超宽带无线通信技术发展现状

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        超宽带通信(UWB)是近年来通信领域兴起的一种无线互连技术。UWB具有高数据率、低功耗、结构简单和价格低廉等特点,为无线通信的发展开辟了新的机遇。同时,由于其占用极宽的带宽,与其他通信系统共享频段,给干扰、兼容等相关领域的研究也带来了一定的挑战。

  一、UWB技术特点

  UWB(Ultra Wide Band)是在较大的带宽上实现速率为100Mbps~1Gbps传输的技术。根据香农理论,无线信道的容量是与其占用的信道带宽成正比的,UWB能实现很高的数据率,是由于其占用很大的带宽。根据美国FCC对UWB技术的定义,相对带宽大于0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作UWB系统,并分配3.1-10.6GHz频段作为UWB系统可使用的频段,在该频段内,UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz,以便与其他无线通信系统共存。UWB在10m以内的范围实现无线传输,是应用于无线个域网(WPAN)的一种近距离无线通信技术。

  众所周知,IEEE 802.15.3a从2003年开始对UWB的技术方案进行标准化。在UWB物理层技术实现中,存在两种主流的技术方案:基于正交频分复用(OFDM)技术的多频带OFDM(MB-OFDM)方案、基于CDMA技术的直接序列CDMA(DS-CDMA)方案。CDMA技术广泛应用于2G和3G移动通信系统,在UWB系统中使用的CDMA技术与在传统通信系统中使用的CDMA技术没有本质的区别,只是使用了很高的码片速率,以获得符合UWB技术标准的超宽带宽。OFDM则是应用于E3G、B3G的核心技术,具有频谱效率高、抗多径干扰和抗窄带干扰能力强等优点。

  直接序列扩频超宽带技术(DS-UWB)主要是由飞思卡尔(Freescale)半导体公司支持的方案。MB-OFDM方案则是由WiMEDIa联盟支持的。两种标准一直以来都处于激烈争论中,评价DS-CDMA和MB-OFDM在技术层面上孰优孰劣,对方案的最终妥协是无益的。在IEEE 802.15.3a内部虽然经过多次投票表决,始终无法淘汰其中一种标准,取得统一。最终在2006年1月份召开的IEEE 802会议上,802.15.3a经过投票,解散了该任务组,UWB在IEEE的标准化进程被终止。

  UWB的MAC层协议支持分布式网络拓扑结构和资源管理,不需要中心控制器,即支持Ad-hoc或mesh组网,支持同步和异步业务、支持低成本的设备实现以及多个等级的节电模式。协议规定网络以piconet为基本单元,其中的主设备被称为piconet协调者(PNC)。PNC负责提供同步时钟、QoS控制、省电模式和接入控制。作为一个Ad Hoc网络,piconet只有在需要通信时才存在,通信结束,网络也随之消失。网内的其他设备为从设备。WPAN网络的数据交换在WPAN设备之间直接进行,但网络的控制信息由PNC发出。

  二、WiMEDIA

  像大家熟知的Wi-Fi、WiMAX联盟一样,WiMedia联盟的重要使命就是建立WPAN认证流程和规范,进行认证以确保设备的互操作性,推动UWB技术在全球范围的应用。WiMedia联盟由英特尔、TI、松下、三星、诺基亚、富士通等著名公司和许多消费电子公司所组成,自成立三年多以来,已经拥有非常广泛的成员。
  
  WiMedia联盟定义的UWB协议分层如图1所示。前面已经提到物理层存在MB-OFDM和DS-UWB两个分支,WiMedia目前主要采用MB-OFDM方式。为了支持多种应用,如无线UWB、无线IEEE 1394等,WiMedia联盟在物理层和MAC层之上定义了协议适配层(PAL)。


图1 UWB协议分层示意图


  WiMedia联盟已经发布了物理层认证规范和兼容性测试平台,并且开展了多次物理层兼容性测试,主要UWB芯片和设备商均参加了兼容性测试。随着产品的逐步成熟,WiMedia联盟将正式开展UWB的设备认证工作。

  三、UWB技术的发展现状和趋势

  UWB技术的应用场景主要包括:家庭、办公室、个人消费电子产品。在“数字化家庭”或“数字家庭网络”的概念日益广泛普及的今天,关注这一概念的消费电子厂商试图用无线网络将消费者家居中的电器连接起来,使各种大带宽的Video信息可以在这些电器之间传递和交换,如图2所示。


图2 Video 信息传递和交换示意图


  在数字化办公室的应用表现为用无线方式代替传统有线连接,使办公环境更加方便灵活。早期的蓝牙技术已经使某些设备的无线互联成为可能。但由于传输速率过低(1Mbps以下),只能用于某些计算机外设(如鼠标、键盘、耳机等)与主机的连接。而UWB技术的高传输带宽可以实现主机和显示屏、摄像头、会议设备、终端设备与投影仪之间的无线互连。同样,UWB技术在个人便携设备上也将会有规模应用。由于UWB技术已经可以提供相当于计算机总线的传输速率,这样个人终端就可以从互联网局域网上即时下载大量的数据,从而将大部分数据存放在网络服务器的存储空间中,而不是保存在个人终端中。携带具有UWB功能的小巧终端,在任何地点都可以接入当地的UWB网络,利用当地的设备(如大屏幕电视、电脑、摄像头、打印机等)随时构成一台属于自己的多媒体计算机。

  从上面的分析可以看出,取代现有USB接口和1394接口的线缆连接,即无线UWB和无线1394将成为UWB技术最有前途的应用。无线USB联盟已经宣布物理层使用MB-OFDM方案,这对于UWB的应用将是较好的推动。

  2006年,已经有多家公司可以提供UWB芯片,例如Alereon、Artimi、Staccato、Wisair、Intel、英飞凌等均有各自的UWB芯片解决方案,包括基带芯片、MAC芯片、RF收发芯片、或集成基带、MAC和RF的芯片。同时,很多芯片公司均宣布在2007年将推出符合WiMedia认证的UWB芯片,并将拓展UWB应用在消费电子类产品中。在笔记本芯片市场占有绝对领导地位的Intel公司,致力于将UWB的主要应用无线USB 2.0作为笔记本电脑的标准配置接口。

  四、UWB技术发展中的问题

  超宽带通信应用中存在的一个重要问题是与其他通信系统的共存和兼容问题。由于超宽带系统使用很宽的频带,所以和很多其他的无线通信系统频段重叠。虽然从理论上说超宽带系统的发射功率谱密度很低,应能和其他系统“安静的共存”,但实际应用中超宽带系统对其他系统的兼容性需要用实验证明。特别是超宽带系统的工作机理和特性还有很多不清楚的方面,比如超宽带系统的带外干扰问题,即超宽带设备也有可能对在其工作频段之外的无线系统产生一定的干扰,这部分干扰还很难用理论计算的方法准确估计。因此虽然FCC将UWB工作频段定为3.1GHz以上,但超宽带设备对3.1GHz以下频段系统(如2G/3G蜂窝移动通信系统、PHS、无线局域网系统)的干扰也需要考虑。

  FCC规定UWB设备主要的工作频段将位于3.1GHz和10.6GHz之间,这个频段内,其发射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。而在此频段以外,实行更严格的功率控制标准。除了要考虑对已有通信系统的干扰外,还要考虑对已有非通信业务有可能产生的干扰。除FCC之外,日本在2006年也提出了自己的UWB频率范围和发射功率控制标准。

  ITU-R SG1(频谱规划研究组)下曾经设立了1/8任务组(Task Group 1/8),研究范围为“UWB设备和无线通信业务之间的兼容性”。在该任务组研究期内,提出了全球UWB频谱分配和监管的若干原则。

  在UWB概念最早提出之日,WLAN的物理层理论速率最高为54Mb/s,有效速率最高约为20Mb/s,很难满足视频信号传输的需求。但是,随着物理层可以支持100Mb/s以上802.11n标准的逐步推进,2006年,很多公司纷纷推出了支持100M以上物理层速率的pre-802.11n WLAN设备。相比UWB,WLAN存在几个明显的技术优势。WLAN工作在免许可频段,标准化程度较高,且WLAN产品已经非常成熟,随着802.11n在未来几年的大规模应用,设备成本也将会下降到现有802.11g产品的水平。因此,在未来支持高速视频流传输上,如家庭网络中设备的无线互连,WLAN和UWB存在一定程度的应用和定位重叠。当然WLAN技术是为支持PC之间的无线连接开发的,因此在消费电子领域环境下的应用存在耗电和带宽的局限性。

  尽管目前UWB的发展中存在着频率管制、标准化等难题,也还必须面对其他无线技术的竞争,但是可以预见,随着无线多媒体应用越来越普及,UWB将在消费电子领域、通信领域获得大规模应用。物理层方案虽然没有融合的迹象,但是双方都没有放弃产业化的脚步,谁最终占领市场,谁将成为事实标准。