超寬帶—無(wú)線(xiàn)連接家庭網(wǎng)絡(luò )

2004年4月B版

　　超寬帶(UWB)是專(zhuān)門(mén)面向短距離個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(PAN)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，也是為電腦外設、家電和其它移動(dòng)設備實(shí)現下一代無(wú)線(xiàn)互連而精心打造的領(lǐng)先技術(shù)。憑借高可用帶寬，UWB將支持多種設備間的無(wú)線(xiàn)連接，以及視頻、音頻和其它數據流的傳送。例如，UWB可將電腦或家電設備(如攝像機、DVD播放機或個(gè)人錄像機)的視頻內容傳輸到平面HDTV顯示屏上，無(wú)需使用任何線(xiàn)纜。

UWB的工作原理

　　UWB發(fā)射機在廣泛頻譜范圍內通過(guò)幾千兆赫茲帶寬發(fā)送數十億脈沖工作。隨后，相應的接收機會(huì )根據發(fā)射機發(fā)送的類(lèi)似脈沖頻率將這些脈沖轉換成數據。具體來(lái)說(shuō)，UWB是指頻譜占有20%以上的中心頻率或至少500 MHz帶寬的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

　　UWB傳送技術(shù)使用脈沖在廣泛頻譜內調制信息。時(shí)域內的脈沖寬度決定占用的頻域內帶寬。

UWB面臨的問(wèn)題

　　UWB面臨著(zhù)全球管理機構批準方面的諸多挑戰。美國是目前唯一允許UWB商業(yè)應用的國家。在全球不同國家和地區，UWB頻譜的分配存在很大差異。例如，日本政府鼓勵無(wú)線(xiàn)系統開(kāi)發(fā)商避免在分配給射電天文臺的UWB頻譜范圍內使用多個(gè)窄帶。其它國家也規定了類(lèi)似的UWB無(wú)線(xiàn)使用規則。

　　UWB的優(yōu)勢在于可以動(dòng)態(tài)關(guān)閉子帶和個(gè)別音頻，以符合指定頻譜上的當地操作規范，從而滿(mǎn)足地區管理政策。憑借UWB靈活的頻譜調制能力，一旦UWB產(chǎn)品投入市場(chǎng)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)將有望得到許多國家的法律認可。亞太區許多國家已計劃從2004年下半年或2005年開(kāi)始分配UWB頻譜，日本和韓國將率先追隨FCC先行的步伐。歐洲國家也有望在未來(lái)幾年內分配這種頻譜。

多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)

　　研究人員目前正在尋求接近UWB的多頻帶正交頻分復用技術(shù)(OFDM)，以獲得諸多優(yōu)勢。這也就是說(shuō)，多頻帶OFDM方法可以實(shí)現與窄帶系統(如802.11a)的完美共存，適應不同的管制環(huán)境，支持未來(lái)擴展和后向兼容。隨著(zhù)多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)的成立，最初的多頻帶方法中增加了針對每個(gè)子帶的OFDM調制，目的在于為UWB開(kāi)發(fā)最佳技術(shù)解決方案。

　　MBOA于2003年6月由家電、個(gè)人電腦、家庭娛樂(lè )、半導體和數字成像領(lǐng)域的最有影響力的廠(chǎng)商共同成立，其宗旨是為新興的UWB(IEEE 802.15.3a)PHY規范開(kāi)發(fā)最佳技術(shù)解決方案，以支持廣泛的應用。迄今為止，多頻帶OFDM聯(lián)盟已有50多個(gè)成員，支持單一的UWB技術(shù)方案。

多頻帶OFDM方法

　　在多頻帶OFDM方法中，可用的7.5 GHz頻譜被分成了多個(gè)528 MHz頻帶。這就允許在特定頻率范圍內有選擇性地實(shí)施頻帶，同時(shí)將頻譜其它部分置于空閑狀態(tài)。射頻在頻譜特定范圍運行的動(dòng)態(tài)能力非常重要，可以很好地適應全球各國政府的管制要求。

　　MBOA方案的頻帶計劃將頻帶分為A-D四組，如圖1所示。 其中B組(4.9GHz - 6.0 GHz)和D組(8.1GHz -10.6GHz)留待以后使用。

　　多組頻帶可以實(shí)現多頻帶OFDM設備的多種運行模式。根據當前的多頻帶OFDM方案，頻帶1至頻帶3用于模式1設備(必選模式)；頻帶6至頻帶9用于模式2(可選模式)。

　　每個(gè)頻帶上傳輸的信息均采用OFDM進(jìn)行調制。OFDM在按精確頻率劃分范圍的大量載波上分配數據。這些空間可為該技術(shù)提供“正交”能力，可避免解調器看到自身以外的其它頻率。

OFDM的多種優(yōu)勢

　　OFDM的優(yōu)勢包括：頻譜效率高、抗射頻干擾能力強、多路徑失真率低。通過(guò)使用OFDM調制技術(shù)和多頻帶技術(shù)，更容易使用單一射頻鏈收集多路徑能量，使接收機可以抵御窄帶干擾，而不會(huì )損失子帶資源或降低數據速率。這些優(yōu)勢將有助于關(guān)閉個(gè)別音頻，并采用前向糾錯編碼更方便地恢復受損音頻。

　　盡管這樣會(huì )增加無(wú)線(xiàn)設計的復雜性，但需要重點(diǎn)指出的是，OFDM(FFT/IFFT)中的關(guān)鍵信號處理阻塞表明需要50k門(mén)，這僅占芯片總面積的一小部分。此外，該功能可集成到深亞微米CMOS工藝中，以擴展摩爾定律，從而實(shí)現大部分接收路徑功能。

　　PHY解決方案的總硅模面積，對于模式1(3頻帶)設備預計為4.9平方毫米，對于模擬/射頻部分1和數字部分分別為3.0平方毫米和1.9平方毫米。這些預計在2004年采用90納米CMOS技術(shù)節點(diǎn)，而PHY的數字部分預計需要295K門(mén)。實(shí)質(zhì)上，多頻帶OFDM UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)本身的制造將會(huì )日益簡(jiǎn)單，并將充分利用摩爾定律帶來(lái)的優(yōu)勢。

UWB應用

　　UWB無(wú)線(xiàn)的概念已滲透到多種不同應用和行業(yè)，并成為公認的“通用UWB無(wú)線(xiàn)平臺”。UWB無(wú)線(xiàn)與融合層一起，已成為不同應用的基本傳輸機制，其中有些應用目前僅支持有線(xiàn)連接。通用UWB平臺上運行的一些更重要的應用包括通用串行總線(xiàn)(USB)、IEEE 1394、下一代藍牙和通用即插即用(UpnP)- 參見(jiàn)圖2。

　　這一概念帶來(lái)了許多潛在的應用，并創(chuàng )造了第一個(gè)高速無(wú)線(xiàn)互連。本文不是要全面介紹所有可能的使用模型，而旨在深入剖析該技術(shù)的核心能力。

　　對于無(wú)線(xiàn)電腦外設連接，UWB技術(shù)提供了當今其它互連選件無(wú)法比擬的綜合性能和易用性。目前，有線(xiàn)USB在電腦平臺線(xiàn)纜互連市場(chǎng)占有很大份額。但用戶(hù)對線(xiàn)纜的方便性和易用性提出了更高的要求。通過(guò)擺脫外設與電腦間的線(xiàn)纜束縛，同時(shí)提供用戶(hù)期望的有線(xiàn)USB連接性能，使得UWB在電腦外設互連市場(chǎng)的重要性日益凸顯。UWB的一個(gè)典型應用就是將移動(dòng)設備(如便攜式媒體播放器(PMP))與內容資源(如個(gè)人電腦、筆記本電腦或外部硬盤(pán)(HDD))進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。一旦通過(guò)鑒權和授權，該設備和個(gè)人電腦便可將視頻文件批量傳輸到PMP以備日后欣賞。

　　與電腦連接密切相關(guān)的是家庭音像設備的無(wú)線(xiàn)多媒體連接。在此類(lèi)設備中無(wú)線(xiàn)連接的易用性和數據傳輸性能是關(guān)鍵因素。例如，無(wú)線(xiàn)連接性是壁掛式等離子顯示器的理想選擇，因為用戶(hù)從美觀(guān)方面考慮，不希望看到與STB間的連接線(xiàn)纜。另一使用模式是能夠加載DVD，將視頻內容無(wú)線(xiàn)傳輸到數字電視(DTV)。這種使用模式特點(diǎn)是能夠同時(shí)將數據流內容傳輸到多種設備。這將支持畫(huà)中畫(huà)功能，或在多臺可視設備上瀏覽相同或不同內容。

融合設備要求

　　家電類(lèi)別中也需要關(guān)鍵融合設備，用于電腦使用環(huán)境和娛樂(lè )中心集群中。便攜式家電影音設備，如DV攝像機、數碼相機、便攜式MP3音頻播放器和新興的個(gè)人視頻播放器，都將成為早期UWB主流市場(chǎng)的后備力量。原因在于市場(chǎng)對這些設備的獨特需求，以及UWB能夠出色滿(mǎn)足這些需求。

融合設備要求

　　家電類(lèi)別中也需要關(guān)鍵融合設備，用于電腦使用環(huán)境和娛樂(lè )中心集群中。便攜式家電影音設備，如DV攝像機、數碼相機、便攜式MP3音頻播放器和新興的個(gè)人視頻播放器，都將成為早期UWB主流市場(chǎng)的后備力量。原因在于市場(chǎng)對這些設備的獨特需求，以及UWB能夠出色滿(mǎn)足這些需求。 

　　這些要求包括多媒體內容的高速數據傳輸，到其它設備的短程傳輸，有限電池容量帶來(lái)的低功耗，市場(chǎng)價(jià)格壓力造成的低復雜性和低成本要求，以及有線(xiàn)連接替代選擇等。預想的使用模式是將數字攝像機中的視頻內容傳輸到等顯示器設備(如DTV)上播放。再如，在大型顯示屏上欣賞用戶(hù)數碼相機(DSC)中的照片。

結語(yǔ)

　　UWB是面向電腦外設、家電和其它移動(dòng)設備的一種前景非常光明的無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)。研究人員和工程師們正致力于在不久的將來(lái)部署UWB技術(shù)。隨著(zhù)通用UWB開(kāi)發(fā)平臺實(shí)現標準化，電腦、移動(dòng)設備和家電市場(chǎng)的制造商將能夠選擇UWB作為物理層，充分利用該技術(shù)帶來(lái)的低能耗和高帶寬優(yōu)勢。 ■