(yùn)營商新一輪收入增長的源泉，要使高清視頻能正常運(yùn)轉(zhuǎn)就必須使用超寬帶。

因此，如何建立具有高速率、較高運(yùn)行安全性及可靠性的UWB無線傳輸系統(tǒng)模型是UWB的一大研究方向。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)，超寬帶被劃分為脈沖和多頻帶兩大主流。MB-OFDM-UWB利用正交的子載波將待發(fā)送序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換傳輸，提高信息速率，具有良好的抗多徑特性，但是系統(tǒng)面臨頻偏和放大器線性要求較高的問題。

UWB技術(shù)具有傳統(tǒng)通信系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢(shì)，但在廣泛應(yīng)用的同時(shí)也帶來了新的問題。在UWB系統(tǒng)走向?qū)嵱没倪^程中，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)需要面對(duì)。但隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)終端的大量涌現(xiàn)，UWB技術(shù)更需要人們堅(jiān)持不懈地研究，才能步入更加快速的發(fā)展軌跡，更好地支持未來通信網(wǎng)的發(fā)展。