DS-UWB與WLAN的技術(shù)比較

2005年4月A版

簡(jiǎn)介
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的日益普及，人們對消費類(lèi)電子產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。根據需求，這些設備可以劃分為兩大不同陣營(yíng)：（1）室內無(wú)線(xiàn)影像播放（壓縮或非壓縮的形式）（2）低功耗手持設備的高速連接。在影像播放應用方面，為不同的用戶(hù)提供相對來(lái)說(shuō)較高的數據傳輸速率、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，手持設備對低成本和低功耗有很高的要求，同時(shí)，在高速數據轉換方面要求能夠擴展到極高的數據轉輸速率（1 Gbps及更高）。
在本文中，我們將介紹兩種能夠滿(mǎn)足這些應用需求的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)（802.11 a/g及在此基礎上的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DS-UWB和WLAN技術(shù)之間的明顯差別，就是說(shuō)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(guò)改進(jìn)都要滿(mǎn)足人們對高數據傳輸速率手持設備的需求。

關(guān)于兩項技術(shù)的介紹
    DS-UWB 是為無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )（WPAN）而開(kāi)發(fā)的，并借鑒了超寬帶（UWB）通訊技術(shù)的長(cháng)處。目前，IEEE組織正在考慮的DS-UWB方案將使基于802.15.3a 標準的設備既能提供高性能，又能為高速率的多媒體及手持設備提供低功耗和低成本的擴展能力。
    DS-UWB 設備的應用將依據FCC針對美國市場(chǎng)而制定的超寬帶規則并且與為世界其它地區制定的規則基本一致。目前的FCC規則允許使用7.5 GHz的頻譜（
DS-UWB設備在任何時(shí)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(jiàn)圖表。實(shí)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)是為不同FCC規則下的操作所開(kāi)發(fā)的，并且可以在特別針對非授權無(wú)線(xiàn)設備的頻道上進(jìn)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(shuō)比DS-UWB的帶寬低80倍，或比使用34 MHz的11n系統低40倍），但傳輸功耗卻更高。一個(gè)802.11設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設備的平均功耗高500倍，或者說(shuō)其差值在27 dB。
    上述兩個(gè)不同的特性以及信號帶寬以及傳輸功耗導致了通訊系統設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(zhù)500倍的差異（但在總功耗方面不是這樣，即：由天線(xiàn)發(fā)射出的功率 及所有電路所消耗的功率）。是什么原因導致了如此大的差異呢？通訊系統方面的一個(gè)基本規則就是所接收到的信號功率在較為接近的范圍內反而衰減——這是否意味著(zhù)802.11技術(shù)在相同數據傳輸速率方面具有_(500)或大約22倍的范圍呢？實(shí)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可以提供100 Mbps或更高的速率，但具體的范圍還要依據天線(xiàn)及多信道假想上。那么除了轉輸范圍因素之外是什么導致了傳輸功率方面如此大的差異呢？通過(guò)了解這一差異的內因，可以使我們進(jìn)一步了解DS-UWB 和 802.11技術(shù)方面的根本不同之處，同時(shí)要求我們要考慮無(wú)線(xiàn)系統設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(gè)基本原因使得信號帶寬上的差別導致802.11a/g/n系統對傳輸功率有更高的要求。其一是由于在一個(gè)相對狹窄的無(wú)線(xiàn)電信道中，通過(guò)調制而獲得較高的數據轉輸速率；第二，是由于多信道中射頻傳播的基本物理特性。調制格式描述了如何將數據編碼為一個(gè)射頻信號，用于無(wú)線(xiàn)介質(zhì)中的傳輸。
    對于802.11a/g系統來(lái)說(shuō)，在一個(gè)17 MHz帶寬的射頻信道中要想獲得54 Mbps的數據速率，要求使用“high-order調制”方式來(lái)取得較高的光譜效率。特別是802.11a/g (和 11n)使用64-QAM來(lái)將6個(gè)數位繪制進(jìn)每一個(gè)傳輸符號中（802.11a/g將此64-QAM 與 OFDM結合起來(lái)，其意圖大致相同）。當引入用來(lái)進(jìn)行正向糾錯 (forward-error-correction，FEC)的帶寬消耗與OFDM之向導訊號及前綴，802.11a/g 為每一個(gè)所占用的頻譜Hertz 獲得了大約每秒3.3 數位。通過(guò)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(gè)更強的SNR以便在相同水平的錯誤率性能上對信號進(jìn)行解調（相對于作為底限的BPSK 或QPSK系統而言）。新近推出的802.11n技術(shù)也同樣在其最高數據速率方面使用64-QAM，但添加了更為成熟的技術(shù)，以便通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)取得更好的頻譜效率。
    DS-UWB運營(yíng)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(lái)提供功率系數的解調。兩項技術(shù)之間一個(gè)簡(jiǎn)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：這些數字是用來(lái)描述在純AWGN通道中非加碼技術(shù)的運行狀態(tài)，但基本結果是high order調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。在現實(shí)操作系統中，還有許多其它的因素影響著(zhù)接收器SNR的需求，包括使用成熟的FEC。對實(shí)際操作系統需求具有影響的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)境因素就是多通道傳播功效。

信號帶寬對復雜性和功耗的作用
    我們知道，窄帶系統需要有較高的傳輸功率，來(lái)支持接收器對SNR更高的要求，因為不同的調制方式要求較高的調制和多通道衰件。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(gè)低功耗的功率放大器。例如，一個(gè)50 mW傳輸功率的輸出也許會(huì )要求有幾百到 500 mW 的總功耗，以達到較好的系統性能所需要線(xiàn)性。而相反的是，任何一個(gè)DS-UWB系統都不需要PA，因為較小的傳輸功率(-10 dBm) 可以直接通過(guò)RF ASIC來(lái)驅動(dòng)。
不同的信號帶寬對系統的復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。
_模擬到數字的轉換器： 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(lái)模擬寬帶信號。802.11 OFDM系統在較低的速率（在80MHz上9位）上使用高解析度的 ADCs來(lái)支持64-QAM的解調。
_ 前向差錯糾正： 兩種方式都采用卷積編碼(convolutional code)來(lái)糾正傳輸中產(chǎn)生數位錯誤。802.11a/g/n利用更高復雜性的 FEC對多通道衰減進(jìn)行補償。DS-UWB編碼可以降低解碼的復雜性（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。當設備達到500Mbps或DS-UWB中更高的速率或實(shí)施802.11n時(shí)，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(lái)滿(mǎn)足未來(lái)的應用而產(chǎn)生 的其他作用時(shí)，我們有必要了解 如何通過(guò)增加符號速率（縮短符號長(cháng)度）來(lái)將DS-UWB提升到更高的速率，如 1 Gbps 。大多數的接收器數字處理復雜性（斜度化合，符號均等，FEC解碼，等）與數據速率呈線(xiàn)性增加。對均衡器長(cháng)度的要求可以隨著(zhù)符號長(cháng)度的減少而有所增加，但在最高數據速率模式下以較小的范圍提升延遲傳播時(shí)，此作用會(huì )被化解。
    目前關(guān)于將 802.11系統升級到802.11n中的更高速率  (500 Mbps或更高 ) 的建議是基于64-QAM的繼續使用。通過(guò)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(xiàn)在無(wú)線(xiàn)頻道中平行發(fā)送多數據流。對此，處理的復雜性也隨之增加（(FEC 解碼, FFT/iFFT, 均衡等)。 由于要求高達4個(gè)傳輸/接收處理鏈(多個(gè) ADC/DAC , 過(guò)濾器, 放大器等)，復雜性和功耗也將有所增加。
    當我們對這兩種技術(shù)進(jìn)行高速率、低功耗應用等方面的評估時(shí)，我們發(fā)現系統的帶寬在很多領(lǐng)域具有較大影響。由于窄帶設計被 擴展到更高的速率，那幺利用high order調制和多天線(xiàn)技術(shù)可以提供擴展的較強性能，但也可能會(huì )導致更大的復雜性和功耗。那些利用寬帶的系統，如 DS-UWB, 可以采用完全不同的設計手段提供無(wú)線(xiàn)連接解決方案，獲得更高的速率，更具有可擴展性和低復雜性。

圖表: 不同無(wú)線(xiàn)技術(shù)上的功率頻譜密度和帶寬