在本文中，我们概述了超宽带系统的发展和标准化，IEEE 802.15.4标准的技术方面，以及802.15.4z修正案所做的改进。我们还解释了物理接入系统的基本工作原理、所需的无缝接入体验以及超宽带技术如何实现它。此外，我们简要地比较了超宽带和面部识别接入系统。最后，我们提到了超宽带技术如何扩展到其他相关应用。

简要介绍

脉冲无线电超宽带(IR-UWB)系统在整个2019年都受到了媒体的广泛关注。这是由于高调的公司宣布，他们要么正在投资，要么已经在他们的新产品中发布了这项技术。苹果的iPhone 11和汽车连接联盟的新闻稿就是这样的例子。在本文中，我们提供了该技术的概述，并更详细地说明了最流行的用例之一，无缝访问。

简史

UWB代表超宽带，这个通用术语适用于任何采用宽带宽的无线电通信系统，通常定义为大于中心频率20%的10db带宽或大于500 MHz的绝对值[Itur06]。该领域的大多数最新研究和工作都与IR-UWB系统有关，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，所以术语UWB通常被用作IR-UWB的同义词，即使没有明确说明

UWB无线通道

频段划分

FCC授权UWB在3.1 GHz至10.6 GHz频段商用超宽带设备，其等效各向同性辐射功率(EIRP)非常有限，为-41.3 dBm/MHz [Fccx02] [Fccx05]。[Ieee15]将该频谱进一步划分为单独的通道，如下图所示。

频带分为独立的三组:

• Band Group 0: sub-1GHz 通道

• Band Group 1: 低频段 HRP UWB 通道

• Band Group 2: 高频段 HRP UWB通道

从上图可以看出，并非所有FCC授权的带宽都分配给了[Ieee15]内的频道。在Band Group 1和Band Group 2之间引入频率间隔是为了避免UWB和5 GHz ISM频段的技术(例如WiFi)之间的干扰。

在欧洲，进一步的限制适用于频段组1，例如使用这些信道的设备需要实现低占空比(LDC)缓解技术以及检测和避免(DAA)机制。这些额外的限制使得使用波段组2频道对全球部署的超宽带设备更具吸引力。

UWB脉冲波形

为了将UWB信号匹配到[Ieee15]的500 MHz带宽，需要仔细选择UWB的脉冲形状，以确保符合[Ieee15]指定的发射频谱掩码，并且避免相邻通道的失真。此外，必须遵守严格的无线电的法规传输限制。

下图显示了中心频率对应通道9的[Ieee15]升高余弦(RRC) HRP超宽带参考脉冲，以及上变频的8阶巴特沃斯低通脉冲

-3 dB带宽为500MHz，中心频率对应于通道5。这两种脉冲都符合[Ieee15]中规定的用于IR-UWB无线电的要求。

UWB通道特性

UWB通信系统的最终性能极限是由它所处的信道决定的。为了有效地预测性能，一个现实的渠道模型是必不可少的。通道模型通常通过结合相关环境中的实际测量和仿真[MCE+06] [KWA+07]来开发。

商用超宽带系统主要用于住宅、办公室或工业室内等复杂环境。在这些环境中，信号反射和衍射起着重要的作用。天线接收到的信号是发射信号的衰减、延迟和可能重叠版本的总和，并且可能随时间而变化(由于接收机/发射机的移动或环境的变化)。这些不同版本的传输信号通常被称为多路径组件(mpc)

超宽带UWB系统的大带宽确保了高水平的频率选择性衰落恢复能力，这是限制窄带技术性能的一个效应[WiSc93]。此外，由于所涉及的短脉冲持续时间/高带宽，许多多路径组件是可解析的[Moli09]。

对于接收机的设计，重要的是要了解捕获一定量能量所必需的mpc的数量。在前面提到的环境中，这可能是一个挑战，特别是在非视距(NLOS)场景中，100个最强的mpc可能携带的只有总能量的30% [KWA+07]。

此外，对于测距应用，必须识别第一条路径，因为它最能代表发射机和接收机之间的距离。特别是在NLOS场景中，如图3所示，这可能不是最强的mpc [Moli09]，但这对接收器来说是一个额外的挑战(第一次路径检测)。

测距与接收

全球定位系统(GPS)等系统依赖单向测距(OWR)，其中多颗卫星(代表固定节点，称为锚点)定期传输同步的无线电分组，允许接收单元(代表移动节点，称为标签)通过标签端到达时间差(TS-TDOA)评估计算其位置。反过来，通常应用于IEEE 802.15.4 LRP超宽带系统，也是可能的:标签传输一个无线电数据包，同步锚通过锚侧到达时间差计算定位的位置(AS-TDOA)评估。根据不同的应用需求，两种方式都可以与IEEE 802.15.4 HRP超宽带PHY配合使用。

基本飞行时间(TOF)双向测距(TWR)由交换的两个(无线电)包组成。这被称为单边双向测距(SS-TWR)。在下面的图表中，绘制了实际的时差。估计的/测量的时间差表示为实际的时间差，加上下标“m”。SS-TWR TOF估计值可以计算如下。

一种更高级的TOF测距方法，称为双面双向测距(DS-TWR)，允许隐式修正由于时钟偏移造成的误差。计算DS-TWR TOF估计值的方法如下所示

在这种情况下，如果我们用f1和f2表示归一化的本地时钟频率(在理想时钟的情况下名义上都等于1)，估计将取决于时钟偏移如下所示。

在超宽带情况下，SS-TWR也可以校正时钟误差，因为最先进的接收机能够准确地确定传入数据包的发射器与用于接收的本地时钟之间的时钟偏移。