1.1 超宽带无线通信的发展

近年来，国内外研究者对于超宽带技术与应用的研究仍处于上升阶段。超宽带技术在无线通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、智能家居等众多领域具有广阔的应用前景[1]。特别是多子带脉冲超宽带系统的灵活性和速率可变性与宽带通信业务的多样性需求相吻合，且在无线通信网迅速发展、大量网络节点和终端不断涌现的背景下，混沌超宽带对系统参数的敏感性和随机性可以满足更大容量、更低能耗的绿色通信需求。

1886年，海因里希·鲁道夫·赫兹在实验室中利用火花隙设备产生了一种辐射波即赫兹波，这是正弦波的来源，也是窄带通信的基础[2]。但是当时由于发射设备非常粗劣，理论上的正弦波发射出来的却是高达数百兆带宽的超宽带信号，这是最早的超宽带通信，也可以说是窄带通信的非理想情况。在之后的数十年，无线通信发展迅速，美国联邦无线电委员会（Federal Radio Commission,FRC）和联邦通信委员会（Federal Communication Commission,FCC）在无线通信方面制定了一系列的规范。例如，正弦波通信和窄带信号是需要授权的，未被滤波的火花隙辐射信号是被禁止的，这些规则让无线电信号走向了窄带化，并使早期的超宽带通信逐渐衰落。

有关脉冲通信的研究可以回溯到20世纪40年代，1942年，Louis de Rosa提出两项利用脉冲传递信号的专利申请，1945年，Conrad H.Hoeppner也提出了有关脉冲通信技术的专利申请。20世纪60年代后期，Gerald Ross和Henning Harmuth开始了脉冲传输系统主要部件和脉冲收发信机的设计。从20世纪六七十年代开始，脉冲技术主要用于非通信领域的商业应用方面，第一个超宽带无线通信专利于1973年获得批准。1978年，Ross博士论述了超宽带信号的产生、处理方法和特征分析等相关技术[3]。20世纪90年代，随着通信技术的发展，人们对短距离、高数据率和多用户应用的需求明显增加。同时，大部分可用的频谱被注册使用，导致频谱越来越紧张，人们开始逐渐关注超宽带这项短距离的高数据率应用。1990年，美国军方统一了“冲激”“窄脉冲”“无载波”“大于相对带宽”等无线电技术，给出了“超宽带”的定义。随后，该项技术主要被用于美国军事方面，如用于战场防窃听。2002年以前，其研究范围仅对与美国政府军队有合作关系或相关的企业、机关和团体开放。美国国防部在此期间大力发展UWB网络系统，并在此领域研发出几十种UWB可用系统，包括加密防窃听网络系统以及应用最广泛的超宽带雷达系统[4]。此后，随着UWB技术的发展和成熟，UWB技术开始被用于民用方面。2002年4月，FCC发布了关于超宽带技术的“First Report and Order”，规定了超宽带无线通信可使用的频率范围为3.1～10.6GHz，并给出了这一范围内的平均发射功率限制，正式批准了UWB技术的商业应用[5]。3.1～10.6GHz频段段与U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）频段重叠，因此常被分为高低两个频段，即低频段（3.1～5.15GHz）和高频段（5.8～10.6GHz），如图1-1所示，其中低频段主要用于低速低功耗的应用，高频段通常用于近距离的高速数据传输。FCC对于商用UWB系统的规定，得到了世界范围的广泛认可。2003年12月，由IEEE组织的对于UWB标准的讨论会在美国新墨西哥州举行，这次对于UWB标准的大讨论有两种相互竞争的标准，最终确立了两种方案：传统脉冲无线电方案（Direct-Sequence Ultra Wide-Band,DS-UWB）和多频带正交频分复用方案（Multi-Band Orthogonal Freguency Division Multiplexing,MB-OFDM）。鉴于其与传统信号相比具有传递的高效、安全等突出优势，UWB技术逐渐成为无线通信的热门研究方向，以进一步发挥其在无线通信方面的巨大潜力。

自此，超宽带技术特别是超宽带无线通信开始受到国内外学者的广泛关注。此外，他们还针对超宽带脉冲信号的设计方法、脉冲与混沌信号的结合、新环境下系统的灵活性等方面展开相关的研究。为了实现高速率的数据传输，充分利用FCC规划频段，2004年，Paquelet等[6-7]提出了多带脉冲超宽带（Multi-Band Impulse Radio Ultra Wide-Band,MIR-UWB）的系统结构，利用多个子带并行传输数据信息，证明了系统结构可以有效提高系统的数据传输速率。此后，很多国内外学者对该系统进行了改进和深入的研究。Mittelbach等[8]修正了MIR-UWB系统模型，证明了传输速率可提高到Gbit/s量级。Hasan等[9]和Dehner等[10]从多用户和干扰抑制的角度优化了该系统模型。Moorfeld等[11]对采用MPAM（M-ary Pulse Amplitude Modulation）的MIR-UWB系统进行了研究，提出了基于能量检测的幅度门限优化方法，但此方法受限于信道传输特性，且系统性能会随着进制数M取值的增大而降低。Dehner等[12]对MIR-UWB系统和其他系统之间的共存性进行了研究。

针对超宽带系统脉冲波形的设计，国内多名学者进行了多方面的研究。吴宣利等[13-14]提出了一种基于正交小波的组合脉冲波形构造方法，可有效地减小多用户干扰并实现自适应频谱包络。徐玉滨等[15]提出了基于长球面波函数的双正交脉冲设计方法，实现了任意频点不同深度的陷波，可很好地抑制窄带干扰。沙学军等[16]采用半正定规划的方法设计了一组超宽带脉冲正交波形，可进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。宁晓燕等[17]提出了一种适用于认知超宽带无线电的自适应波形设计方法，采用高斯函数的加权叠加，利用权重值数组控制实现多个频段的陷波设计。常用的高斯脉冲及其导数的组合脉冲虽然满足辐射掩蔽要求和频谱利用率，但是计算量较大。上述的研究均是将超宽带可用频段作为整体进行脉冲设计的，虽然实现了与部分窄带系统的共存，但系统的频谱利用率和频谱使用灵活性依然受限。采用并行组合扩频数据调制解调的超宽带通信系统可提高通信的传输效率，但系统抗噪声性能受参数制约比较严重[18-19]。梁朝辉等[20]提出了基于正交小波脉冲极性和形状调制的通信系统，可同时传送多位比特信息，提高了传输速率，但是该系统中只局限于两条子路的传输。在脉冲选择方面，组合脉冲可以通过调整参数规避干扰，因此具有更高的频谱利用率[21-22]。郭黎利等[23-24]提出了一种正交自适应脉冲设计方法，将可用频带进行自适应划分，可在不影响授权用户的前提下，通过出让部分频带的方式继续占用空闲频带，降低认知用户的中断率，提高系统的频谱利用率。齐琳等[25]提出了一种适用于MIR-UWB系统的子带频谱划分方式，并对系统的误码率（Bit Error Rate,BER）性能进行了仿真和对比分析。MIR-UWB方案可以提高系统的数据传输速率，还可以提高频谱资源利用的有效性并有效避开其他系统的干扰，虽然增加了系统实现的复杂度，但可采用非相关的能量检测接收机结构，对系统同步精度的要求有所降低。

目前，对于脉冲设计方案的研究多从频域幅值特性的角度出发，缺乏对脉冲基函数频域相位特性的研究，因此应从幅值和相位两个维度考虑基函数的加权叠加，设计多带多路正交并行传输脉冲超宽带（Multi-Band Multi-Channel Orthogonal Parallel Impulse Radio Ultra Wide-Band,MMOP-IRUWB）系统构架及其发射接收框架，论证系统的可行性并推导出系统在高斯信道中的误码率，然后与多带单路串行超宽带系统性能进行对比[26]。MMOP-IRUWB方案可灵活地利用频谱资源，具有较高的频谱利用率，更重要的是其能够提高系统的数据传输速率、扩充系统的通信容量，同时有效地减少与其他系统的干扰，为高速无线数据传输提供了一种有效的实现方案。

由于UWB的诸多优点和广阔的应用前景，国内外学术界和产业界都争相研究UWB理论并研发UWB产品。在学术方面，国际上许多著名大学和研究机构都开展了超宽带技术的研究，有些还成立了专门的实验室，如美国南加州大学、美国加州大学伯克利分校、美国麻省理工学院在2001年就率先从美国国防部申请到了短距离超宽带通信系统的创新性研究项目。2002—2004年，美国加州大学圣地亚哥分校、美国得克萨斯大学奥斯汀分校、美国斯坦福大学和芬兰奥卢大学等都启动了超宽带系统方面的研究项目。在产业方面，许多著名跨国公司，如Intel、AT&T、IBM、SONY等都开始了超宽带技术的研究。IEEE于2003年1月正式开始制定基于UWB技术的高速WPAN物理层标准IEEE802.15.3a，并于2004年成立了IEEE802.15.4a工作组，该工作组的目标是建立用于定位、无线传感器网络等低速率工业环境的无线通信标准，该标准在2007年正式公布并成为官方标准。2005年3月，Intel宣布完成了MBOA的物理层规范1.0版。同年11月，飞思卡尔半导体与海尔集团在北京展示了首款支持超宽带的液晶高清晰度电视机和数字媒体服务器。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认证的UWB芯片。

我国在超宽带无线通信技术方面的研究主要以理论研究为主，产品开发为辅。目前，许多高校和研究机构都在进行超宽带技术的研究和产品的开发。2001年9月，国家高技术研究发展计划（“863”计划）批准了第一个超宽带预研项目，在个人通信领域设立了“超宽带无线传输技术的研究与开发”的子课题，研究100Mbit/s的IR-UWB和DS-UWB系统。2003年，我国发布了“超宽带无线通信技术研究与开发”课题，主要进行高速率的IR-UWB和MB-OFDM无线通信实验演示系统的开发[27-28]。国家自然科学基金委员会在2003年开始支持UWB研究项目，并于2004年发布了“超宽带高速无线接入理论的关键技术”课题申请指南，主要研究脉冲UWB的波形设计、调制技术、信道模型、信道估计和均衡技术、UWB高速接入等相关理论和技术及该高速接入系统的演示验证[29-30]。2005年11月，在江苏南京顺利召开的UWB无线通信技术研讨会中，由杨辉、汪洋等作了关于局域UWB室内多径信道特性的研究报告。2006年，北京邮电大学“超宽带无线通信技术及其电磁兼容的研究”项目组与有关部门协作，首次代表中国向国际电联ITU-R TG1/8提交了有关UWB与TD-SCDMA电磁兼容的提案，并参与了IEEE802.15.4a UWB国际标准方案的制定及融合工作。2007年，中国科技大学无线网络通信实验室承担了国家高技术研究发展计划（“863”计划）课题“超宽带SoC芯片设计及组网试验”。2010年，我国首个自主研发的脉冲超宽带无线通信系统和网络应用示范系统在中国科学技术大学研制成功。在标准制定方面，为了更好地给我国超宽带技术提供良好的发展环境，在2008年12月和2011年1月，我国工业和信息化部无线电管理局分别发布了《关于超宽带（UWB）技术频率使用规定有关事宜的通知》和《关于发布超宽带（UWB）技术频率使用规定的通知》[31]，为我国UWB技术的发展扫清了障碍。随着移动网络技术的更新与进步及移动通信的升级，超宽带成了这场革命的主力。在过去的20年中，全球运营商不仅仅将目光锁定于语音业务，更关注于内容和应用。2015年9月，在第二届华为全球超宽带高峰论坛（UBBF 2015）上，这些观点更被强化，高清视频成为运营商新一轮收入增长的源泉，要使高清视频能正常运转就必须使用超宽带。

因此，如何建立具有高速率、较高运行安全性及可靠性的UWB无线传输系统模型是UWB的一大研究方向。在系统设计方面，根据IEEE802.15.3a标准，超宽带被划分为脉冲和多频带两大主流。MB-OFDM-UWB利用正交的子载波将待发送序列进行串并转换传输，提高信息速率，具有良好的抗多径特性，但是系统面临频偏和放大器线性要求较高的问题。

UWB技术具有传统通信系统所没有的优势，但在广泛应用的同时也带来了新的问题。在UWB系统走向实用化的过程中，仍有许多关键技术及挑战需要面对。但随着通信网络的不断演进和网络终端的大量涌现，UWB技术更需要人们坚持不懈地研究，才能步入更加快速的发展轨迹，更好地支持未来通信网的发展。