無線“第三者”—UWB

2019-11-03 09:03:43

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供稿：網(wǎng)友

陳斌

　　與有線網(wǎng)中以太網(wǎng)“一統(tǒng)天下”不同，無線網(wǎng)在WLAN和WPAN領(lǐng)域還處于“分崩離析”的狀態(tài)：不但藍牙多年來“只聽樓梯響”，就是Wi-Fi也飽受標準不統(tǒng)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(jīng)不可阻擋。這種混雜的局面可能會因為一種新技術(shù)的出現(xiàn)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(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線技術(shù)，還能夠穿透墻壁等障礙物。這種原來專屬軍方使用的技術(shù)隨著2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)正式將其解禁而備受世人的關(guān)注。

　　事實上，UWB技術(shù)不僅可以用于無線數(shù)據(jù)通信，還已經(jīng)在雷達、跟蹤定位等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。軍方很早就使用UWB技術(shù)實現(xiàn)無線電定位系統(tǒng)，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(shù)使用很寬的頻帶，并且能夠穿透墻壁等障礙物，UWB技術(shù)也能做一些雷達應(yīng)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(zhì)時所需的穿墻成像系統(tǒng)等。

　　FCC規(guī)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(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）。UWB的典型傳輸速度是在幾米的范圍內(nèi)達到幾百Mbps，這已經(jīng)遠遠超出了目前WLAN技術(shù)所能達到的幾十Mbps。

　　UWB技術(shù)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(shù)僅使用某個頻帶的一小部分進行信息發(fā)送不同，UWB使用其全部頻帶范圍發(fā)送脈沖信息，而接收器從整個信號帶寬內(nèi)收集傳輸能量（信號）再重構(gòu)UWB脈沖。

　　目前大多數(shù)商用的無線通信方式使用的通信載波是連續(xù)的電波，再通過某種調(diào)制方式將數(shù)據(jù)信號加載在其上。而UWB信號以非常短、非常快的脈沖形式發(fā)送（多徑發(fā)送），這些脈沖經(jīng)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(shù)能以較小的功耗進行數(shù)據(jù)傳輸。由于UWB技術(shù)的工作頻寬較寬，信號發(fā)送又分布在整個信號頻寬內(nèi)，信號速度和容量都較高，比較適合大量數(shù)據(jù)的傳輸，尤其是數(shù)字多媒體信號的傳送。

　　同時，UWB可以與其他的無線技術(shù)較好地協(xié)同工作，不容易互相干擾，因為分散傳輸?shù)腢WB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(shè)備來說，真正的噪音是連續(xù)頻率范圍內(nèi)的信號，而UWB發(fā)出的脈沖是“有形的噪音”，是時間的某種特定函數(shù)。脈沖的發(fā)送時間根據(jù)一種復(fù)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(shù)可以根據(jù)傳輸?shù)木嚯x和所傳輸數(shù)據(jù)量的大小調(diào)整信號頻寬和發(fā)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(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點，很多商業(yè)公司將其看做一種很有前途的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于諸如將視頻信號從機頂盒無線傳送到數(shù)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(lián)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(xiàn)在UWB技術(shù)的實現(xiàn)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(shù)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(shù)也沒有獲得成為IEEE 802.15.3a正式標準所需的75%的多數(shù)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(lǐng)頭者TI、Intel和Motorola都表示要獨自推動UWB標準的發(fā)展。

　　MBOA聯(lián)盟計劃在2004年3月底成立特別工作小組(SIG)，并于5月發(fā)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(shù)的產(chǎn)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(tǒng)。Motorola還計劃2004年第一季度就開始生產(chǎn)UWB芯片組，并打算在年底前將其應(yīng)用于消費電子設(shè)備中。

　　無心插柳

　　正是UWB具有的低功耗、高頻寬和高速傳輸?shù)奶匦裕顾赡艹蔀槟壳岸喾N有線連接技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸?shù)睦硐肫脚_，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(xié)議，因此UWB對“傳統(tǒng)”通信領(lǐng)地的入侵僅僅是作為一種物理層的通信方式，而應(yīng)用協(xié)議還保持與當前兼容。

　　在2004年春季IDF上，Intel對外發(fā)布了針對UWB技術(shù)開發(fā)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(yīng)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(nèi)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(fā)通用抽象層，其目標是支持多個應(yīng)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(guī)范作為實施UWB的基礎(chǔ)。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(shù)的主要規(guī)格對比來看（參見附表），與其他無線技術(shù)具有的一定“相容”性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)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(shè)計，不太適合實時視頻數(shù)據(jù)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(nèi)），UWB技術(shù)可以看做是藍牙和802.11技術(shù)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(diào)制和解調(diào)復(fù)雜的載波信號，所以不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器、本地振蕩器等復(fù)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(shù)官員就曾經(jīng)公開表示，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)。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(yù)計未來3～5年內(nèi)，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(shù)，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(chǔ)上，通過UWB技術(shù)傳輸。

　　當然，UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術(shù)發(fā)展、成本、用戶使用習(xí)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(yè)界接受的程度。另外，由于目前設(shè)定的UWB發(fā)射功率較低，基本限定了其傳輸距離在10m以內(nèi)。不過，站在用戶的角度來看問題，如果一個系統(tǒng)中多種無線技術(shù)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(fā)言權(quán)。

　　
摘自《計算機世界報》

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