稱(chēng)王短距離無(wú)線通訊技術(shù)——UWB

2019-11-03 09:02:33

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供稿：網(wǎng)友

徐永
　　美國(guó)FCC規(guī)定，民用UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz，要求其發(fā)射功率低于美國(guó)放射噪音規(guī)定值－41.3dBm/MHz(換算成功率為1mW/MHz)。

　　2004年以來(lái)，UWB(Ultra Wide Band)因?yàn)橐杂⑻貭柡蚑I為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)和Freescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門(mén))在標(biāo)準(zhǔn)上的分歧和爭(zhēng)執(zhí)而成為關(guān)注的焦點(diǎn)。英特爾與TI在2003年中旬合并UWB標(biāo)準(zhǔn)后，發(fā)展成實(shí)力強(qiáng)大的、現(xiàn)有60多家成員的MBOA標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)，而Freescale在2003年11月正式收購(gòu)了XtremeSpectrum(XSI，UWB早期開(kāi)發(fā)者之一)之后，也團(tuán)結(jié)了一部分伙伴，雖然力量稍弱，但足以同MBOA集團(tuán)分庭抗禮。這一串精彩故事的導(dǎo)火索是2002年初，美國(guó)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)無(wú)線電頻率管理的聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)將UWB這一原來(lái)僅限于軍事應(yīng)用的特種技術(shù)正式批準(zhǔn)為民用，從而拉開(kāi)了一場(chǎng)各企業(yè)集團(tuán)之間的激烈競(jìng)賽。這場(chǎng)競(jìng)賽的白熱化反映出該技術(shù)的美好前景和市場(chǎng)空間，同時(shí)也反映出早期的基礎(chǔ)研發(fā)階段已經(jīng)結(jié)束，UWB距離實(shí)用的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了。Freescale公司在回答筆者的問(wèn)題時(shí)說(shuō)，2004年內(nèi)即可看到UWB產(chǎn)品推向市場(chǎng)。同時(shí)MBOA組織也有人預(yù)測(cè)，2005年第一季度UWB收發(fā)模塊將會(huì)亮相，最終產(chǎn)品將于2005年第2季度上市。

　　在無(wú)線應(yīng)用日益盛行的今天，UWB的民用解禁和幾乎完美的多種好處擊中了業(yè)者的興奮點(diǎn)。過(guò)去，藍(lán)牙(短距離)和WiFi(中短距離)由于在速度、功耗和成本方面都有“高不成、低不就”的不完美性，使它們不具有普遍的適用性，在不斷修修補(bǔ)補(bǔ)的歷程中一波三折，磕磕絆絆。UWB讓人們看到了以單一技術(shù)同時(shí)滿(mǎn)足不同類(lèi)型的短距離通訊的理想，因此人們對(duì)它的狂熱就不難理解。

　　無(wú)線技術(shù)的另類(lèi)

　　關(guān)于UWB的介紹已有很多文章，這里做一個(gè)歸納，并澄清幾個(gè)易混淆的概念。廣義的UWB(Ultra WideBand，超寬帶)概念指以極窄脈沖方式進(jìn)行無(wú)線發(fā)射和接收的特種技術(shù)。其特殊之處在于完全擺脫了一般無(wú)線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)手段，成為在時(shí)域中直接操作的無(wú)線技術(shù)。它的另一奇妙之處是能夠同時(shí)獲得寬帶高速、低成本、低功耗的好處，這在傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)中一直是只能折衷取舍的兩難問(wèn)題。

　　速度：理論上，一個(gè)寬度為0的脈沖具有無(wú)限的帶寬，因此，脈沖信號(hào)要想發(fā)射出去并有足夠帶寬，必須有足夠陡峭的上升/下降沿和足夠窄的寬度。UWB的脈沖寬度用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，最短在皮秒級(jí)水平，但在民用上，一般在納秒級(jí)。納秒為一秒的十億分之一，這意味著，如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位，那么UWB有能力在一秒內(nèi)傳送10億個(gè)數(shù)位，即1Gbps的速率。若脈沖寬度降至0.1納秒，則速率可達(dá)10Gbps。目前，廠家演示的實(shí)驗(yàn)速度在100Mbps至480Mbps之間，但理論上有達(dá)到1Gbps以上的潛力。

　　距離：雖然我們只討論UWB在10米以下的短距離應(yīng)用，但實(shí)際上，發(fā)射距離過(guò)短并不是UWB本身的技術(shù)缺陷，而是FCC規(guī)定的低功率指標(biāo)(1mW以下)所限制的，其目的是避免對(duì)其它設(shè)備的干擾。

　　功耗：UWB因?yàn)椴皇褂幂d波，僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗少量能量，從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量能耗。這一特色還使UWB可通過(guò)縮窄脈沖寬度在提高帶寬的同時(shí)并不增加功耗，這打破了過(guò)去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬都成正比的定律。針對(duì)手持應(yīng)用，UWB還可通過(guò)大幅降低脈沖的占空比使功耗大幅度降低(當(dāng)然這會(huì)降低速度的升級(jí)潛力)。一般認(rèn)為UWB無(wú)線鏈路的功耗可低至普通無(wú)線鏈路的1/100，這樣原來(lái)一次充電只能使用數(shù)天的電池供電設(shè)備采用UWB之后可用數(shù)個(gè)月。

　　不過(guò)，雖然UWB的發(fā)射功率被限制在1mW以下，但實(shí)際上采用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗目前在300mW左右。英特爾公司稱(chēng)短期內(nèi)要將這一指標(biāo)降至100mW以下。

　　成本：由于UWB不需要對(duì)載波信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，所以不需要混頻器、過(guò)濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。Intel的技術(shù)官員曾表示，即使是使用10GHz附近的高頻帶區(qū)域，UWB也可以全部通過(guò)CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這無(wú)疑降低了成本。目前我們還得不到此類(lèi)芯片未來(lái)價(jià)格的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用后一片集成了UWB物理層和USB或1394協(xié)議層的芯片至少可以做到10美元以下。

　　電磁兼容性：由于UWB的寬頻脈沖性質(zhì)，因此人們擔(dān)心它對(duì)其它電子設(shè)備可能形成強(qiáng)大干擾。美國(guó)曾有航空和移動(dòng)電話(huà)等行業(yè)以此為由極力反對(duì)UWB的民用化。但理論上，由于UWB脈沖極窄，頻帶極寬，其帶寬相當(dāng)于1000個(gè)電視頻道或3萬(wàn)個(gè)FM廣播頻道，因此單位頻寬內(nèi)的功率密度相當(dāng)?shù)?根據(jù)Freescale資料)。加上美國(guó)FCC對(duì)它的發(fā)射功率做了嚴(yán)格限制，其功率密度甚至低于一般的噪聲水平，比如低于一部筆記本電腦的輻射。因此UWB對(duì)其它設(shè)備的影響微乎其微，實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)的制訂者們反過(guò)來(lái)?yè)?dān)心的是其它設(shè)備對(duì)UWB設(shè)備以及多部UWB設(shè)備同時(shí)工作時(shí)相互間的干擾，這也是選擇標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一。

　　傳輸可靠性：與相同速率的其它無(wú)線技術(shù)相比，UWB可達(dá)到極低的信號(hào)占空比，從而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾的能力，因此適合室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下的高速傳輸。UWB采用數(shù)GHz的頻段，因此有隨距離增加信號(hào)強(qiáng)度急劇下降的缺點(diǎn)，尤其在穿越水分子含量高的物質(zhì)時(shí)衰減最大。但在10米以下的短距離應(yīng)用中，這一缺陷并不是致命的。

　　UWB大概是惟一聲稱(chēng)要達(dá)到與有線連接相同性能的無(wú)線技術(shù)，這應(yīng)該接近了一定條件下無(wú)線連接可以實(shí)現(xiàn)的終端目標(biāo)。類(lèi)似的能夠體現(xiàn)這種終極性的例子是高清晰度電視，它的目標(biāo)是讓電視再現(xiàn)的圖像與肉眼直觀實(shí)物的效果相同，這也是一個(gè)終極目標(biāo)。這種終極性意味著它是真正的、一步至位的技術(shù)，將長(zhǎng)久地使用下去而無(wú)需不斷地升級(jí)。

　　統(tǒng)一短距通訊的實(shí)力

　　我們這里且不討論UWB未來(lái)市場(chǎng)容量的預(yù)測(cè)數(shù)字，僅從技術(shù)上探討一下它將來(lái)的應(yīng)用形式和空間。UWB的應(yīng)用大致可以從三個(gè)角度來(lái)觀察：與有線連接的關(guān)系，與其它無(wú)線連接的關(guān)系，目標(biāo)應(yīng)用與普及范圍。

　　目前，UWB基本上是作為現(xiàn)有USB、1394等有線標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線延伸來(lái)發(fā)展的。比如，MBOA只負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層規(guī)格，上面各層仍將使用“WiMedia”、“IEEE1394”和“Wireless USB”等規(guī)格。因此，未來(lái)UWB將分別以?xún)?nèi)置和外置的方式將所有新舊設(shè)備連接起來(lái)。

　　UWB將來(lái)與藍(lán)牙和WiFi等其它無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系略為復(fù)雜。雖然也有人試圖將UWB與藍(lán)牙合二為一，但合與不合，藍(lán)牙的命運(yùn)試乎都是“消失”，它與UWB相比，不僅沒(méi)有多大優(yōu)勢(shì)，而且現(xiàn)有的應(yīng)用也很少，并且基本上都是藍(lán)牙耳機(jī)這類(lèi)的獨(dú)立系統(tǒng)，因此被替代的難度不大。而WiFi的目標(biāo)應(yīng)用是10米以上的通訊，因此與UWB是基本上互補(bǔ)關(guān)系。我們可以大膽地預(yù)測(cè)，在10米以下的短距離應(yīng)用中，UWB將一統(tǒng)江山。

　　在應(yīng)用領(lǐng)域，TI高級(jí)應(yīng)用工程師潘曉磊先生說(shuō)，UWB首先瞄準(zhǔn)的市場(chǎng)是家庭中的機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)與電視顯示設(shè)備之間的短距離連接。這方面應(yīng)用只有UWB能夠勝任。他還利用數(shù)字說(shuō)明家庭視頻應(yīng)用對(duì)帶寬的需求：UWB適用于兩類(lèi)家庭消費(fèi)電子的應(yīng)用——一類(lèi)是房間范圍的應(yīng)用，例如機(jī)頂盒和DVD 播放機(jī)到數(shù)字電視的無(wú)線連接，這一類(lèi)應(yīng)用需要至少每秒 20-28Mbit的傳輸速率，如要實(shí)現(xiàn)畫(huà)中畫(huà)功能則需要每秒 56Mbit的傳輸速率，另外還需要7-10米的距離實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的傳輸；另一類(lèi)是桌面的應(yīng)用，例如PDA，手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)與PC機(jī)的同步，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻編輯等。這一類(lèi)應(yīng)用一般只需要支持2-4米的傳輸距離，但對(duì)傳輸速率的要求非常高，有時(shí)候需要高至每秒480Mbit的傳輸速率。UWB在不同的距離上呈現(xiàn)不同的速率，因此可同時(shí)滿(mǎn)足兩類(lèi)應(yīng)用對(duì)速率的要求。

　　標(biāo)準(zhǔn)分化成定局

　　美國(guó)IEEE協(xié)會(huì)中負(fù)責(zé)制訂短距離寬帶無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組自2002年UWB解禁以來(lái)就確定了將它用于802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。雖然先后有多家美日等廠商提交了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但最后集中為以英特爾和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)提出的多頻帶OFDM技術(shù)以及以Freescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門(mén))為首的集團(tuán)提出的直接序列碼分多址技術(shù)(DS-CDMA)。關(guān)于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的具體差異涉及許多技術(shù)細(xì)節(jié)，我們?cè)噲D根據(jù)一些公開(kāi)的資料歸納出可為一般人理解的差異：

　　MBOA的提議將UWB頻帶分為最少三個(gè)頻段，并采利正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。這樣做帶來(lái)四方面的好處：

　　1．各頻帶可單獨(dú)使用，方便從低速到高速的擴(kuò)展，并保證升級(jí)后的后向兼容性；

　　2．因?yàn)槊恳粋€(gè)頻帶的能量分布都集中到中心區(qū)域，彼此會(huì)相隔一定的距離，從而提高抗多徑干擾的能力；

　　3．有效地利用到FCC所規(guī)定的整個(gè)7.5GHz頻寬，不會(huì)留下“邊緣死角”，從而提高頻譜利用率和能量捕獲能力。

　　4．提高與其它無(wú)線設(shè)備共同工作和抗外來(lái)干擾能力(即電磁兼容性)。目前多數(shù)無(wú)線技術(shù)都和UWB被批準(zhǔn)的頻帶重疊，因此使用動(dòng)態(tài)頻率控制技術(shù)可回避這段干擾帶寬。這一特點(diǎn)還有利于采用同一標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)多個(gè)國(guó)家在頻段規(guī)劃上的差異。

　　這些優(yōu)勢(shì)使MBOA技術(shù)在相同條件下具有更高的速率和距離，但增加了電路復(fù)雜度和成本。不過(guò)英特爾的資料稱(chēng)，雖然這種機(jī)制使射頻電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，但實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制的FFT/IFFT信號(hào)處理模塊只需大約50K的邏輯門(mén)數(shù)，并且整體上更便于集成到深亞微米CMOS工藝中，從而使整體成本不會(huì)顯著增加。

　　Freescale陣營(yíng)的DS-CDMA技術(shù)為Xtreme Spectrum公司(XSI)所創(chuàng)建，后者于2003年11月被Freescale所收購(gòu)。采用這種技術(shù)時(shí)，多個(gè)傳輸任務(wù)共享整個(gè)頻率范圍，使方便多個(gè)UWB設(shè)備建立連接更為容易。支持者認(rèn)為這種方式對(duì)現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶(hù)造成更少的干擾。不過(guò)最重要的特點(diǎn)是它的CDMA技術(shù)目前在其它領(lǐng)域已有大量應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為容易，成本更低，上市時(shí)間短。XSI公司于2003年中期就已推出可供測(cè)試的UWB芯片產(chǎn)品，相對(duì)其它技術(shù)先走了一步。

　　在爭(zhēng)奪標(biāo)準(zhǔn)主要貢獻(xiàn)者地位的過(guò)程，各家公司都施展了渾身解數(shù)，其故事足可寫(xiě)成精彩的案例范本。比如，2003年7月，英特爾與TI宣布合并兩家的標(biāo)準(zhǔn)，使Broadcom等公司立即退出競(jìng)爭(zhēng)，有的則轉(zhuǎn)而加入其它團(tuán)體。英特爾、飛利浦半導(dǎo)體和TI等公司又在今年內(nèi)組成UWB特別興趣小組，意圖先行制訂和推廣一個(gè)小集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，從而使該集團(tuán)的技術(shù)成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。2004年4月，致力于建立無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)標(biāo)準(zhǔn)的WiMedia聯(lián)盟宣布承認(rèn)MBOA版的超寬帶技術(shù)及其頻率標(biāo)準(zhǔn)(該聯(lián)盟的11個(gè)董事中有9個(gè)同時(shí)也是MBOA標(biāo)準(zhǔn)組的成員)。同時(shí)，英特爾又推動(dòng)它所領(lǐng)導(dǎo)的無(wú)線USB推進(jìn)者小組(USB PRomoter Group)將其定義的無(wú)線USB規(guī)范與WiMedia和UWB合二為一。而Freescale除了收購(gòu)XSI公司之外，還利用一切機(jī)會(huì)演示他們?cè)谛酒瑢?shí)現(xiàn)上已取得的成果，近來(lái)又要修改他們的提案，大幅提高了近距離傳輸速率，使之達(dá)到與MOBA相同的480Mbps水平，以回應(yīng)對(duì)手對(duì)“DS-CDMA技術(shù)速率不夠快”的詬病。

　　根據(jù)IEEE的規(guī)定，一項(xiàng)提案要成為標(biāo)準(zhǔn)需得到全體成員75%以上的票數(shù)。雖然MBOA集團(tuán)陣容強(qiáng)大，但兩邊的得票率始終在60%:40%左右徘徊。一些報(bào)道顯示，爭(zhēng)議的雙方似乎都有些誠(chéng)意與對(duì)方談判達(dá)成一個(gè)折衷的或綜合的標(biāo)準(zhǔn)，但由于兩種技術(shù)的差異太大，合二為一的可能性極小。

　　在二虎相爭(zhēng)的時(shí)候還出現(xiàn)了和事佬。日本通信綜合研究所(CRL)在2004年3月宣布試制成功UWB收發(fā)LSI(細(xì)節(jié)不詳，但測(cè)試仍然是在有線傳輸?shù)臈l件下完成的)。CRL稱(chēng)，上述兩種標(biāo)準(zhǔn)他們都支持。為此CRL開(kāi)發(fā)了使用多個(gè)物理層的中間件技術(shù)“SSA(software spectrum adaptation)”，可以實(shí)現(xiàn)所謂的“雙PHY、單MAC”結(jié)構(gòu)。無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)的射頻芯片制造商PulseLink公司在4月又宣布，他們發(fā)明了一種公共信令協(xié)議(CSP)，可使基于不同技術(shù)的UWB系統(tǒng)和平共處。對(duì)此人們褒貶不一，有人說(shuō)這樣可在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況下繼續(xù)往前走，也有人說(shuō)不具備互操作性的共存沒(méi)有意義，并且增加了多種物理層同時(shí)存在的可能性。看來(lái)這些彌補(bǔ)性的做法并不能從根本上解決多種標(biāo)準(zhǔn)共存時(shí)給制造商和用戶(hù)帶來(lái)的麻煩和成本增加。

　　目前人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一似乎已經(jīng)喪失了信心。TI的UWB業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Steve Turner和中國(guó)高級(jí)應(yīng)用工程師潘曉磊在一篇文章中肯定了兩大標(biāo)準(zhǔn)將長(zhǎng)久共存的現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，ABI Research市場(chǎng)研究公司也稱(chēng)，已經(jīng)不可能在超寬帶(UWB)標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成一致。

　　何時(shí)劃上休止符？

　　在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況下，將給UWB市場(chǎng)帶來(lái)怎樣的影響呢？?jī)蓚€(gè)陣營(yíng)勢(shì)必接著在爭(zhēng)取整機(jī)廠商的支持方面展開(kāi)另一場(chǎng)決戰(zhàn)。此時(shí)，哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UWB設(shè)備首先在市場(chǎng)中呈現(xiàn)絕對(duì)多數(shù)的數(shù)量，哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)首先成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。如果這一戰(zhàn)役仍然不能決出勝負(fù)，市場(chǎng)則將被分隔：按筆者的猜想，市場(chǎng)初期消費(fèi)者對(duì)UWB的兼容性并不敏感，因?yàn)榇藭r(shí)市面上或用戶(hù)手中尚無(wú)UWB設(shè)備。首先使用UWB的用戶(hù)只是將之用于內(nèi)部自有設(shè)備的連接，目的是替代設(shè)備間混亂的電纜。同時(shí)，市面上不論是內(nèi)置了UWB的整機(jī)產(chǎn)品還是外置式的UWB無(wú)線收發(fā)器(可插于現(xiàn)有的USB或1394接口)都會(huì)同時(shí)提供分別符合兩種標(biāo)準(zhǔn)的型號(hào)，這對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)暫時(shí)不會(huì)帶來(lái)太大的麻煩，相反麻煩的是設(shè)備制造商。但參與了某一陣營(yíng)的整機(jī)廠商可能會(huì)根據(jù)承諾不會(huì)生產(chǎn)另一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，這多少會(huì)限制用戶(hù)選擇的自由。

　　但是，當(dāng)市面上或用戶(hù)手中UWB設(shè)備的數(shù)量增加到一定程度后，兩類(lèi)設(shè)備間的不兼容勢(shì)必成為用戶(hù)非常頭痛的問(wèn)題。此時(shí)市面上會(huì)出現(xiàn)同時(shí)符合兩種標(biāo)準(zhǔn)的“雙料”產(chǎn)品或一種適配器的裝置，來(lái)解決不兼容的問(wèn)題，但用戶(hù)要為此付出更大的代價(jià)，而且操作起來(lái)仍然相當(dāng)麻煩。此時(shí)如果市面上兩類(lèi)設(shè)備的力量對(duì)比出現(xiàn)變化，吃盡苦頭的用戶(hù)將毫不猶豫地向占上風(fēng)的一邊傾倒，這段時(shí)間也許會(huì)持續(xù)數(shù)年的時(shí)間，但結(jié)局已定。可以與此相比的是目前閃存卡市場(chǎng)的現(xiàn)狀：索尼公司憑借自身的實(shí)力，仍然堅(jiān)持獨(dú)有的記憶棒標(biāo)準(zhǔn)。一位閃存業(yè)的朋友說(shuō)，閃存的接口標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)數(shù)年可能會(huì)統(tǒng)一。此話(huà)映證了筆者自己的感覺(jué)。我是索尼產(chǎn)品的愛(ài)好者，但記憶棒留給我的是被“關(guān)在牢中”的不愉快記憶，因此我總是在尋找機(jī)會(huì)沖破這個(gè)“牢籠”，再不回首。那么最終用戶(hù)面對(duì)分裂的UWB市場(chǎng)會(huì)不會(huì)更明智一些呢？如果這樣，UWB在市場(chǎng)上的決戰(zhàn)可能很快就會(huì)決出勝負(fù)。

摘自賽迪網(wǎng)

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