超寬帶—無線連接家庭網絡

2004年4月B版

　　超寬帶(UWB)是專門面向短距離個人區(qū)域網絡(PAN)的無線技術，也是為電腦外設、家電和其它移動設備實現(xiàn)下一代無線互連而精心打造的領先技術。憑借高可用帶寬，UWB將支持多種設備間的無線連接，以及視頻、音頻和其它數(shù)據流的傳送。例如，UWB可將電腦或家電設備(如攝像機、DVD播放機或個人錄像機)的視頻內容傳輸?shù)狡矫鍴DTV顯示屏上，無需使用任何線纜。

UWB的工作原理

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

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

UWB面臨的問題

　　UWB面臨著全球管理機構批準方面的諸多挑戰(zhàn)。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(qū)，UWB頻譜的分配存在很大差異。例如，日本政府鼓勵無線系統(tǒng)開發(fā)商避免在分配給射電天文臺的UWB頻譜范圍內使用多個窄帶。其它國家也規(guī)定了類似的UWB無線使用規(guī)則。

　　UWB的優(yōu)勢在于可以動態(tài)關閉子帶和個別音頻，以符合指定頻譜上的當?shù)夭僮饕?guī)范，從而滿足地區(qū)管理政策。憑借UWB靈活的頻譜調制能力，一旦UWB產品投入市場，無線技術將有望得到許多國家的法律認可。亞太區(qū)許多國家已計劃從2004年下半年或2005年開始分配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(OFDM)，以獲得諸多優(yōu)勢。這也就是說，多頻帶OFDM方法可以實現(xiàn)與窄帶系統(tǒng)(如802.11a)的完美共存，適應不同的管制環(huán)境，支持未來擴展和后向兼容。隨著多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)的成立，最初的多頻帶方法中增加了針對每個子帶的OFDM調制，目的在于為UWB開發(fā)最佳技術解決方案。

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

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528 MHz頻帶。這就允許在特定頻率范圍內有選擇性地實施頻帶，同時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。

　　多組頻帶可以實現(xiàn)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)。

　　每個頻帶上傳輸?shù)男畔⒕捎肙FDM進行調制。OFDM在按精確頻率劃分范圍的大量載波上分配數(shù)據。這些空間可為該技術提供“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。通過使用OFDM調制技術和多頻帶技術，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，而不會損失子帶資源或降低數(shù)據速率。這些優(yōu)勢將有助于關閉個別音頻，并采用前向糾錯編碼更方便地恢復受損音頻。

　　盡管這樣會增加無線設計的復雜性，但需要重點指出的是，OFDM(FFT/IFFT)中的關鍵信號處理阻塞表明需要50k門，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，從而實現(xiàn)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(shù)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技術節(jié)點，而PHY的數(shù)字部分預計需要295K門。實質上，多頻帶OFDM UWB無線技術本身的制造將會日益簡單，并將充分利用摩爾定律帶來的優(yōu)勢。

UWB應用

　　UWB無線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無線平臺”。UWB無線與融合層一起，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(USB)、IEEE 1394、下一代藍牙和通用即插即用(UpnP)- 參見圖2。

　　這一概念帶來了許多潛在的應用，并創(chuàng)造了第一個高速無線互連。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的核心能力。

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

　　與電腦連接密切相關的是家庭音像設備的無線多媒體連接。在此類設備中無線連接的易用性和數(shù)據傳輸性能是關鍵因素。例如，無線連接性是壁掛式等離子顯示器的理想選擇，因為用戶從美觀方面考慮，不希望看到與STB間的連接線纜。另一使用模式是能夠加載DVD，將視頻內容無線傳輸?shù)綌?shù)字電視(DTV)。這種使用模式特點是能夠同時將數(shù)據流內容傳輸?shù)蕉喾N設備。這將支持畫中畫功能，或在多臺可視設備上瀏覽相同或不同內容。

融合設備要求

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

融合設備要求

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

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

結語

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