UWB工作原理的简明介绍：Introduction to Impulse Radio UWB Seamless Access Systems（1）：脉冲；超宽带；测距；定位

在本文中，我们介绍了超宽带系统的发展和标准化概述，IEEE 802.15.4标准技术方面的信息，以及802.15.4z修正案所做的改进。我们还解释了物理访问系统的基本工作原理，理想的无缝访问体验，以及超宽带技术如何实现它。此外，我们简要比较了超宽带与面部识别访问系统。最后，我们提到了超宽带技术如何扩展到其他相关应用。

脉冲无线电超宽带(Impulse Radio Ultra-Wideband, IR-UWB)系统在2019年受到了显著的媒体关注。这是因为一些知名公司宣布他们正在投资这项技术，或者已经在他们的新产品中发布了这项技术。其中一些例子包括苹果的iPhone 11和Car Connectivity Consortium的新闻稿。在本文中，我们提供了这项技术及其最受欢迎的用例之一——无缝访问的更详细介绍。

UWB代表超宽带，这个通用术语适用于任何使用宽带宽的无线电通信系统，通常定义为10分贝带宽大于中心频率的20%或绝对值为大于500 MHz [Itur06]。最近在这个领域的大部分研究和工作都特别涉及到IR-UWB系统，这意味着系统使用非常短的持续时间/高带宽脉冲进行通信。本文主要指的是这样的系统，所以UWB这个术语经常与IR-UWB同义使用，即使没有明确说明。

UWB系统并不新鲜。相反，它们是无线电通信的最古老形式。在1887年，海因里希·赫兹建造了第一个实验性的火花间隙发射器，以证明麦克斯韦对电磁波的预测[Huur03]。后来，古列尔莫·马可尼在他的电报系统中使用了脉冲传输，包括著名的1901年跨大西洋传输。

大约在马可尼发明五十年后，脉冲无线电传输在雷达应用中获得了一些关注，主要是出于军事目的[Neko05]。

在20世纪90年代初，罗伯特·肖尔茨和莫·温开始在南加州大学合作，为UWB无线网络奠定了基础。他们首次证明了UWB在多径环境中的优越性，因为它对衰落和干扰具有抗性。

随着对UWB商业化的兴趣增加，美国联邦通信委员会（FCC）进行了一项广泛的研究，这导致了2002年2月授权UWB在选定的应用中的商业使用[Neko05]。用于开发商业UWB技术带宽的数量是前所未有的，并且代表了今天可用于免费无线电使用最宽的频带（7.5 GHz的可用频谱带宽）。这些系统的辐射功率被严格限制，以防止与其他技术发生干扰。

除了像FCC和ETSI这样的监管机构外，其他标准制定组织，如电气和电子工程师协会（IEEE），也很早就参与了UWB系统的工作。 早期的商业UWB努力集中在使用正交频分复用（OFDM）和直接序列扩频（DSSS）的高数据速率通信上。直到后来，重点才转向测距和地理定位，在2004年，IEEE成立了802.15.4a任务组，以开发包括相关UWB物理层（PHY）在内的此类应用的标准。这个PHY的更新版本包含在[Ieee15]中。IEEE目前正在为IR-UWB系统开发一个安全扩展，即802.15.4z修正案，从而在多个方面进一步改进了当前的规范，其中一些我们将在本文中讨论。 在这一标准化活动的基础上，其他机构，如FiRa联盟，已经采用IEEE 802.15.4 PHY和MAC规范作为进一步扩展的基础。这些包括应用层的规范和服务特定协议，以支持各种垂直市场应用，从而为端到端、互操作的UWB系统创建标准。

美国联邦通信委员会(FCC)授权在3.1 GHz至10.6 GHz的频段内商业使用超宽带(UWB)设备，其等效全向辐射功率(EIRP)非常受限，为-41.3 dBm/MHz [Fccx02] [Fccx05]。[Ieee15]进一步将这一频谱划分为个别信道，如图1所示。

频带被分为三个独立的组： - 0组频段：次吉赫兹频道 - 1组频段：低频HRP UWB频道 - 2组频段：高频HRP UWB频道

从图1可以看出，并非所有FCC授权的带宽都在[Ieee15]内分配给了信道。1组频段和2组频段之间的频率间隙是为了减少UWB与5 GHz ISM频段内技术（例如，WiFi）之间的干扰而设置的。 在欧洲，对1组频段有进一步的限制，使用这些频道的设备需要实施低占空度(LDC)缓解技术以及检测和避免(DAA)机制[Etsi16]。这些额外的限制使得2组频段对全球部署的UWB设备更具吸引力。

为了使UWB信号与[Ieee15]规定的500 MHz带宽相匹配，需要仔细选择脉冲形状，以确保符合[Ieee15]规定的传输频谱掩模，并避免邻近信道的失真。此外，还必须遵守严格的监管传输限制。 图2展示了[Ieee15]的根升余弦（Root Raised Cosine, RRC）高分辨率脉冲UWB参考脉冲，其中心频率对应于第9信道，以及一个上变频的8阶巴特沃斯低通脉冲，其-3 dB带宽为500 MHz，中心频率对应于第5信道。这两种脉冲都能满足[Ieee15]对IR-UWB无线电使用的要求。

通信系统的最终性能极限由其运行的信道决定。为了有效预测性能，一个现实的信道模型是必不可少的[Moli05]。信道模型通常通过结合相关环境中的实际测量和模拟来开发[MCE+06][KWA+07]。

商用UWB系统旨在用于复杂的环境，如住宅、办公室或工业室内区域。在这些环境中，信号的反射和衍射起着重要作用。天线接收到的信号是传输信号的衰减、延迟且可能重叠的版本的总和，并且可能会随时间变化（由于接收器/发射器的移动或环境的变化）。这些传输信号的不同版本通常被称为多径分量（MPCs）。

UWB系统的大带宽确保了对频率选择性衰落的高度抵抗能力，这种效应限制了窄带技术的性能[WiSc93]。此外，由于涉及短脉冲持续时间/高带宽，许多多径分量是可以解析的[Moli09]。

对于接收器的设计，了解捕获一定能量所需的MPCs数量是很重要的。在前述环境中，这可能是一个挑战，特别是在非视距（NLOS）场景中，100个最强的MPCs可能只携带总能量的30%[KWA+07]。

此外，对于测距应用来说，识别第一条路径至关重要，因为它最能代表发射器和接收器之间的距离。特别是在NLOS场景中，这可能不是最强的MPCs[Moli09]，如图3所示，这为接收器（第一条路径检测）带来了额外的挑战。