DS-UWB與WLAN的技術(shù)比較

2005年4月A版

簡介
隨著無線技術(shù)的日益普及，人們對消費類電子產(chǎn)品的要求越來越高。根據(jù)需求，這些設(shè)備可以劃分為兩大不同陣營：（1）室內(nèi)無線影像播放（壓縮或非壓縮的形式）（2）低功耗手持設(shè)備的高速連接。在影像播放應(yīng)用方面，為不同的用戶提供相對來說較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較強的性能以及低功耗的要求（因為視頻源及顯示一般都連接到外部的電源上）。而相反，手持設(shè)備對低成本和低功耗有很高的要求，同時，在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面要求能夠擴展到極高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率（1 Gbps及更高）。
在本文中，我們將介紹兩種能夠滿足這些應(yīng)用需求的無線技術(shù)，直序列超寬帶技術(shù)（DS-UWB ，這是IEEE組織首推的UWB標準化提議）以及802.11無線局域網(wǎng)技術(shù)（802.11 a/g及在此基礎(chǔ)上的802.11n仍處于研發(fā)階段）。在這些技術(shù)的對比當中，我們可以發(fā)現(xiàn)DS-UWB和WLAN技術(shù)之間的明顯差別，就是說超寬帶技術(shù)將誘發(fā)不同的解決方案以及功耗效率方面的不同水準，因為這兩項技術(shù)經(jīng)過改進都要滿足人們對高數(shù)據(jù)傳輸速率手持設(shè)備的需求。

關(guān)于兩項技術(shù)的介紹
    DS-UWB 是為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）而開發(fā)的，并借鑒了超寬帶（UWB）通訊技術(shù)的長處。目前，IEEE組織正在考慮的DS-UWB方案將使基于802.15.3a 標準的設(shè)備既能提供高性能，又能為高速率的多媒體及手持設(shè)備提供低功耗和低成本的擴展能力。
    DS-UWB 設(shè)備的應(yīng)用將依據(jù)FCC針對美國市場而制定的超寬帶規(guī)則并且與為世界其它地區(qū)制定的規(guī)則基本一致。目前的FCC規(guī)則允許使用7.5 GHz的頻譜（
DS-UWB設(shè)備在任何時間都將占用1.5或3 GHz的頻譜），但其傳輸功率非常低，請參見圖表。實際上，DS-UWB的傳輸水平基本上達到每MHz頻譜-41.3 dBm的極限。
     與DS-UWB相比， 802.11 無線局域網(wǎng)技術(shù)是為不同F(xiàn)CC規(guī)則下的操作所開發(fā)的，并且可以在特別針對非授權(quán)無線設(shè)備的頻道上進行操作。802.11a/g/n操作帶寬比DS-UWB要窄，所占用的頻譜約為 17 MHz（或者說比DS-UWB的帶寬低80倍，或比使用34 MHz的11n系統(tǒng)低40倍），但傳輸功耗卻更高。一個802.11設(shè)備的額定傳輸功耗約為50 mW。請注意，這一平均傳輸功耗的水平比其某一DS-UWB設(shè)備的平均功耗高500倍，或者說其差值在27 dB。
    上述兩個不同的特性以及信號帶寬以及傳輸功耗導(dǎo)致了通訊系統(tǒng)設(shè)計當中諸多方面的迥異。
    我們注意到，這兩項技術(shù)，傳輸功耗方面存在著500倍的差異（但在總功耗方面不是這樣，即：由天線發(fā)射出的功率 及所有電路所消耗的功率）。是什么原因?qū)е铝巳绱舜蟮牟町惸?？通訊系統(tǒng)方面的一個基本規(guī)則就是所接收到的信號功率在較為接近的范圍內(nèi)反而衰減——這是否意味著802.11技術(shù)在相同數(shù)據(jù)傳輸速率方面具有_(500)或大約22倍的范圍呢？實際上，DS-UWB技術(shù)在多信道環(huán)境下，為110 Mbps提供了10 m或更合適的范圍——這與802.11a/g技術(shù)為其最高速率54 Mbps所提供的范圍大致相等。802.11n擴展技術(shù)也同樣在這些范圍內(nèi)可以提供100 Mbps或更高的速率，但具體的范圍還要依據(jù)天線及多信道假想上。那么除了轉(zhuǎn)輸范圍因素之外是什么導(dǎo)致了傳輸功率方面如此大的差異呢？通過了解這一差異的內(nèi)因，可以使我們進一步了解DS-UWB 和 802.11技術(shù)方面的根本不同之處，同時要求我們要考慮無線系統(tǒng)設(shè)計和性能上的諸多方面。

信號帶寬及傳輸功率
    與DS-UWB相比，有兩個基本原因使得信號帶寬上的差別導(dǎo)致802.11a/g/n系統(tǒng)對傳輸功率有更高的要求。其一是由于在一個相對狹窄的無線電信道中，通過調(diào)制而獲得較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率；第二，是由于多信道中射頻傳播的基本物理特性。調(diào)制格式描述了如何將數(shù)據(jù)編碼為一個射頻信號，用于無線介質(zhì)中的傳輸。
    對于802.11a/g系統(tǒng)來說，在一個17 MHz帶寬的射頻信道中要想獲得54 Mbps的數(shù)據(jù)速率，要求使用“high-order調(diào)制”方式來取得較高的光譜效率。特別是802.11a/g (和 11n)使用64-QAM來將6個數(shù)位繪制進每一個傳輸符號中（802.11a/g將此64-QAM 與 OFDM結(jié)合起來，其意圖大致相同）。當引入用來進行正向糾錯 (forward-error-correction，F(xiàn)EC)的帶寬消耗與OFDM之向?qū)в嵦柤扒熬Y，802.11a/g 為每一個所占用的頻譜Hertz 獲得了大約每秒3.3 數(shù)位。通過利用64- QAM取得這種更高的頻譜效率，其成本在于接收器需求有一個更強的SNR以便在相同水平的錯誤率性能上對信號進行解調(diào)（相對于作為底限的BPSK 或QPSK系統(tǒng)而言）。新近推出的802.11n技術(shù)也同樣在其最高數(shù)據(jù)速率方面使用64-QAM，但添加了更為成熟的技術(shù)，以便通過多天線技術(shù)來取得更好的頻譜效率。
    DS-UWB運營環(huán)境與802.11a/g 或801.11n 技術(shù)有所不同。由于能夠獲得較寬的帶寬，DS-UWB 使用 BPSK來提供功率系數(shù)的解調(diào)。兩項技術(shù)之間一個簡單的比較就是在BPSK 和64-QAM 存在的功效方面的差異。針對這兩種調(diào)制格式，BPSK在接收器所需要的Eb/N0是9.6 dB，速率為 10-5 bit-error-rate (BER)，而64-QAM在同樣的BER上可以獲得高出10 dB的水平。需要注意的是：這些數(shù)字是用來描述在純AWGN通道中非加碼技術(shù)的運行狀態(tài)，但基本結(jié)果是high order調(diào)制方式要求更高的傳輸功率從而在接收器上提供相同的BER。在現(xiàn)實操作系統(tǒng)中，還有許多其它的因素影響著接收器SNR的需求，包括使用成熟的FEC。對實際操作系統(tǒng)需求具有影響的一個關(guān)鍵性環(huán)境因素就是多通道傳播功效。

信號帶寬對復(fù)雜性和功耗的作用
    我們知道，窄帶系統(tǒng)需要有較高的傳輸功率，來支持接收器對SNR更高的要求，因為不同的調(diào)制方式要求較高的調(diào)制和多通道衰件。對于OFDM，較高傳輸功率的影響與OFDM信號的高峰值和平均值的比率混雜在一起，因為后者要求有一個低功耗的功率放大器。例如，一個50 mW傳輸功率的輸出也許會要求有幾百到 500 mW 的總功耗，以達到較好的系統(tǒng)性能所需要線性。而相反的是，任何一個DS-UWB系統(tǒng)都不需要PA，因為較小的傳輸功率(-10 dBm) 可以直接通過RF ASIC來驅(qū)動。
不同的信號帶寬對系統(tǒng)的復(fù)雜性和功耗還具有其他影響，因為信號處理要求方面存在差異。
_模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器： DS-UWB 接收器可以在高速率（1.35GHz ）上使用低解析度 (如： 3 位)的 ADCs，來模擬寬帶信號。802.11 OFDM系統(tǒng)在較低的速率（在80MHz上9位）上使用高解析度的 ADCs來支持64-QAM的解調(diào)。
_ 前向差錯糾正： 兩種方式都采用卷積編碼(convolutional code)來糾正傳輸中產(chǎn)生數(shù)位錯誤。802.11a/g/n利用更高復(fù)雜性的 FEC對多通道衰減進行補償。DS-UWB編碼可以降低解碼的復(fù)雜性（低2-8倍），因為編碼的性能在超寬帶運行狀態(tài)下受到的多信道衰減的影響較小。當設(shè)備達到500Mbps或DS-UWB中更高的速率或?qū)嵤?02.11n時，這一差異更加明顯。
    當我們在考慮將DS-UWB 或802.11n提升到更高的速率來滿足未來的應(yīng)用而產(chǎn)生 的其他作用時，我們有必要了解 如何通過增加符號速率（縮短符號長度）來將DS-UWB提升到更高的速率，如 1 Gbps 。大多數(shù)的接收器數(shù)字處理復(fù)雜性（斜度化合，符號均等，F(xiàn)EC解碼，等）與數(shù)據(jù)速率呈線性增加。對均衡器長度的要求可以隨著符號長度的減少而有所增加，但在最高數(shù)據(jù)速率模式下以較小的范圍提升延遲傳播時，此作用會被化解。
    目前關(guān)于將 802.11系統(tǒng)升級到802.11n中的更高速率  (500 Mbps或更高 ) 的建議是基于64-QAM的繼續(xù)使用。通過MIMO技術(shù)（多重輸入輸出）我們可以提升到較高的速率，因為它利用多天線在無線頻道中平行發(fā)送多數(shù)據(jù)流。對此，處理的復(fù)雜性也隨之增加（(FEC 解碼, FFT/iFFT, 均衡等)。 由于要求高達4個傳輸/接收處理鏈(多個 ADC/DAC , 過濾器, 放大器等)，復(fù)雜性和功耗也將有所增加。
    當我們對這兩種技術(shù)進行高速率、低功耗應(yīng)用等方面的評估時，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的帶寬在很多領(lǐng)域具有較大影響。由于窄帶設(shè)計被 擴展到更高的速率，那幺利用high order調(diào)制和多天線技術(shù)可以提供擴展的較強性能，但也可能會導(dǎo)致更大的復(fù)雜性和功耗。那些利用寬帶的系統(tǒng)，如 DS-UWB, 可以采用完全不同的設(shè)計手段提供無線連接解決方案，獲得更高的速率，更具有可擴展性和低復(fù)雜性。

圖表: 不同無線技術(shù)上的功率頻譜密度和帶寬