稱王短距離無線通訊技術(shù)——UWB

2019-11-03 09:02:33

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供稿：網(wǎng)友

徐永
　　美國FCC規(guī)定，民用UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz，要求其發(fā)射功率低于美國放射噪音規(guī)定值－41.3dBm/MHz(換算成功率為1mW/MHz)。

　　2004年以來，UWB(Ultra Wide Band)因為以英特爾和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)和Freescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門)在標準上的分歧和爭執(zhí)而成為關(guān)注的焦點。英特爾與TI在2003年中旬合并UWB標準后，發(fā)展成實力強大的、現(xiàn)有60多家成員的MBOA標準集團，而Freescale在2003年11月正式收購了XtremeSpectrum(XSI，UWB早期開發(fā)者之一)之后，也團結(jié)了一部分伙伴，雖然力量稍弱，但足以同MBOA集團分庭抗禮。這一串精彩故事的導(dǎo)火索是2002年初，美國專門負責(zé)無線電頻率管理的聯(lián)邦通訊委員會(FCC)將UWB這一原來僅限于軍事應(yīng)用的特種技術(shù)正式批準為民用，從而拉開了一場各企業(yè)集團之間的激烈競賽。這場競賽的白熱化反映出該技術(shù)的美好前景和市場空間，同時也反映出早期的基礎(chǔ)研發(fā)階段已經(jīng)結(jié)束，UWB距離實用的日子已經(jīng)不遠了。Freescale公司在回答筆者的問題時說，2004年內(nèi)即可看到UWB產(chǎn)品推向市場。同時MBOA組織也有人預(yù)測，2005年第一季度UWB收發(fā)模塊將會亮相，最終產(chǎn)品將于2005年第2季度上市。

　　在無線應(yīng)用日益盛行的今天，UWB的民用解禁和幾乎完美的多種好處擊中了業(yè)者的興奮點。過去，藍牙(短距離)和WiFi(中短距離)由于在速度、功耗和成本方面都有“高不成、低不就”的不完美性，使它們不具有普遍的適用性，在不斷修修補補的歷程中一波三折，磕磕絆絆。UWB讓人們看到了以單一技術(shù)同時滿足不同類型的短距離通訊的理想，因此人們對它的狂熱就不難理解。

　　無線技術(shù)的另類

　　關(guān)于UWB的介紹已有很多文章，這里做一個歸納，并澄清幾個易混淆的概念。廣義的UWB(Ultra WideBand，超寬帶)概念指以極窄脈沖方式進行無線發(fā)射和接收的特種技術(shù)。其特殊之處在于完全擺脫了一般無線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)手段，成為在時域中直接操作的無線技術(shù)。它的另一奇妙之處是能夠同時獲得寬帶高速、低成本、低功耗的好處，這在傳統(tǒng)無線技術(shù)中一直是只能折衷取舍的兩難問題。

　　速度：理論上，一個寬度為0的脈沖具有無限的帶寬，因此，脈沖信號要想發(fā)射出去并有足夠帶寬，必須有足夠陡峭的上升/下降沿和足夠窄的寬度。UWB的脈沖寬度用于軍事雷達系統(tǒng)時，最短在皮秒級水平，但在民用上，一般在納秒級。納秒為一秒的十億分之一，這意味著，如果一個脈沖代表一個數(shù)位，那么UWB有能力在一秒內(nèi)傳送10億個數(shù)位，即1Gbps的速率。若脈沖寬度降至0.1納秒，則速率可達10Gbps。目前，廠家演示的實驗速度在100Mbps至480Mbps之間，但理論上有達到1Gbps以上的潛力。

　　距離：雖然我們只討論UWB在10米以下的短距離應(yīng)用，但實際上，發(fā)射距離過短并不是UWB本身的技術(shù)缺陷，而是FCC規(guī)定的低功率指標(1mW以下)所限制的，其目的是避免對其它設(shè)備的干擾。

　　功耗：UWB因為不使用載波，僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量，從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量能耗。這一特色還使UWB可通過縮窄脈沖寬度在提高帶寬的同時并不增加功耗，這打破了過去任何一項傳輸技術(shù)的功耗和帶寬都成正比的定律。針對手持應(yīng)用，UWB還可通過大幅降低脈沖的占空比使功耗大幅度降低(當(dāng)然這會降低速度的升級潛力)。一般認為UWB無線鏈路的功耗可低至普通無線鏈路的1/100，這樣原來一次充電只能使用數(shù)天的電池供電設(shè)備采用UWB之后可用數(shù)個月。

　　不過，雖然UWB的發(fā)射功率被限制在1mW以下，但實際上采用芯片實現(xiàn)后的整體電路能耗目前在300mW左右。英特爾公司稱短期內(nèi)要將這一指標降至100mW以下。

　　成本：由于UWB不需要對載波信號的調(diào)制和解調(diào)，所以不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，同時更容易集成到CMOS電路中。Intel的技術(shù)官員曾表示，即使是使用10GHz附近的高頻帶區(qū)域，UWB也可以全部通過CMOS技術(shù)來實現(xiàn)。這無疑降低了成本。目前我們還得不到此類芯片未來價格的準確預(yù)測，但實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用后一片集成了UWB物理層和USB或1394協(xié)議層的芯片至少可以做到10美元以下。

　　電磁兼容性：由于UWB的寬頻脈沖性質(zhì)，因此人們擔(dān)心它對其它電子設(shè)備可能形成強大干擾。美國曾有航空和移動電話等行業(yè)以此為由極力反對UWB的民用化。但理論上，由于UWB脈沖極窄，頻帶極寬，其帶寬相當(dāng)于1000個電視頻道或3萬個FM廣播頻道，因此單位頻寬內(nèi)的功率密度相當(dāng)?shù)?根據(jù)Freescale資料)。加上美國FCC對它的發(fā)射功率做了嚴格限制，其功率密度甚至低于一般的噪聲水平，比如低于一部筆記本電腦的輻射。因此UWB對其它設(shè)備的影響微乎其微，實際上，標準的制訂者們反過來擔(dān)心的是其它設(shè)備對UWB設(shè)備以及多部UWB設(shè)備同時工作時相互間的干擾，這也是選擇標準的重要指標之一。

　　傳輸可靠性：與相同速率的其它無線技術(shù)相比，UWB可達到極低的信號占空比，從而具有極強的抗多徑干擾的能力，因此適合室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下的高速傳輸。UWB采用數(shù)GHz的頻段，因此有隨距離增加信號強度急劇下降的缺點，尤其在穿越水分子含量高的物質(zhì)時衰減最大。但在10米以下的短距離應(yīng)用中，這一缺陷并不是致命的。

　　UWB大概是惟一聲稱要達到與有線連接相同性能的無線技術(shù)，這應(yīng)該接近了一定條件下無線連接可以實現(xiàn)的終端目標。類似的能夠體現(xiàn)這種終極性的例子是高清晰度電視，它的目標是讓電視再現(xiàn)的圖像與肉眼直觀實物的效果相同，這也是一個終極目標。這種終極性意味著它是真正的、一步至位的技術(shù)，將長久地使用下去而無需不斷地升級。

　　統(tǒng)一短距通訊的實力

　　我們這里且不討論UWB未來市場容量的預(yù)測數(shù)字，僅從技術(shù)上探討一下它將來的應(yīng)用形式和空間。UWB的應(yīng)用大致可以從三個角度來觀察：與有線連接的關(guān)系，與其它無線連接的關(guān)系，目標應(yīng)用與普及范圍。

　　目前，UWB基本上是作為現(xiàn)有USB、1394等有線標準的無線延伸來發(fā)展的。比如，MBOA只負責(zé)制定物理層和MAC層規(guī)格，上面各層仍將使用“WiMedia”、“IEEE1394”和“Wireless USB”等規(guī)格。因此，未來UWB將分別以內(nèi)置和外置的方式將所有新舊設(shè)備連接起來。

　　UWB將來與藍牙和WiFi等其它無線標準的關(guān)系略為復(fù)雜。雖然也有人試圖將UWB與藍牙合二為一，但合與不合，藍牙的命運試乎都是“消失”，它與UWB相比，不僅沒有多大優(yōu)勢，而且現(xiàn)有的應(yīng)用也很少，并且基本上都是藍牙耳機這類的獨立系統(tǒng)，因此被替代的難度不大。而WiFi的目標應(yīng)用是10米以上的通訊，因此與UWB是基本上互補關(guān)系。我們可以大膽地預(yù)測，在10米以下的短距離應(yīng)用中，UWB將一統(tǒng)江山。

　　在應(yīng)用領(lǐng)域，TI高級應(yīng)用工程師潘曉磊先生說，UWB首先瞄準的市場是家庭中的機頂盒、DVD播放機與電視顯示設(shè)備之間的短距離連接。這方面應(yīng)用只有UWB能夠勝任。他還利用數(shù)字說明家庭視頻應(yīng)用對帶寬的需求：UWB適用于兩類家庭消費電子的應(yīng)用——一類是房間范圍的應(yīng)用，例如機頂盒和DVD 播放機到數(shù)字電視的無線連接，這一類應(yīng)用需要至少每秒 20-28Mbit的傳輸速率，如要實現(xiàn)畫中畫功能則需要每秒 56Mbit的傳輸速率，另外還需要7-10米的距離實現(xiàn)多個通道的傳輸；另一類是桌面的應(yīng)用，例如PDA，手機和數(shù)碼相機與PC機的同步，在PC機上實現(xiàn)視頻編輯等。這一類應(yīng)用一般只需要支持2-4米的傳輸距離，但對傳輸速率的要求非常高，有時候需要高至每秒480Mbit的傳輸速率。UWB在不同的距離上呈現(xiàn)不同的速率，因此可同時滿足兩類應(yīng)用對速率的要求。

　　標準分化成定局

　　美國IEEE協(xié)會中負責(zé)制訂短距離寬帶無線標準的802.15.3a工作組自2002年UWB解禁以來就確定了將它用于802.15.3標準的基礎(chǔ)。雖然先后有多家美日等廠商提交了標準技術(shù)，但最后集中為以英特爾和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)提出的多頻帶OFDM技術(shù)以及以Freescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門)為首的集團提出的直接序列碼分多址技術(shù)(DS-CDMA)。關(guān)于兩個標準的具體差異涉及許多技術(shù)細節(jié)，我們試圖根據(jù)一些公開的資料歸納出可為一般人理解的差異：

　　MBOA的提議將UWB頻帶分為最少三個頻段，并采利正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個頻段進一步分為大量的窄通道。這樣做帶來四方面的好處：

　　1．各頻帶可單獨使用，方便從低速到高速的擴展，并保證升級后的后向兼容性；

　　2．因為每一個頻帶的能量分布都集中到中心區(qū)域，彼此會相隔一定的距離，從而提高抗多徑干擾的能力；

　　3．有效地利用到FCC所規(guī)定的整個7.5GHz頻寬，不會留下“邊緣死角”，從而提高頻譜利用率和能量捕獲能力。

　　4．提高與其它無線設(shè)備共同工作和抗外來干擾能力(即電磁兼容性)。目前多數(shù)無線技術(shù)都和UWB被批準的頻帶重疊，因此使用動態(tài)頻率控制技術(shù)可回避這段干擾帶寬。這一特點還有利于采用同一標準適應(yīng)多個國家在頻段規(guī)劃上的差異。

　　這些優(yōu)勢使MBOA技術(shù)在相同條件下具有更高的速率和距離，但增加了電路復(fù)雜度和成本。不過英特爾的資料稱，雖然這種機制使射頻電路的設(shè)計復(fù)雜化，但實現(xiàn)OFDM調(diào)制的FFT/IFFT信號處理模塊只需大約50K的邏輯門數(shù)，并且整體上更便于集成到深亞微米CMOS工藝中，從而使整體成本不會顯著增加。

　　Freescale陣營的DS-CDMA技術(shù)為Xtreme Spectrum公司(XSI)所創(chuàng)建，后者于2003年11月被Freescale所收購。采用這種技術(shù)時，多個傳輸任務(wù)共享整個頻率范圍，使方便多個UWB設(shè)備建立連接更為容易。支持者認為這種方式對現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶造成更少的干擾。不過最重要的特點是它的CDMA技術(shù)目前在其它領(lǐng)域已有大量應(yīng)用，因此實現(xiàn)起來更為容易，成本更低，上市時間短。XSI公司于2003年中期就已推出可供測試的UWB芯片產(chǎn)品，相對其它技術(shù)先走了一步。

　　在爭奪標準主要貢獻者地位的過程，各家公司都施展了渾身解數(shù)，其故事足可寫成精彩的案例范本。比如，2003年7月，英特爾與TI宣布合并兩家的標準，使Broadcom等公司立即退出競爭，有的則轉(zhuǎn)而加入其它團體。英特爾、飛利浦半導(dǎo)體和TI等公司又在今年內(nèi)組成UWB特別興趣小組，意圖先行制訂和推廣一個小集團標準，從而使該集團的技術(shù)成為事實標準。2004年4月，致力于建立無線個人局域網(wǎng)(PAN)標準的WiMedia聯(lián)盟宣布承認MBOA版的超寬帶技術(shù)及其頻率標準(該聯(lián)盟的11個董事中有9個同時也是MBOA標準組的成員)。同時，英特爾又推動它所領(lǐng)導(dǎo)的無線USB推進者小組(USB PRomoter Group)將其定義的無線USB規(guī)范與WiMedia和UWB合二為一。而Freescale除了收購XSI公司之外，還利用一切機會演示他們在芯片實現(xiàn)上已取得的成果，近來又要修改他們的提案，大幅提高了近距離傳輸速率，使之達到與MOBA相同的480Mbps水平，以回應(yīng)對手對“DS-CDMA技術(shù)速率不夠快”的詬病。

　　根據(jù)IEEE的規(guī)定，一項提案要成為標準需得到全體成員75%以上的票數(shù)。雖然MBOA集團陣容強大，但兩邊的得票率始終在60%:40%左右徘徊。一些報道顯示，爭議的雙方似乎都有些誠意與對方談判達成一個折衷的或綜合的標準，但由于兩種技術(shù)的差異太大，合二為一的可能性極小。

　　在二虎相爭的時候還出現(xiàn)了和事佬。日本通信綜合研究所(CRL)在2004年3月宣布試制成功UWB收發(fā)LSI(細節(jié)不詳，但測試仍然是在有線傳輸?shù)臈l件下完成的)。CRL稱，上述兩種標準他們都支持。為此CRL開發(fā)了使用多個物理層的中間件技術(shù)“SSA(software spectrum adaptation)”，可以實現(xiàn)所謂的“雙PHY、單MAC”結(jié)構(gòu)。無獨有偶，美國的射頻芯片制造商PulseLink公司在4月又宣布，他們發(fā)明了一種公共信令協(xié)議(CSP)，可使基于不同技術(shù)的UWB系統(tǒng)和平共處。對此人們褒貶不一，有人說這樣可在標準不統(tǒng)一的情況下繼續(xù)往前走，也有人說不具備互操作性的共存沒有意義，并且增加了多種物理層同時存在的可能性。看來這些彌補性的做法并不能從根本上解決多種標準共存時給制造商和用戶帶來的麻煩和成本增加。

　　目前人們對標準統(tǒng)一似乎已經(jīng)喪失了信心。TI的UWB業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Steve Turner和中國高級應(yīng)用工程師潘曉磊在一篇文章中肯定了兩大標準將長久共存的現(xiàn)實。同時，ABI Research市場研究公司也稱，已經(jīng)不可能在超寬帶(UWB)標準上達成一致。

　　何時劃上休止符？

　　在標準不統(tǒng)一的情況下，將給UWB市場帶來怎樣的影響呢？兩個陣營勢必接著在爭取整機廠商的支持方面展開另一場決戰(zhàn)。此時，哪個標準的UWB設(shè)備首先在市場中呈現(xiàn)絕對多數(shù)的數(shù)量，哪個標準就會首先成為事實標準。如果這一戰(zhàn)役仍然不能決出勝負，市場則將被分隔：按筆者的猜想，市場初期消費者對UWB的兼容性并不敏感，因為此時市面上或用戶手中尚無UWB設(shè)備。首先使用UWB的用戶只是將之用于內(nèi)部自有設(shè)備的連接，目的是替代設(shè)備間混亂的電纜。同時，市面上不論是內(nèi)置了UWB的整機產(chǎn)品還是外置式的UWB無線收發(fā)器(可插于現(xiàn)有的USB或1394接口)都會同時提供分別符合兩種標準的型號，這對用戶來說暫時不會帶來太大的麻煩，相反麻煩的是設(shè)備制造商。但參與了某一陣營的整機廠商可能會根據(jù)承諾不會生產(chǎn)另一標準的產(chǎn)品，這多少會限制用戶選擇的自由。

　　但是，當(dāng)市面上或用戶手中UWB設(shè)備的數(shù)量增加到一定程度后，兩類設(shè)備間的不兼容勢必成為用戶非常頭痛的問題。此時市面上會出現(xiàn)同時符合兩種標準的“雙料”產(chǎn)品或一種適配器的裝置，來解決不兼容的問題，但用戶要為此付出更大的代價，而且操作起來仍然相當(dāng)麻煩。此時如果市面上兩類設(shè)備的力量對比出現(xiàn)變化，吃盡苦頭的用戶將毫不猶豫地向占上風(fēng)的一邊傾倒，這段時間也許會持續(xù)數(shù)年的時間，但結(jié)局已定。可以與此相比的是目前閃存卡市場的現(xiàn)狀：索尼公司憑借自身的實力，仍然堅持獨有的記憶棒標準。一位閃存業(yè)的朋友說，閃存的接口標準未來數(shù)年可能會統(tǒng)一。此話映證了筆者自己的感覺。我是索尼產(chǎn)品的愛好者，但記憶棒留給我的是被“關(guān)在牢中”的不愉快記憶，因此我總是在尋找機會沖破這個“牢籠”，再不回首。那么最終用戶面對分裂的UWB市場會不會更明智一些呢？如果這樣，UWB在市場上的決戰(zhàn)可能很快就會決出勝負。

摘自賽迪網(wǎng)

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