無線“第三者”—UWB

2019-11-03 09:03:43

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供稿：網友

陳斌

　　與有線網中以太網“一統天下”不同，無線網在WLAN和WPAN領域還處于“分崩離析”的狀態：不但藍牙多年來“只聽樓梯響”，就是Wi-Fi也飽受標準不統一、速度偏慢和安全等問題的困擾。而USB、IEEE 1394向無線邁進的步伐已經不可阻擋。這種混雜的局面可能會因為一種新技術的出現而徹底改變，而“攪局”的主角就是——

　　“老兵”新姿

　　UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）是一種以極低功率在短距離內高速傳輸數據的無線技術，還能夠穿透墻壁等障礙物。這種原來專屬軍方使用的技術隨著2002年2月美國聯邦通信委員會(FCC)正式將其解禁而備受世人的關注。

　　事實上，UWB技術不僅可以用于無線數據通信，還已經在雷達、跟蹤定位等領域有了廣泛的應用。軍方很早就使用UWB技術實現無線電定位系統，用于位置和距離的精確測量，如汽車碰撞定位檢測器；同時，由于UWB技術使用很寬的頻帶，并且能夠穿透墻壁等障礙物，UWB技術也能做一些雷達應用，獲得埋在地下或障礙物后面的物體圖像，如警察解救人質時所需的穿墻成像系統等。

　　FCC規定，民用UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz，最小工作頻寬為500MHz，但要求其發射功率低于美國放射噪音規定值－41.3dBm/MHz（換算成功率為1mW/MHz）。UWB的典型傳輸速度是在幾米的范圍內達到幾百Mbps，這已經遠遠超出了目前WLAN技術所能達到的幾十Mbps。

　　UWB技術最早起源于軍隊，采用了擴頻跳頻工作方式，這種工作方式抗信號干擾的能力較強，通信安全性也很好。與藍牙或802.11采用的窄帶技術僅使用某個頻帶的一小部分進行信息發送不同，UWB使用其全部頻帶范圍發送脈沖信息，而接收器從整個信號帶寬內收集傳輸能量（信號）再重構UWB脈沖。

　　目前大多數商用的無線通信方式使用的通信載波是連續的電波，再通過某種調制方式將數據信號加載在其上。而UWB信號以非常短、非常快的脈沖形式發送（多徑發送），這些脈沖經過精確計時，每個只有幾個到幾十個皮（毫微）秒長。所以這種技術能以較小的功耗進行數據傳輸。由于UWB技術的工作頻寬較寬，信號發送又分布在整個信號頻寬內，信號速度和容量都較高，比較適合大量數據的傳輸，尤其是數字多媒體信號的傳送。

　　同時，UWB可以與其他的無線技術較好地協同工作，不容易互相干擾，因為分散傳輸的UWB信號強度較弱，對其他無線信號看起來就好像噪音一樣。

　　那么，對于這么弱的信號，UWB接收器又如何分辨呢？對UWB接收設備來說，真正的噪音是連續頻率范圍內的信號，而UWB發出的脈沖是“有形的噪音”，是時間的某種特定函數。脈沖的發送時間根據一種復雜的編碼而改變，只要能夠精確“定時”，就可以比較容易地從“噪音”中分離出正常的信號。

　　UWB技術可以根據傳輸的距離和所傳輸數據量的大小調整信號頻寬和發射功率，其功耗量級為微瓦級。不過，UWB芯片組的功耗要高一些，其典型功耗大約是毫瓦量級。

　　標準之爭

　　鑒于UWB有上述的諸多特點，尤其適合近距離內高速傳送大量多媒體數據以及可以穿透障礙物的突出優點，很多商業公司將其看做一種很有前途的無線通信技術，應用于諸如將視頻信號從機頂盒無線傳送到數字電視等家庭場合。

　　盡管UWB看來前景美好，但似乎注定要“好事多磨”。巨大的商機意味著巨大的利益分歧，也增大了UWB走入實用的不確定性。

　　目前，圍繞著UWB國際標準形成了兩個針鋒相對的集團。一方是由TI、Intel等公司組成的MBOA（多頻帶OFDM）聯盟，另一方是由Motorola、XtremeSpectrum（目前后者已被Motorola收購）等公司所組成的CDMA（DS-SS方式）團體。兩者的分歧體現在UWB技術的實現方式上，前者采用多頻帶方式，后者則為單頻帶方式。雙方都向IEEE提交了各自的技術方案，不過到目前為止的多次面向IEEE UWB工作小組成員的投票中，哪種技術也沒有獲得成為IEEE 802.15.3a正式標準所需的75%的多數票。

　　由于這兩個利益集團的存在，目前IEEE 802.15.3a標準制定已基本陷于停頓。而兩個集團的領頭者TI、Intel和Motorola都表示要獨自推動UWB標準的發展。

　　MBOA聯盟計劃在2004年3月底成立特別工作小組(SIG)，并于5月發布UWB 1.0標準，同時向IEEE 802.15.3a工作組提交建議書，并計劃于2005年第二季度推出基于該技術的產品。

　　CDMA一方也不甘示弱。在2004年的CES大展上，韓國三星公司展示了采用XtremeSpectrum UWB芯片組的無線電視廣播系統。Motorola還計劃2004年第一季度就開始生產UWB芯片組，并打算在年底前將其應用于消費電子設備中。

　　無心插柳

　　正是UWB具有的低功耗、高頻寬和高速傳輸的特性，使它可能成為目前多種有線連接技術實現無線傳輸的理想平臺，如無線USB、1394、下一代藍牙等。

　　不過，嚴格來講UWB只是一種短距高速無線通信方式，沒有完整的通信協議，因此UWB對“傳統”通信領地的入侵僅僅是作為一種物理層的通信方式，而應用協議還保持與當前兼容。

　　在2004年春季IDF上，Intel對外發布了針對UWB技術開發全面標準通用平臺的計劃，并介紹了進展情況:平臺包括兩個核心“層”——UWB射頻層（包括物理層和MAC層）和匯聚層，作為在單一射頻上運行不同應用的基本傳輸機制。其工作原理如附圖所示。

　　一個由30余家國際大公司組成的致力于促進在WPAN內提高無線多媒體連接和互操作性的組織WiMedia目前正在為UWB平臺開發通用抽象層，其目標是支持多個應用（無線USB、1394或藍牙）在一個通用射頻層上運行。其中軟件層就建立在UWB射頻層之上。

　　而無線USB、1394、藍牙等標準化組織也顯示出了對UWB的濃厚興趣。無線USB促進組在IDF上宣布，將采用WiMedia通用抽象層和MBOA規范作為實施UWB的基礎。前者用于支持UWB無線平臺，后者支持UWB射頻的物理層和MAC層。

　　“第三者”的方向

　　從幾種無線技術的主要規格對比來看（參見附表），與其他無線技術具有的一定“相容”性和高速、低成本、低功耗的優點使得UWB較適合家庭無線消費市場的需求——WLAN按照分組共享接入方式設計，不太適合實時視頻數據傳輸，而且成本和功耗也要高于UWB，而藍牙雖然功耗和價格較低，但通信速率過低。而到目前為止，家庭無線通信還有很大的市場空白，這都給UWB提供了大顯身手的舞臺。

　　從短期來看（3～5年以內），UWB技術可以看做是藍牙和802.11技術的一個有益補充，尤其與藍牙的競爭意味兒更強。但從長遠來看，UWB將對802.11造成更大的壓力。

　　由于UWB不調制和解調復雜的載波信號，所以不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉換器、本地振蕩器等復雜的元件，因而能量消耗很小，也更容易集成進CMOS里。Intel的技術官員就曾經公開表示，即使是使用10GHz附近的高頻帶區域，UWB也可以全部通過CMOS技術來實現。UWB的第一個原型標準的速度將肯定超過下一代802.11標準的速度，預計未來3～5年內，其傳輸速率將突破1Gbps，連接距離也會更長。更重要的是，UWB是基于物理層的技術，如果有必要，802.11和藍牙的MAC層完全可以建立在UWB的物理層基礎上，通過UWB技術傳輸。

　　當然，UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術發展、成本、用戶使用習慣和市場成熟度等多方面的因素，而目前UWB標準化推進所遇到的問題也將影響到其被業界接受的程度。另外，由于目前設定的UWB發射功率較低，基本限定了其傳輸距離在10m以內。不過，站在用戶的角度來看問題，如果一個系統中多種無線技術并存的話，無論是在成本還是使用的方便程度上都將受到影響。

　　這樣看來，用戶擁有最大的發言權。

　　
摘自《計算機世界報》

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