超寬帶無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超寬帶通信（UWB）是近年來(lái)通信領(lǐng)域興起的一種無(wú)線互連技術(shù)。UWB具有高數(shù)據(jù)率、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，為無(wú)線通信的發(fā)展開(kāi)辟了新的機(jī)遇。同時(shí)，由于其占用極寬的帶寬，與其他通信系統(tǒng)共享頻段，給干擾、兼容等相關(guān)領(lǐng)域的研究也帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

　　一、UWB技術(shù)特點(diǎn)

　　UWB（UltraWideBand）是在較大的帶寬上實(shí)現(xiàn)速率為100Mbps~1Gbps傳輸?shù)募夹g(shù)。根據(jù)香農(nóng)理論，無(wú)線信道的容量是與其占用的信道帶寬成正比的，UWB能實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)率，是由于其占用很大的帶寬。根據(jù)美國(guó)FCC對(duì)UWB技術(shù)的定義，相對(duì)帶寬大于0.2或帶寬超過(guò)500MHz的系統(tǒng)都可看作UWB系統(tǒng)，并分配3.1-10.6GHz頻段作為UWB系統(tǒng)可使用的頻段，在該頻段內(nèi)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便與其他無(wú)線通信系統(tǒng)共存。UWB在10m以內(nèi)的范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，是應(yīng)用于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的一種近距離無(wú)線通信技術(shù)。

　　眾所周知，IEEE802.15.3a從2003年開(kāi)始對(duì)UWB的技術(shù)方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在UWB物理層技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，存在兩種主流的技術(shù)方案：基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的多頻帶OFDM（MB-OFDM）方案、基于CDMA技術(shù)的直接序列CDMA（DS-CDMA）方案。CDMA技術(shù)廣泛應(yīng)用于2G和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，在UWB系統(tǒng)中使用的CDMA技術(shù)與在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用的CDMA技術(shù)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，只是使用了很高的碼片速率，以獲得符合UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的超寬帶寬。OFDM則是應(yīng)用于E3G、B3G的核心技術(shù)，具有頻譜效率高、抗多徑干擾和抗窄帶干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　直接序列擴(kuò)頻超寬帶技術(shù)（DS-UWB）主要是由飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司支持的方案。MB-OFDM方案則是由WiMEDIa聯(lián)盟支持的。兩種標(biāo)準(zhǔn)一直以來(lái)都處于激烈爭(zhēng)論中，評(píng)價(jià)DS-CDMA和MB-OFDM在技術(shù)層面上孰優(yōu)孰劣，對(duì)方案的最終妥協(xié)是無(wú)益的。在IEEE802.15.3a內(nèi)部雖然經(jīng)過(guò)多次投票表決，始終無(wú)法淘汰其中一種標(biāo)準(zhǔn)，取得統(tǒng)一。最終在2006年1月份召開(kāi)的IEEE802會(huì)議上，802.15.3a經(jīng)過(guò)投票，解散了該任務(wù)組，UWB在IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程被終止。

　　UWB的MAC層協(xié)議支持分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和資源管理，不需要中心控制器，即支持Ad-hoc或mesh組網(wǎng)，支持同步和異步業(yè)務(wù)、支持低成本的設(shè)備實(shí)現(xiàn)以及多個(gè)等級(jí)的節(jié)電模式。協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)以piconet為基本單元，其中的主設(shè)備被稱為piconet協(xié)調(diào)者（PNC）。PNC負(fù)責(zé)提供同步時(shí)鐘、QoS控制、省電模式和接入控制。作為一個(gè)AdHoc網(wǎng)絡(luò)，piconet只有在需要通信時(shí)才存在，通信結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)也隨之消失。網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備為從設(shè)備。WPAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換在WPAN設(shè)備之間直接進(jìn)行，但網(wǎng)絡(luò)的控制信息由PNC發(fā)出。

　　二、WiMEDIA

　　像大家熟知的Wi-Fi、WiMAX聯(lián)盟一樣，WiMedia聯(lián)盟的重要使命就是建立WPAN認(rèn)證流程和規(guī)范，進(jìn)行認(rèn)證以確保設(shè)備的互操作性，推動(dòng)UWB技術(shù)在全球范圍的應(yīng)用。WiMedia聯(lián)盟由英特爾、TI、松下、三星、諾基亞、富士通等著名公司和許多消費(fèi)電子公司所組成，自成立三年多以來(lái)，已經(jīng)擁有非常廣泛的成員。
　　
　　WiMedia聯(lián)盟定義的UWB協(xié)議分層如圖1所示。前面已經(jīng)提到物理層存在MB-OFDM和DS-UWB兩個(gè)分支，WiMedia目前主要采用MB-OFDM方式。為了支持多種應(yīng)用，如無(wú)線UWB、無(wú)線IEEE 1394等，WiMedia聯(lián)盟在物理層和MAC層之上定義了協(xié)議適配層（PAL）。


圖1 UWB協(xié)議分層示意圖

　　WiMedia聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了物理層認(rèn)證規(guī)范和兼容性測(cè)試平臺(tái)，并且開(kāi)展了多次物理層兼容性測(cè)試，主要UWB芯片和設(shè)備商均參加了兼容性測(cè)試。隨著產(chǎn)品的逐步成熟，WiMedia聯(lián)盟將正式開(kāi)展UWB的設(shè)備認(rèn)證工作。

　　三、UWB技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

　　UWB技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：家庭、辦公室、個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品。在“數(shù)字化家庭”或“數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)”的概念日益廣泛普及的今天，關(guān)注這一概念的消費(fèi)電子廠商試圖用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將消費(fèi)者家居中的電器連接起來(lái)，使各種大帶寬的Video信息可以在這些電器之間傳遞和交換，如圖2所示。


圖2 Video 信息傳遞和交換示意圖

　　在數(shù)字化辦公室的應(yīng)用表現(xiàn)為用無(wú)線方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線連接，使辦公環(huán)境更加方便靈活。早期的藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)使某些設(shè)備的無(wú)線互聯(lián)成為可能。但由于傳輸速率過(guò)低（1Mbps以下），只能用于某些計(jì)算機(jī)外設(shè)（如鼠標(biāo)、鍵盤、耳機(jī)等）與主機(jī)的連接。而UWB技術(shù)的高傳輸帶寬可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和顯示屏、攝像頭、會(huì)議設(shè)備、終端設(shè)備與投影儀之間的無(wú)線互連。同樣，UWB技術(shù)在個(gè)人便攜設(shè)備上也將會(huì)有規(guī)模應(yīng)用。由于UWB技術(shù)已經(jīng)可以提供相當(dāng)于計(jì)算機(jī)總線的傳輸速率，這樣個(gè)人終端就可以從互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)上即時(shí)下載大量的數(shù)據(jù)，從而將大部分?jǐn)?shù)據(jù)存放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的存儲(chǔ)空間中，而不是保存在個(gè)人終端中。攜帶具有UWB功能的小巧終端，在任何地點(diǎn)都可以接入當(dāng)?shù)氐腢WB網(wǎng)絡(luò)，利用當(dāng)?shù)氐脑O(shè)備（如大屏幕電視、電腦、攝像頭、打印機(jī)等）隨時(shí)構(gòu)成一臺(tái)屬于自己的多媒體計(jì)算機(jī)。

　　從上面的分析可以看出，取代現(xiàn)有USB接口和1394接口的線纜連接，即無(wú)線UWB和無(wú)線1394將成為UWB技術(shù)最有前途的應(yīng)用。無(wú)線USB聯(lián)盟已經(jīng)宣布物理層使用MB-OFDM方案，這對(duì)于UWB的應(yīng)用將是較好的推動(dòng)。

　　2006年，已經(jīng)有多家公司可以提供UWB芯片，例如Alereon、Artimi、Staccato、Wisair、Intel、英飛凌等均有各自的UWB芯片解決方案，包括基帶芯片、MAC芯片、RF收發(fā)芯片、或集成基帶、MAC和RF的芯片。同時(shí)，很多芯片公司均宣布在2007年將推出符合WiMedia認(rèn)證的UWB芯片，并將拓展UWB應(yīng)用在消費(fèi)電子類產(chǎn)品中。在筆記本芯片市場(chǎng)占有絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位的Intel公司，致力于將UWB的主要應(yīng)用無(wú)線USB 2.0作為筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置接口。

　　四、UWB技術(shù)發(fā)展中的問(wèn)題

　　超寬帶通信應(yīng)用中存在的一個(gè)重要問(wèn)題是與其他通信系統(tǒng)的共存和兼容問(wèn)題。由于超寬帶系統(tǒng)使用很寬的頻帶，所以和很多其他的無(wú)線通信系統(tǒng)頻段重疊。雖然從理論上說(shuō)超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度很低，應(yīng)能和其他系統(tǒng)“安靜的共存”，但實(shí)際應(yīng)用中超寬帶系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)的兼容性需要用實(shí)驗(yàn)證明。特別是超寬帶系統(tǒng)的工作機(jī)理和特性還有很多不清楚的方面，比如超寬帶系統(tǒng)的帶外干擾問(wèn)題，即超寬帶設(shè)備也有可能對(duì)在其工作頻段之外的無(wú)線系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，這部分干擾還很難用理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確估計(jì)。因此雖然FCC將UWB工作頻段定為3.1GHz以上，但超寬帶設(shè)備對(duì)3.1GHz以下頻段系統(tǒng)（如2G/3G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、PHS、無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)）的干擾也需要考慮。

　　FCC規(guī)定UWB設(shè)備主要的工作頻段將位于3.1GHz和10.6GHz之間，這個(gè)頻段內(nèi)，其發(fā)射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。而在此頻段以外，實(shí)行更嚴(yán)格的功率控制標(biāo)準(zhǔn)。除了要考慮對(duì)已有通信系統(tǒng)的干擾外，還要考慮對(duì)已有非通信業(yè)務(wù)有可能產(chǎn)生的干擾。除FCC之外，日本在2006年也提出了自己的UWB頻率范圍和發(fā)射功率控制標(biāo)準(zhǔn)。

　　ITU-R SG1（頻譜規(guī)劃研究組）下曾經(jīng)設(shè)立了1/8任務(wù)組（Task Group 1/8），研究范圍為“UWB設(shè)備和無(wú)線通信業(yè)務(wù)之間的兼容性”。在該任務(wù)組研究期內(nèi)，提出了全球UWB頻譜分配和監(jiān)管的若干原則。

　　在UWB概念最早提出之日，WLAN的物理層理論速率最高為54Mb/s，有效速率最高約為20Mb/s，很難滿足視頻信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆５?，隨著物理層可以支持100Mb/s以上802.11n標(biāo)準(zhǔn)的逐步推進(jìn)，2006年，很多公司紛紛推出了支持100M以上物理層速率的pre-802.11n WLAN設(shè)備。相比UWB，WLAN存在幾個(gè)明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。WLAN工作在免許可頻段，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，且WLAN產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，隨著802.11n在未來(lái)幾年的大規(guī)模應(yīng)用，設(shè)備成本也將會(huì)下降到現(xiàn)有802.11g產(chǎn)品的水平。因此，在未來(lái)支持高速視頻流傳輸上，如家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的無(wú)線互連，WLAN和UWB存在一定程度的應(yīng)用和定位重疊。當(dāng)然WLAN技術(shù)是為支持PC之間的無(wú)線連接開(kāi)發(fā)的，因此在消費(fèi)電子領(lǐng)域環(huán)境下的應(yīng)用存在耗電和帶寬的局限性。

　　盡管目前UWB的發(fā)展中存在著頻率管制、標(biāo)準(zhǔn)化等難題，也還必須面對(duì)其他無(wú)線技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，但是可以預(yù)見(jiàn)，隨著無(wú)線多媒體應(yīng)用越來(lái)越普及，UWB將在消費(fèi)電子領(lǐng)域、通信領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。物理層方案雖然沒(méi)有融合的跡象，但是雙方都沒(méi)有放棄產(chǎn)業(yè)化的腳步，誰(shuí)最終占領(lǐng)市場(chǎng)，誰(shuí)將成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。