UWB技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

超寬帶通信（UWB）是近年來通信領域興起的一種無線互連技術。

UWB具有高數(shù)據(jù)率、低功耗、結構簡單和價格低廉等特點，為無線通信的發(fā)展開辟了新的機遇。同時，由于其占用極寬的帶寬，與其他通信系統(tǒng)共享頻段，給干擾、兼容等相關領域的研究也帶來了一定的挑戰(zhàn)。

一、UWB技術特點

UWB（UltraWideBand）是在較大的帶寬上實現(xiàn)速率為100Mbps~1Gbps傳輸?shù)募夹g。根據(jù)香農(nóng)理論，無線信道的容量是與其占用的信道帶寬成正比的，UWB能實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)率，是由于其占用很大的帶寬。根據(jù)美國FCC對UWB技術的定義，相對帶寬大于0.2或帶寬超過500MHz的系統(tǒng)都可看作UWB系統(tǒng)，并分配3.1-10.6GHz頻段作為UWB系統(tǒng)可使用的頻段，在該頻段內(nèi)，UWB設備的發(fā)射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便與其他無線通信系統(tǒng)共存。UWB在10m以內(nèi)的范圍實現(xiàn)無線傳輸，是應用于無線個域網(wǎng)（WPAN）的一種近距離無線通信技術。

眾所周知，IEEE802.15.3a從2003年開始對UWB的技術方案進行標準化。在UWB物理層技術實現(xiàn)中，存在兩種主流的技術方案：基于正交頻分復用（OFDM）技術的多頻帶OFDM（MB-OFDM）方案、基于CDMA技術的直接序列CDMA（DS-CDMA）方案。CDMA技術廣泛應用于2G和3G移動通信系統(tǒng)，在UWB系統(tǒng)中使用的CDMA技術與在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用的CDMA技術沒有本質的區(qū)別，只是使用了很高的碼片速率，以獲得符合UWB技術標準的超寬帶寬。OFDM則是應用于E3G、B3G的核心技術，具有頻譜效率高、抗多徑干擾和抗窄帶干擾能力強等優(yōu)點。

直接序列擴頻超寬帶技術（DS-UWB）主要是由飛思卡爾（Freescale）半導體公司支持的方案。MB-OFDM方案則是由WiMEDIa聯(lián)盟支持的。兩種標準一直以來都處于激烈爭論中，評價DS-CDMA和MB-OFDM在技術層面上孰優(yōu)孰劣，對方案的最終妥協(xié)是無益的。在IEEE802.15.3a內(nèi)部雖然經(jīng)過多次投票表決，始終無法淘汰其中一種標準，取得統(tǒng)一。最終在2006年1月份召開的IEEE802會議上，802.15.3a經(jīng)過投票，解散了該任務組，UWB在IEEE的標準化進程被終止。

UWB的MAC層協(xié)議支持分布式網(wǎng)絡拓撲結構和資源治理，不需要中心控制器，即支持Ad-hoc或mesh組網(wǎng)，支持同步和異步業(yè)務、支持低成本的設備實現(xiàn)以及多個等級的節(jié)電模式。協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡以piconet為基本單元，其中的主設備被稱為piconet協(xié)調(diào)者（PNC）。PNC負責提供同步時鐘、QoS控制、省電模式和接入控制。作為一個AdHoc網(wǎng)絡，piconet只有在需要通信時才存在，通信結束，網(wǎng)絡也隨之消失。網(wǎng)內(nèi)的其他設備為從設備。WPAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換在WPAN設備之間直接進行，但網(wǎng)絡的控制信息由PNC發(fā)出。

二、WiMEDIA

像大家熟知的Wi-Fi、WiMAX聯(lián)盟一樣，WiMedia聯(lián)盟的重要使命就是建立WPAN認證流程和規(guī)范，進行認證以確保設備的互操作性，推動UWB技術在全球范圍的應用。WiMedia聯(lián)盟由英特爾、TI、松下、三星、諾基亞、富士通等聞名公司和許多消費電子公司所組成，自成立三年多以來，已經(jīng)擁有非常廣泛的成員。

WiMedia聯(lián)盟定義的UWB協(xié)議分層如圖1所示。前面已經(jīng)提到物理層存在MB-OFDM和DS-UWB兩個分支，WiMedia目前主要采用MB-OFDM方式。為了支持多種應用，如無線UWB、無線IEEE1394等，WiMedia聯(lián)盟在物理層和MAC層之上定義了協(xié)議適配層（PAL）。

圖1 UWB協(xié)議分層示意圖

WiMedia聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了物理層認證規(guī)范和兼容性測試平臺，并且開展了多次物理層兼容性測試，主要UWB芯片和設備商均參加了兼容性測試。隨著產(chǎn)品的逐步成熟，WiMedia聯(lián)盟將正式開展UWB的設備認證工作。

三、UWB技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

UWB技術的應用場景主要包括：家庭、辦公室、個人消費電子產(chǎn)品。在“數(shù)字化家庭”或“數(shù)字家庭網(wǎng)絡”的概念日益廣泛普及的今天，關注這一概念的消費電子廠商試圖用無線網(wǎng)絡將消費者家居中的電器連接起來，使各種大帶寬的Video信息可以在這些電器之間傳遞和交換，如圖2所示。

圖2 Video信息傳遞和交換示意圖

在數(shù)字化辦公室的應用表現(xiàn)為用無線方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線連接，使辦公環(huán)境更加方便靈活。早期的藍牙技術已經(jīng)使某些設備的無線互聯(lián)成為可能。但由于傳輸速率過低（1Mbps以下），只能用于某些計算機外設（如鼠標、鍵盤、耳機等）與主機的連接。而UWB技術的高傳輸帶寬可以實現(xiàn)主機和顯示屏、攝像頭、會議設備、終端設備與投影儀之間的無線互連。同樣，UWB技術在個人便攜設備上也將會有規(guī)模應用。由于UWB技術已經(jīng)可以提供相當于計算機總線的傳輸速率，這樣個人終端就可以從互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)上即時下載大量的數(shù)據(jù)，從而將大部分數(shù)據(jù)存放在網(wǎng)絡服務器的存儲空間中，而不是保存在個人終端中。攜帶具有UWB功能的小巧終端，在任何地點都可以接入當?shù)氐腢WB網(wǎng)絡，利用當?shù)氐脑O備（如大屏幕電視、電腦、攝像頭、打印機等）隨時構成一臺屬于自己的多媒體計算機。

從上面的分析可以看出，取代現(xiàn)有USB接口和1394接口的線纜連接，即無線UWB和無線1394將成為UWB技術最有前途的應用。無線USB聯(lián)盟已經(jīng)公布物理層使用MB-OFDM方案，這對于UWB的應用將是較好的推動。

2006年，已經(jīng)有多家公司可以提供UWB芯片，例如Alereon、Artimi、Staccato、Wisair、Intel、英飛凌等均有各自的UWB芯片解決方案，包括基帶芯片、MAC芯片、RF收發(fā)芯片、或集成基帶、MAC和RF的芯片。同時，很多芯片公司均公布在2007年將推出符合WiMedia認證的UWB芯片，并將拓展UWB應用在消費電子類產(chǎn)品中。在筆記本芯片市場占有絕對領導地位的Intel公司，致力于將UWB的主要應用無線USB2.0作為筆記本電腦的標準配置接口。

四、UWB技術發(fā)展中的問題

超寬帶通信應用中存在的一個重要問題是與其他通信系統(tǒng)的共存和兼容問題。由于超寬帶系統(tǒng)使用很寬的頻帶，所以和很多其他的無線通信系統(tǒng)頻段重疊。雖然從理論上說超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度很低，應能和其他系統(tǒng)“安靜的共存”，但實際應用中超寬帶系統(tǒng)對其他系統(tǒng)的兼容性需要用實驗證實。非凡是超寬帶系統(tǒng)的工作機理和特性還有很多不清楚的方面，比如超寬帶系統(tǒng)的帶外干擾問題，即超寬帶設備也有可能對在其工作頻段之外的無線系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，這部分干擾還很難用理論計算的方法準確估計。因此雖然FCC將UWB工作頻段定為3.1GHz以上，但超寬帶設備對3.1GHz以下頻段系統(tǒng)（如2G/3G蜂窩移動通信系統(tǒng)、PHS、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)）的干擾也需要考慮。

FCC規(guī)定UWB設備主要的工作頻段將位于3.1GHz和10.6GHz之間，這個頻段內(nèi)，其發(fā)射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。而在此頻段以外，實行更嚴格的功率控制標準。除了要考慮對已有通信系統(tǒng)的干擾外，還要考慮對已有非通信業(yè)務有可能產(chǎn)生的干擾。除FCC之外，日本在2006年也提出了自己的UWB頻率范圍和發(fā)射功率控制標準。

ITU-RSG1（頻譜規(guī)劃研究組）下曾經(jīng)設立了1/8任務組（TaskGroup1/8），研究范圍為“UWB設備和無線通信業(yè)務之間的兼容性”。在該任務組研究期內(nèi)，提出了全球UWB頻譜分配和監(jiān)管的若干原則。

在UWB概念最早提出之日，WLAN的物理層理論速率最高為54Mb/s，有效速率最高約為20Mb/s，很難滿足視頻信號傳輸?shù)男枨?。但是，隨著物理層可以支持100Mb/s以上802.11n標準的逐步推進，2006年，很多公司紛紛推出了支持100M以上物理層速率的PRe-802.11nWLAN設備。相比UWB，WLAN存在幾個明顯的技術優(yōu)勢。WLAN工作在免許可頻段，標準化程度較高，且WLAN產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，隨著802.11n在未來幾年的大規(guī)模應用，設備成本也將會下降到現(xiàn)有802.11g產(chǎn)品的水平。因此，在未來支持高速視頻流傳輸上，如家庭網(wǎng)絡中設備的無線互連，WLAN和UWB存在一定程度的應用和定位重疊。當然WLAN技術是為支持PC之間的無線連接開發(fā)的，因此在消費電子領域環(huán)境下的應用存在耗電和帶寬的局限性。

盡管目前UWB的發(fā)展中存在著頻率管制、標準化等難題，也還必須面對其他無線技術的競爭，但是可以預見，隨著無線多媒體應用越來越普及，UWB將在消費電子領域、通信領域獲得大規(guī)模應用。物理層方案雖然沒有融合的跡象，但是雙方都沒有放棄產(chǎn)業(yè)化的腳步，誰最終占領市場，誰將成為事實標準。