称王短距离无线通讯技术——UWB

新客网 XKER.COM 时间:2007-01-10 10:25:26  评论:

  美国FCC规定,民用UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz,要求其发射功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(换算成功率为1mW/MHz)。
  
  2004年以来,UWB(Ultra Wide Band)因为以英特尔和TI为首的多频带OFDM联盟(MBOA)和Freescale(前摩托罗拉半导体部门)在标准上的分歧和争执而成为关注的焦点。英特尔与TI在2003年中旬合并UWB标准后,发展成实力强大的、现有60多家成员的MBOA标准集团,而Freescale在2003年11月正式收购了XtremeSpectrum(XSI,UWB早期开发者之一)之后,也团结了一部分伙伴,虽然力量稍弱,但足以同MBOA集团分庭抗礼。这一串精彩故事的导火索是2002年初,美国专门负责无线电频率管理的联邦通讯委员会(FCC)将UWB这一原来仅限于军事应用的特种技术正式批准为民用,从而拉开了一场各企业集团之间的激烈竞赛。这场竞赛的白热化反映出该技术的美好前景和市场空间,同时也反映出早期的基础研发阶段已经结束,UWB距离实用的日子已经不远了。Freescale公司在回答笔者的问题时说,2004年内即可看到UWB产品推向市场。同时MBOA组织也有人预测,2005年第一季度UWB收发模块将会亮相,最终产品将于2005年第2季度上市。
  
  在无线应用日益盛行的今天,UWB的民用解禁和几乎完美的多种好处击中了业者的兴奋点。过去,蓝牙(短距离)和WiFi(中短距离)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,使它们不具有普遍的适用性,在不断修修补补的历程中一波三折,磕磕绊绊。UWB让人们看到了以单一技术同时满足不同类型的短距离通讯的理想,因此人们对它的狂热就不难理解。
  
  无线技术的另类
  关于UWB的介绍已有很多文章,这里做一个归纳,并澄清几个易混淆的概念。广义的UWB(Ultra WideBand,超宽带)概念指以极窄脉冲方式进行无线发射和接收的特种技术。其特殊之处在于完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段,成为在时域中直接操作的无线技术。它的另一奇妙之处是能够同时获得宽带高速、低成本、低功耗的好处,这在传统无线技术中一直是只能折衷取舍的两难问题。
  
  速度:理论上,一个宽度为0的脉冲具有无限的带宽,因此,脉冲信号要想发射出去并有足够带宽,必须有足够陡峭的上升/下降沿和足够窄的宽度。UWB的脉冲宽度用于军事雷达系统时,最短在皮秒级水平,但在民用上,一般在纳秒级。纳秒为一秒的十亿分之一,这意味着,如果一个脉冲代表一个数位,那么UWB有能力在一秒内传送10亿个数位,即1Gbps的速率。若脉冲宽度降至0.1纳秒,则速率可达10Gbps。目前,厂家演示的实验速度在100Mbps至480Mbps之间,但理论上有达到1Gbps以上的潜力。
  
  距离:虽然我们只讨论UWB在10米以下的短距离应用,但实际上,发射距离过短并不是UWB本身的技术缺陷,而是FCC规定的低功率指标(1mW以下)所限制的,其目的是避免对其它设备的干扰。
  
  功耗:UWB因为不使用载波,仅在发射窄脉冲时消耗少量能量,从而省略了发射连续载波的大量能耗。这一特色还使UWB可通过缩窄脉冲宽度在提高带宽的同时并不增加功耗,这打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽都成正比的定律。针对手持应用,UWB还可通过大幅降低脉冲的占空比使功耗大幅度降低(当然这会降低速度的升级潜力)。一般认为UWB无线链路的功耗可低至普通无线链路的1/100,这样原来一次充电只能使用数天的电池供电设备采用UWB之后可用数个月。
  
  不过,虽然UWB的发射功率被限制在1mW以下,但实际上采用芯片实现后的整体电路能耗目前在300mW左右。英特尔公司称短期内要将这一指标降至100mW以下。
  
  成本:由于UWB不需要对载波信号的调制和解调,所以不需要混频器、过滤器、RF/IF转换器及本地振荡器等复杂元件,同时更容易集成到CMOS电路中。Intel的技术官员曾表示,即使是使用10GHz附近的高频带区域,UWB也可以全部通过CMOS技术来实现。这无疑降低了成本。目前我们还得不到此类芯片未来价格的准确预测,但实现规模应用后一片集成了UWB物理层和USB或1394协议层的芯片至少可以做到10美元以下。
  
  电磁兼容性:由于UWB的宽频脉冲性质,因此人们担心它对其它电子设备可能形成强大干扰。美国曾有航空和移动电话等行业以此为由极力反对UWB的民用化。但理论上,由于UWB脉冲极窄,频带极宽,其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道,因此单位频宽内的功率密度相当低(根据Freescale资料)。加上美国FCC对它的发射功率做了严格限制,其功率密度甚至低于一般的噪声水平,比如低于一部笔记本电脑的辐射。因此UWB对其它设备的影响微乎其微,实际上,标准的制订者们反过来担心的是其它设备对UWB设备以及多部UWB设备同时工作时相互间的干扰,这也是选择标准的重要指标之一。
  
  传输可靠性:与相同速率的其它无线技术相比,UWB可达到极低的信号占空比,从而具有极强的抗多径干扰的能力,因此适合室内等复杂环境下的高速传输。UWB采用数GHz的频段,因此有随距离增加信号强度急剧下降的缺点,尤其在穿越水分子含量高的物质时衰减最大。但在10米以下的短距离应用中,这一缺陷并不是致命的。
  

  UWB大概是惟一声称要达到与有线连接相同性能的无线技术,这应该接近了一定条件下无线连接可以实现的终端目标。类似的能够体现这种终极性的例子是高清晰度电视,它的目标是让电视再现的图像与肉眼直观实物的效果相同,这也是一个终极目标。这种终极性意味着它是真正的、一步至位的技术,将长久地使用下去而无需不断地升级。
  
  统一短距通讯的实力
  我们这里且不讨论UWB未来市场容量的预测数字,仅从技术上探讨一下它将来的应用形式和空间。UWB的应用大致可以从三个角度来观察:与有线连接的关系,与其它无线连接的关系,目标应用与普及范围。
  
  目前,UWB基本上是作为现有USB、1394等有线标准的无线延伸来发展的。比如,MBOA只负责制定物理层和MAC层规格,上面各层仍将使用“WiMedia”、“IEEE1394”和“Wireless USB”等规格。因此,未来UWB将分别以内置和外置的方式将所有新旧设备连接起来。
  
  UWB将来与蓝牙和WiFi等其它无线标准的关系略为复杂。虽然也有人试图将UWB与蓝牙合二为一,但合与不合,蓝牙的命运试乎都是“消失”,它与UWB相比,不仅没有多大优势,而且现有的应用也很少,并且基本上都是蓝牙耳机这类的独立系统,因此被替代的难度不大。而WiFi的目标应用是10米以上的通讯,因此与UWB是基本上互补关系。我们可以大胆地预测,在10米以下的短距离应用中,UWB将一统江山。
  
  在应用领域,TI高级应用工程师潘晓磊先生说,UWB首先瞄准的市场是家庭中的机顶盒、DVD播放机与电视显示设备之间的短距离连接。这方面应用只有UWB能够胜任。他还利用数字说明家庭视频应用对带宽的需求:UWB适用于两类家庭消费电子的应用——一类是房间范围的应用,例如机顶盒和DVD 播放机到数字电视的无线连接,这一类应用需要至少每秒 20-28Mbit的传输速率,如要实现画中画功能则需要每秒 56Mbit的传输速率,另外还需要7-10米的距离实现多个通道的传输;另一类是桌面的应用,例如PDA,手机和数码相机与PC机的同步,在PC机上实现视频编辑等。这一类应用一般只需要支持2-4米的传输距离,但对传输速率的要求非常高,有时候需要高至每秒480Mbit的传输速率。UWB在不同的距离上呈现不同的速率,因此可同时满足两类应用对速率的要求。
  
  标准分化成定局
  美国IEEE协会中负责制订短距离宽带无线标准的802.15.3a工作组自2002年UWB解禁以来就确定了将它用于802.15.3标准的基础。虽然先后有多家美日等厂商提交了标准技术,但最后集中为以英特尔和TI为首的多频带OFDM联盟(MBOA)提出的多频带OFDM技术以及以Freescale(前摩托罗拉半导体部门)为首的集团提出的直接序列码分多址技术(DS-CDMA)。关于两个标准的具体差异涉及许多技术细节,我们试图根据一些公开的资料归纳出可为一般人理解的差异:
  
  MBOA的提议将UWB频带分为最少三个频段,并采利正交频分复用(OFDM)方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。这样做带来四方面的好处:
  1.各频带可单独使用,方便从低速到高速的扩展,并保证升级后的后向兼容性;
  2.因为每一个频带的能量分布都集中到中心区域,彼此会相隔一定的距离,从而提高抗多径干扰的能力;
  3.有效地利用到FCC所规定的整个7.5GHz频宽,不会留下“边缘死角”,从而提高频谱利用率和能量捕获能力。
  4.提高与其它无线设备共同工作和抗外来干扰能力(即电磁兼容性)。目前多数无线技术都和UWB被批准的频带重叠,因此使用动态频率控制技术可回避这段干扰带宽。这一特点还有利于采用同一标准适应多个国家在频段规划上的差异。
  
  这些优势使MBOA技术在相同条件下具有更高的速率和距离,但增加了电路复杂度和成本。不过英特尔的资料称, 虽然这种机制使射频电路的设计复杂化,但实现OFDM调制的FFT/IFFT信号处理模块只需大约50K的逻辑门数,并且整体上更便于集成到深亚微米CMOS工艺中,从而使整体成本不会显著增加。
  
  Freescale阵营的DS-CDMA技术为Xtreme Spectrum公司(XSI)所创建,后者于2003年11月被Freescale所收购。采用这种技术时,多个传输任务共享整个频率范围,使方便多个UWB设备建立连接更为容易。支持者认为这种方式对现有的、许可频带内的用户造成更少的干扰。不过最重要的特点是它的CDMA技术目前在其它领域已有大量应用,因此实现起来更为容易,成本更低,上市时间短。XSI公司于2003年中期就已推出可供测试的UWB芯片产品,相对其它技术先走了一步。
  
  在争夺标准主要贡献者地位的过程,各家公司都施展了浑身解数,其故事足可写成精彩

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