超宽带信号的研究
UWB超宽带无线定位系统研究与设计
2020年第08期86UWB 超宽带无线定位系统研究与设计陶 凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。
该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。
在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。
上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。
此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。
关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。
在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。
相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。
同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。
因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。
在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。
超宽带通信的信号处理技术
超宽带通信的信号处理技术在当今信息高速发展的时代，通信技术的不断革新为人们的生活带来了翻天覆地的变化。
超宽带通信作为一种新兴的短距离高速无线通信技术，凭借其独特的优势，在诸多领域展现出了广阔的应用前景。
而在超宽带通信系统中，信号处理技术则是实现其高性能、高可靠性的关键所在。
超宽带通信技术是指具有极大带宽、极低功率谱密度的无线通信技术。
它与传统的窄带通信技术有着显著的区别。
超宽带信号的带宽通常在数 GHz 以上，这使得其在短距离内能够实现高速的数据传输，并且具有良好的穿透能力和抗多径衰落性能。
然而，要充分发挥超宽带通信的这些优势，离不开先进的信号处理技术。
在超宽带通信中，信号的产生和调制是首先需要关注的环节。
常用的超宽带信号产生方法包括脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）等。
以脉冲位置调制为例，通过改变脉冲在时间轴上的位置来传递信息，这种方式简单直观，但对时间精度要求较高。
而脉冲幅度调制则是通过改变脉冲的幅度来表示不同的信息，相对来说实现难度稍大，但在某些场景下能够提供更好的性能。
信号接收和检测是超宽带通信信号处理的核心部分。
由于超宽带信号在传输过程中会受到多径衰落、噪声干扰等因素的影响，接收端需要采用有效的检测算法来准确恢复出原始信息。
常见的检测算法有匹配滤波检测、能量检测和相关检测等。
匹配滤波检测是一种理论上最优的检测方法，但实现复杂度较高；能量检测则相对简单，但性能稍逊；相关检测在一定程度上兼顾了性能和复杂度，是实际应用中较为常用的方法。
多径衰落是超宽带通信面临的一个重要挑战。
由于信号的带宽很宽，不同频率成分在传输过程中的衰落情况不同，导致接收信号出现严重的失真。
为了对抗多径衰落，分集接收技术被广泛应用。
分集接收通过在接收端采用多个天线或者在时间上进行多次接收，获取多个独立衰落的信号副本，然后通过合并这些副本，有效地提高了接收信号的质量。
常见的分集合并技术有选择合并、最大比合并和等增益合并等。
超宽带通信技术研究及最新发展动向
当前国内外超宽带通信最新的研究及应用情况 ， 了超宽带通信的发展动向和进一步研究的课题 。 展望 关键词 ：Ｗ ； Ｕ Ｂ 超宽带 ； 脉冲通信 ； 准制定 标
中图分类号 Ｔ ９ Ｎ２ 文献标识码 ： Ａ
Ｏｎ ｃ ｍ ｍｕ ｉａｉｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅｗｉ ｌ ａ—ｗ ｄ ｂ ｎ ｎ ｔ ａｅｔｄ ｖ ｌｐ ｅ ｔ ｏ ｎ ｃ ｔ ｅｈ ｉｕ ｔ ｕ ｔ － ｏ ｈ ｒ ｉ ｅ ａ ｄ ａ ｄ ｉ ｌｔｓ ｅ ｅｏ ｍ ｎ ｓ
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超宽带技术是一种新型的无线通信技术 。它通
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西北 水 电 ・ ０ ８年 ・第 １ ２０ 期
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关于超宽带(UWB)无线通信技术的分析研究
关于超宽带（UWB）无线通信技术的分析研究
随着科技的不断发展，无线通信技术也在逐步提升。
超宽带（UWB）无线通信技术作为一种新兴的无线通信技术，已逐
渐被工业界和学术界广泛认可。
本文将对超宽带无线通信技术进行分析研究。
首先，超宽带技术是指利用极短的脉冲信号进行通信的一种无线通信技术。
它具备宽带、低功耗、高速、高精度、低干扰等优点，可以在短距离范围内实现高速数据传输和定位服务。
与传统的无线通信技术相比，超宽带技术具有更高的频带利用率和系统容量，可以实现更安全和高效的通信服务。
其次，超宽带技术已经被广泛应用于各种领域。
在物联网领域，超宽带技术可以应用于智能家居、智能医疗、智能交通等多个领域，可以为人类生活带来更加便利和舒适的体验。
在电子商务领域，超宽带技术可以实现高速数据传输和快速支付，可以为现代商业带来极大的便利和效益。
此外，在智能制造、智慧城市等领域也可以应用超宽带技术。
再次，超宽带技术还存在一些挑战和问题。
例如，超宽带技术的系统复杂，需要高精度的硬件和软件支持。
此外，超宽带技术的应用范围和可靠性还需要进一步完善。
综上所述，超宽带无线通信技术已经成为当前无线通信领域的热门技术之一。
尽管它还存在一些挑战和问题，但它有着广阔的应用前景和市场前景。
随着科技的不断提升和完善，相信超宽带无线通信技术将在未来得到更广泛的应用和推广。
超宽带(UWB)信号的时频特性
超宽带（UWB ）信号的时频特性1孙超，周正摘 要：由于超宽带（UWB ）信号属于非平稳信号，其时频特征更能反映信号的本质属性。
为了研究UWB 信号的特征，首先介绍了目前常用的三种UWB 信号的调制方式，然后提出使用时频分析的方法对UWB 信号进行分析，使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换（STFT ）对采用不同调制方式生成的UWB 信号进行分析，并且根据不同UWB 信号各自的特点，结合仿真结果从时域和频域联合特征的角度对UWB 信号进行了新的认识，并提出需要进一步进行研究的问题。
关键词：超宽带；时频分析；短时傅立叶变换美国联邦通信委员会（FCC ）对超宽带（UWB ）无线系统的定义是分数带宽大于20％或者10dB带宽大于500MHz [1]。
自从2002年FCC 开放3.1～10.6GHz 频带给UWB 设备使用之后，就掀起了UWB 技术用于民用高速率、低功耗通信设备的研究热潮，新的技术、新的产品不断涌现。
目前UWB 的调制方式主要有PPM ，P AM ，DS －UWB ，MB －OFDM 等，由于新的调制方式的使用，如何分析不同调制方式下的UWB 信号成为人们目前面临的新问题。
由于UWB 信号的生成方式与传统的窄带信号不同，是典型的非平稳信号，目前建立在使用传统的傅立叶分析方法分析信号的手段无法完全确定UWB 信号的特征，需要采用新的分析方法以达到正确认识UWB 的目的。
本文使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换分析3种常见的UWB 信号，从时频域的角度对UWB 的特征进行分析。
1、UWB 信号的生成[2]产生UWB 信号最常用和最传统的方法是在非常短的时间内发射脉冲信号，这种方式被称为冲击无线电（Impulse Radio ，IR ）。
常用的调制方式包括脉冲位置调制（PPM ）和脉冲幅度调制（P AM ），并且为了控制生成信号的频谱，数据符号编码需要进行伪随机化或者伪噪声化。
此外，UWB 信号的调制方式还包括引入时间抖动的跳时（TH ）调制方式直接序列扩频（DSSS ）调制方式。
超宽带信号在室内不同环境下传播特性的研究
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超宽带信号频谱实现研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌｒ ｄ ｂ ｎ ｉ ｎ ｌｓ ｃ ｒ ｍ ｅ ｌｚ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｎ ｕ ｔ ａ ｗｉ ｅ ａ ｄ ｓ ｇ ａ ｐｅ ｔ ｕ ｒ ａ ｉ ａ ｉ ｎ
Ｚ ｏ Ｘｉｏ ａ Ｗ ａ ｇ Ｙｏ ｇ ｈ ｎ Ｈ ｅ Ｙｉ Ｍ ｅ ｈ ｏ ｕ ｕ ａ ｙ ｎ ｎ ｓ ｅｇ ｉ ａｈｉ Ｓ
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械ｒ Leabharlann 搽 ＩＴＮ ＥＵＭ Ｔ ＥＮ Ｏ ＥＣ０Ｃ ＡＲ Ｅ ＯＧ Ｒ ＩＭ ＳＥ Ｎ ＴＨ ＬＹ Ｅ 电子测量技术 Ｃ
超 宽 带信 号频 谱 实现 研 究
左 晓 亚 王 永 生 何 一 梅少 辉
（ 西北工业大学电子信 息学院 西安 ７０７ １０ ２）
第Ｏ 第 ２ 年２ ０ １ ３ １期 ０ 月 ７ ２ 卷
摘
要 ：为了给不 同的应用 环境下 所要采 用 的超宽 带信 号波形 的选 择提供 依据 ， 文采 用数字 方法 产 生 了超 宽带 本
（ ｌ ａｗｉ ｂ ｎ ￣ Ｗ Ｂ 无线通信 系统 中常用的基带高斯脉 冲， 此基础 上 ， ｕｔ ｄ ａｄ ｒ ｅ ＞Ｕ ） 在 分别 利用带通滤 波和 上变频方 式实现 了 中心频率和带宽可控的 Ｕ ＷＢ信号脉 冲， 给出 了仿真结果 ， 果表 明 ， 结 带通滤波方式 功率谱能量较低 ， 用于短距离低 适 功率系统 ， 但系统实现简单 。上变频方式功率谱较 高 ， 适用于高速远距离应用 ， 且频谱控制更加灵活 ， 系统复杂度 略 但 高 。与传统波形设计方法相 比， 这些 方法从 频域 出发 ， 频谱实 现简单灵 活并且 系统易于实现 。 关键词 ：超宽带 ；高斯脉冲 ；滤波 ；上变频
（ ｃ ｏ ｌ ｆＥｌｃ ｒ ｉｓａ ｄＩ ｆ ｒ ｔ ，Ｎｏ ｔ ｗｅ ｔｒ ｌｔｃ ｎｃ ｌＵｎｖ ｒｉｙ，Ｘｉａ １ ０ ２） Ｓ ｈ ｏ ｅ ｔｏｎｃ ｎ ｎ ｏ ｍａｉ Ｏ ｏｎ ｒｈ ｓｅｎ Ｐｏｙ ｅ ｈ ｉａ ｉｅ ｓｔ ’ｎ７０ ７
矿井巷道超宽带无线通信系统研究
ａｐｏｃ ｆｔｅｐｏ ａａｏ ｆｈ曲 ｆ ｑ ｅ ｃ ｖｓｉ ｏ ｄｔｎ ｅｓＪ ． ｐ ｒａｈ ｏ ｒｐｇｔ ｎ ｏ ｉ ｒ ｕ ｎｙｗａｅ ｎ ｒａ ｕ ｎ ｌ【ｊ ｈ ｉ ｅ ＩＥ ｒｎ．ｎｅ ｎｓ ｒｐ ｇｔ，ａｕｒ， ９ ４ ４ （）７ — １ Ｅ ＥＴ ａｓ ｔｎａ ｏ ａａ Ｊｎ ａ １９ ， ２１： ５ ８ ． Ａ Ｐ ｅ ｙ
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上式显 示 了双重 影响 ， 方面是 Ｔ 一 Ｈ码 通过 Ｐ（的影 响， ｖ ０ 另一方 面 是 Ｐ Ｍ调制器对 时间偏 移量的影响 ， Ｐ Ｐ Ｐ Ｍ调制 器影响的特征取决于信 号源 的统计特性 。 频谱的离散部分在 １ 处 有谱 线 ， 几 且谱线 的幅度 大小 受信源统计特性加权 。
科技信息
计 算机 与 网络
造 成 本低 。
有很 少的几个 过零 点波形 ， 可以将能量 扩展 到很宽 的频带 内； 脉冲由专 用宽带 天线 以几十至几百 Ｍ ｉｓ ｂｔ 的高速度 发射 ，在时间上 以随机或伪 ／ 随机 间隔进行 分布 ， 而可在时域 、 进 频域上 产生多个噪声编码信道 和一 个类 似噪声 的信号； 冲进行 时间编码形成多个信道 ， 对脉 实现多址 通信。 图 ３中输入 的比特数 是 由等概率 出现的二进制值 ０ １ 和 组成 。从 图中我们可 以看到输 出序 列的前 五个 脉冲在 其对应时 隙的中间位置 ， 而后五个脉 冲则在其对应 时隙的起 始位 置。 给定多脉 冲重复频率 为 Ｔ ， ｈ 可得 Ｔ — Ｐ — ＷＢ信号的频谱如下 ： Ｈ ＰＭ Ｕ
５ 系统接收机结构 ． 在实际的多径环境 中， 由于矿井 巷道信 道的 Ｒ Ｓ Ｍ 时延扩展大约为 １ｎ 一 ０ ｓ而超宽带脉 冲的宽度小 于 Ｉ ｓ ０ｓ ３ ｎ ， ｎ ， 是严 重频率选择性衰落 信道 信道 。 这意 味着传输过程可 以看成是对发射脉冲的一个滤波器 ， 其特性 随路 径变化 而变化 ， 收到 的信 号可以看成是一系列与发射脉 冲有很大 不 同的失真脉 冲波形 。 在这种情况下 ， 实现最佳的最大似然检测是非常 复杂的。通 常采用 Ｒ ｋ 接收技术 ， 具体实现上有几种路径选取方法 ａｅ 在 可用 ，选择结合所有能被分辨出的 Ｌ 条路径或 信号最 强的 Ｌ 条路径或 是最先到达 的 Ｌ 条路径 。 合并策略也可采用最大比合并或等增益合并 ， 这里采用最 大比合并 的全分离多径接收机（ｒ ｅ Ａａ ） ｋ。 Ｒａｅ 收机 除了可以减小信号衰落和 收集信 号能量 ， 能通 过增 ｋ 接 还 加合并后等效信道功率延迟 的衰减速度 缩短信道时延扩展 ，起到部分
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超宽带信号的研究摘要随着美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带技术发布的初步规定及对其所作的定义，超宽带脉冲无线电技术成了民用和军用研究的热点。
与传统通信技术不同的是，UWB 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。
UWB 脉冲极短，直达波与多径反射、折射波，在时间上不易重叠，因此，其时间分辨率强，适合于多径分量丰富的室内无线信道传输；本文首先介绍了超宽带通信的背景及意义，分析了国内外研究现状和超宽带技术的主要研究方向，然后通过对超宽带信号的研究，引出直接序列扩频超宽带信号，通过推导并分析了DS-UWB 信号的功率谱，指出DS-UWB 信号的功率谱是由发送脉冲信号的频谱和编码频谱共同决定，并且用计算机进行仿真，证实了伪随机码周期越长，频谱越平坦。
关键词：超宽带；直接序列扩频；功率谱密度；通信技术Study of Ultra Wide Band SignalAbstractWith the United States Federal Communications Commission (FCC) on the ultra wide band technology released the preliminary requirements and its definition, ultra wide band impulse radio technology has become a hot spot for civil and military research.Different from traditional communication technology, UWB is a non carrier communication technology, using nanosecond and picosecond non sine wave narrow pulse data transmission, occupied a wide spectral range for in high speed, short distance wireless personal communication .The UWB pulse is very short, direct wave and multipath reflection, refraction,which is not easy to overlap in time.Therefore, its time resolution is strong, and it is suitable for the indoor wireless channel transmission with rich multipath component.This paper firstly introduces the background and significance of ultra wide band communication.The current research status and the main research direction of ultra wide band technology are analyzed. Then through the research of ultra wide band signal and direct sequence spread spectrum ultra wide band signal.By deducing and analyzing the power spectrum of the DS-UWB signal, the power spectrum of the DS-UWB signal is determined by the spectrum of the transmitted pulse signal and the coding spectrum.And using the computer simulation, it is proved that the pseudo random code cycle is longer, the spectrum is flat.Keywords：Ultra wide band;Direct sequence spread spectrum;Power spectral density;Communication technology目录1 绪论 (1)1.1 超宽带信号研究的背景及意义 (1)1.2 超宽带技术的历史及研究现状 (2)1.2.1 历史 (2)1.2.2 国外研究现状 (2)1.2.3 国内研究现状 (3)1.2.4 超宽带技术的主要研究方向 (4)1.3课题研究的主要内容 (5)2 超宽带信号的研究 (6)2.1超宽带信号的定义 (6)2.1.1相对带宽 (6)2.2 UWB的特点和优点 (7)2.3 超宽带技术的主要应用 (8)2.4 超宽带信号的分类 (9)3 直接序列扩频超宽带信号 (10)3.1直接序列扩频的概念 (10)3.2直接序列扩频超宽带信号的性能分析 (11)3.2.1高斯信号的特性 (11)3.2.2 直接序列扩频超宽带信号的时域表达 (14)3.2.3直接序列扩频超宽带信号的功率谱分析 (15)3.3 系统仿真 (17)结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)1 绪论1.1 超宽带信号研究的背景及意义众所周知，随着无线与移动通信的迅猛发展，WLAN和WPAN需求和应用也在不断增长，短距离无线与移动通信别树一帜，无线局域网、蓝牙技术以及超宽带技术等各种热点技术相继出现，均显现巨大的应用潜力。
现在的短距离无线网络一般都是孤立地工作在室内家庭、办公环境或室外相对比较封闭的环境。
尚没有与大型的无线广域基础设施集成，但现状有望超宽带技术的发展和突破。
超宽带（Ultra wideband,UWB）无线电技术又称脉冲无线电技术，它由De Rosa在1942年提交的随机脉冲系统的专利中首次提出[1]。
20世纪60年代对时域电磁学的研究进一步促进了UWB技术的发展。
从其出现到20世纪90年代之前, UWB技术主要采用其最初的脉冲通信形式,并主要应用于军事上的雷达和低截获率、低侦测率的通信系统。
近年来,随着微电子器件的技术和工艺的提高, UWB技术开始应用于民用领域,并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮,被认为是下一代无线通信的革命性技术。
UWB 信号不同于传统窄带信号的特性是其信号的持续时间很短，导致巨大的瞬时带宽和低功率谱密度，由此可以实现通信系统性能的优越性和方案设计的简单性，使UWB 系统相对于传统窄带系统在密集多径环境和高媒体数据速率条件下具有明显的技术优势。
(1)高速大容量通信系统的传输速率和容量直接取决于系统带宽，在这一点上超宽带信号的优势是其它窄带通信系统难于比拟的。
(2)低功率谱密度由于UWB信号本身巨大的带宽及美国联邦通信委员会（FCC）对UWB系统的功率限制，使UWB系统相对于传统窄带系统的功率谱密度非常低，低功率谱密度使信号不易被截获，具有一定保密性，同时使对其它窄带系统的干扰可以很小。
(3)强抗多径能力信号带宽的增加，UWB 时域信号变窄，使得时间分辨率增强，接收多径反射延时信号与直达信号的时间差一般大于脉冲宽度，两信号在时域上是可分离的，因此UWB 信号具有很强的抗多径能力；同时这一特性也使接收端能方便地采用Rake 方式收集多径能量提高接收信号的信噪比。
这两个优点使得超宽带信号非常适合城区以及室内密集多径环境下的高速、移动无线通信。
1.2 超宽带技术的历史及研究现状1.2.1 历史超宽带技术的历史渊源，最早可追溯到1895年马可尼在意大利用感应线圈和顶负荷天线实现了1.5英里(1.609公里)的火花放电式莫尔斯电报试验，该试验系统符合超宽带无线电这个词的含义；1942年，Louis de Rosa提交了两项脉冲技术的专利申请1945年，Conrad H. Hoeppner提出的有关脉冲通信技术的专利申请获得批准；60年代中后期，美国斯伯利电子研究中心的Gerald Ross博士和Henning Harmuth为脉冲通信技术的发展做出了很大的贡献，他们研究了脉冲传输系统的主要部件和脉冲收发信机的设计，主要集中在脉冲的产生和检测技术；1974年，Moray申请了一个能探测地下地貌的雷达系统的发明专利，该系统采用脉冲超宽带技术，这项专利后来被推广应用在商用领域；1978年，Ross GF博士以“时域电磁学及应用”为标题对脉冲超宽带技术作了比较全面的论述，内容涉及了超宽号的产生和处理技术、时域特征分析技术、天线技术以及在雷达上的应用等从80年代开始，时域电磁学的研究成果开始被应用于无线通信，特别是在密径环境下的短程通信。
现代超宽带通信的应用开始于1993年美国南加州大学Scholtz教授提出的超宽带多址通信概念。
90年代初，超宽带技术引到了美国军密切关注，开始斥巨资资助超宽带技术的研究。
主要研究军用电台和无线组目标是建立保密性好的通信、定位一体化的移动网络。
1.2.2 国外研究现状本世纪以来，国外很多研究机构和高校纷纷对超宽带技术展开了全面的研究。
2001年5月，美国南加州大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院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。
美国国防部高级研究计划局委托佐治亚理工学院的移动和便携无线电研究组，展开了超宽带Ad-Hoc（特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，即点对点）网络节点在恶劣环境下的可靠性和稳定性研究[2]。
美国罗格斯大学的WINLAB实验室在其申请到的超宽带项目中，主要研究超宽带系统建模、信道建模、调制和解调算法、信号的定时和同步算法以及物理层和数据链路层收发芯片的设计。
2002~2004年，加州圣地亚哥大学无线通信研究中心开展了对超宽带技术通信和定位的研究，研究超宽带技术如何能更快、更方便、更安全地应用于计算机之间通信。
美国奥斯汀大学超宽带研究与工程中心研究了超宽带系统与全球定位系统的兼容性问题。
美国斯坦福大学还建立了通信试验网，测试超宽带系统对全球定位系统的干扰。
芬兰奥卢大学无线通信研究中心启动了超宽带研究项目，主要研究超宽带系统与GSM、UMTS、GPS等系统的共存性问题，并研制出了自组织无线个域网的通用平台，该通用平台具有精确的室内定位能力。
目前，亚洲国家中国、以色列、日本、韩国和新加坡也开展了超宽带技术的相关研究，正在积极争取制定超宽带无线电技术的国际标准。