目前,超宽带系统主要应用于低发射功率的短距离无线互联。但是超宽带技术的发展历史证明,严格的功率谱密度限制并不能保证超宽带通信的电磁兼容性能,相对较低的理论信道容量、较高的处理损耗和严重的频率选择性衰落等因素大大限制了超宽带系统的通信距离和通信速率,高速通信系统的高实现复杂度和高功耗也制约了超宽带技术的推广应用,这种短距离应用的局限性使超宽带技术无法获得足够的市场空间,成为制约超宽带技术发展与实际应用的重要因素。为了扩展超宽带技术的应用领域,本文依托国家863计划重点项目“超宽带无线通信系统研发与应用示范”课题“中远距离超宽带跨网连接技术”分课题,国家科技重大专项“载波体制超宽带高速无线通信芯片研发与应用示范”课题“超宽带拓展距离应用示范”分课题,以及新世纪优秀人才支持计划课题,围绕超宽带拓展距离通信技术展开研究。通过对超宽带拓展距离通信的六种系统设计策略和四种网络接入策略的分析,指出了目前超宽带拓展距离通信中所存在的缺乏对链路预算与电磁兼容性能的评价、缺乏适合拓展距离应用的系统设计方案和频谱利用率低等问题,并以此为切入点展开本文的具体研究。本文的主要研究内容如下:1.提出了一些新的超宽带拓展距离通信系统的链路预算与电磁兼容性能评估方法。根据现有的测试结果,较为全面地分析了超宽带拓展距离通信系统的链路预算与干扰半径,并与IEEE 802.11a系统进行了比较。在将超宽带信号和其他通信信号等效为高斯白噪声的条件下,提出了基于干扰温度的超宽带拓展距离通信系统的电磁兼容性能评估方法,得出了在共存条件下超宽带系统的信道容量与具有不同带宽的其他通信系统的信道容量的关系,实现了对电磁兼容性能的量化评价。另外,考虑到超宽带拓展距离通信系统往往具有较高的扩频增益,提出了基于时频分析的超宽带拓展距离通信系统的电磁兼容性能评估方法,指出了具有不同时频特征的超宽带扩频信号在电磁兼容性能方面的差异性。在超宽带扩频信号通过AWGN信道时,推导了高斯白噪声超宽带信号干扰以及四种超宽带扩频信号干扰下具有不同带宽的其他通信系统的误比特率与信干比关系的通用表达式,并通过蒙特卡罗仿真验证了理论推导的正确性,为超宽带拓展距离通信系统的电磁兼容性能评价和扩频方案选择提供了重要参考。2.分析了超宽带拓展距离通信的关键技术和系统实现方案。建立了超宽带通信系统的实现方案模型,并通过对超宽带通信系统中基带调制、抗多径处理、扩频和载波变频这四类技术的研究和应用场景分析,以通信速率、通信距离、实现复杂度和功耗为主要评价标准,得出了目前典型的超宽带通信系统实现方案的应用场景,为超宽带拓展距离通信系统的实现方案选型和优化设计提供了重要依据。同时,对六种适合拓展距离应用的超宽带通信系统设计方案进行了具体分析。3.提出了两种基于Dechirp的超宽带拓展距离通信系统的设计方案。综合考虑拓展距离应用中存在的问题,提出了基于Dechirp和滑动相关的超宽带拓展距离通信系统设计方案。同时,为了节省滑动搜索所需的时间,提升抗多径处理能力,进一步引入了信道化的思想,提出了基于Dechirp和多相滤波的超宽带拓展距离通信系统设计方案。在这两种设计方案中都综合考虑了帧结构设计、信号检测、同步和解调等多方面因素,建立了完整的系统级仿真模型,分析了在使用基于能量检测的OOK解调时系统的误比特率性能,通过蒙特卡罗仿真验证了理论推导的正确性,还进一步评价了该系统在不同传输信道下的性能。目前课题组已经完成了采用这两种方案的超宽带拓展距离通信系统样机的设计与实现,且通过了超过1km传输距离的实际通信测试。4.提出了基于共享载波垂直网络转换(Shared Carrier Vertical Network Transformation,SCVNT)的超宽带拓展距离通信的网络接入算法。通过对动态频谱分配、垂直切换和多模基站研究现状的分析,针对不同的优化目标,提出了基于最小总阻塞率(Minimum Total Blocking Probability,MTBP)的SCVNT算法和基于最小冗余信道差值(Minimum Redundant Channel Difference,MRCD)的SCVNT算法。建立了蜂窝系统模型和用户运动模型,并基于网内的固定信道分配和动态信道分配,分析了在不同的用户移动性、用户数分布、网络转换判决周期和冗余信道差值门限条件下SCVNT算法的性能。理论分析与仿真实验表明,SCVNT算法可有效提高异构无线网络的总体频谱利用率,提高资源分配的公平性,并可实现平滑升级,具有很好的适应性和较高的应用价值,为不同超宽带拓展距离通信系统的共用载波组网提供了一种解决思路。