談UWB的過去、進(jìn)展和技術(shù)歸納

　　
　　[導(dǎo)語] 超寬頻技術(shù)的發(fā)展模式類似Wi－Fi一樣，有一段很長的時(shí)間被歸類為軍事技術(shù)，但如今極有可能擴(kuò)展至一般消費(fèi)性產(chǎn)品領(lǐng)域。

　　超寬頻技術(shù)的發(fā)展歷程

　　超寬頻技術(shù)的發(fā)展模式類似Wi－Fi一樣，有一段很長的時(shí)間被歸類為軍事技術(shù)，但如今極有可能擴(kuò)展至一般消費(fèi)性產(chǎn)品領(lǐng)域。根據(jù)最新的美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的定義，超寬頻(UWB)系統(tǒng)的中心頻率大于2.5GHz，并具備至少500MHz的-10dB頻寬。頻率較低的UWB系統(tǒng)必須具備至少20%的頻寬比(fractional bandwidth)。這些特性讓UWB明顯異于傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)，以往的無線電系統(tǒng)的頻寬比不會超過1%或20MHz，例如像2.4 GHz的IEEE 802.11無線局域網(wǎng)絡(luò)。

　　UWB的歷史可回溯至60年代，當(dāng)時(shí)發(fā)展的主軸為研究微波網(wǎng)絡(luò)在面對時(shí)域脈沖所產(chǎn)生的瞬間行為。在Harmuth、Ross、以及Robbins等研發(fā)先鋒的努力下，UWB技術(shù)在70年代有重大的發(fā)展，其中大部份集中在雷達(dá)系統(tǒng)，包括穿地雷達(dá)系統(tǒng)。到80年代后期，該技術(shù)開始被稱為無載波或脈沖無線電。美國國防部在1989年首次使用「超頻寬」這個(gè)名詞，在當(dāng)時(shí)UWB的理論與技術(shù)已經(jīng)發(fā)展將近30年之久。自從1994年開始，美國大部份的UWB研發(fā)工作都是在沒有分類限制的狀況下進(jìn)行。這種情況大幅加快研發(fā)的速度，業(yè)界對其商業(yè)化發(fā)展的興趣亦大幅提高。

　　其中有2項(xiàng)發(fā)展激發(fā)商業(yè)界對這項(xiàng)技術(shù)的興趣，包括UWB系統(tǒng)可以與其它使用較高頻譜密度的通訊系統(tǒng)并存，而且不會對其它系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；另外FCC于2002年2月14日發(fā)布的02-48號報(bào)告與規(guī)范，定義各項(xiàng)并存規(guī)則，其中包括針對各種類型的UWB裝置制定電波發(fā)射限制。這套法律架構(gòu)針對各種專利型UWB裝置立即開拓市場商機(jī)，長期而言，市場對標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品也有更強(qiáng)烈的興趣。

　　由于UWB種類眾多，因此潛在的用途也相當(dāng)廣泛。其中包括無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)、個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)、短距離雷達(dá)(例如汽車傳感器、防撞系統(tǒng)、智能型高速公路感測系統(tǒng)、液態(tài)物體水位偵測系統(tǒng))、穿地雷達(dá)、以及應(yīng)用在醫(yī)療監(jiān)視與運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練等領(lǐng)域的人體局域網(wǎng)絡(luò)。

　　UWB的技術(shù)歸納

　　由于FCC對UWB設(shè)定功率頻譜密度的限制，因此早期的發(fā)展主要集中在傳輸距離約10公尺的無線PAN，其數(shù)據(jù)傳輸速度為110Mbps至480Mbps。如此高速的傳輸能力可輕易讓客廳中的娛樂系統(tǒng)(例如DVD、衛(wèi)星/有線電視的視訊轉(zhuǎn)換器、電視屏幕、以及環(huán)繞立體聲音響)建立起多媒體傳輸?shù)墓艿馈?

　　此外，我們可輕易預(yù)見到包括數(shù)字相機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、攝錄像機(jī)、以及MP3播放器等裝置，未來將能與消費(fèi)性PC建立無線連接，讓配備有線型USB2.0或IEEE 1394接口的裝置擴(kuò)增其應(yīng)用價(jià)值，也許有一天會讓有線接入技術(shù)完全被淘汰。多個(gè)房間的應(yīng)用模式亦是可能發(fā)生的場景之一，未來可能會運(yùn)用多重轉(zhuǎn)接站的技術(shù)來克服10公尺的距離限制。

　　UWB的調(diào)變范圍超過20%的頻寬比或500MHz，因此目前許多訊號產(chǎn)生機(jī)制就屬于UWB。包括直接序列展頻、極窄型脈沖(也稱為脈沖無線電)、正交分頻多任務(wù)(OFDM)。以上這些機(jī)制亦可以結(jié)合跳頻技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大頻譜范圍，進(jìn)一步掌握訊號處理的需求。所有這些技術(shù)的衍生版本都是根據(jù)IEEE 802.15.3a的無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)。

　　直接序列UWB

　　產(chǎn)生UWB訊號的一種方式就是透過展頻訊號碼傳遞信息位，這種系統(tǒng)被視為CDMA(分碼多任務(wù)存取)的極端型式。802.15.3a其中一項(xiàng)提案就是使用長度為24的三元碼( ±1, 0)字符，將資料在1.368GHz的芯片速度下進(jìn)行展頻。32碼的字符被切分成4組8碼字符，讓4組piconet能同時(shí)運(yùn)作。每個(gè)piconet的8碼字符能設(shè)定成正極性或負(fù)極性，建構(gòu)出16字符的字符集，或是每個(gè)字符有4個(gè)位來搭配雙相位調(diào)變機(jī)制。長度為24字符的序列在piconet之間提供約14dB的隔離效果。

　　IEEE在這個(gè)提案中每個(gè)芯片的脈沖波型為傳統(tǒng)的根升余弦曲線。以往研發(fā)業(yè)者在序列中的每個(gè)芯片中采用一組窄波段單脈沖來描述系統(tǒng)，故能達(dá)到更大的能量分布效果。

　　OFDM UWB

　　正交分頻多任務(wù)技術(shù)被應(yīng)用在許多寬頻通訊系統(tǒng)，這類具備多重頻道的系統(tǒng)需要極高的數(shù)據(jù)傳輸速度。最顯著的例子就是IEEE 802.11a無線局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，802.11a占用16.6MHz的頻寬，每一百萬分之4秒傳送48組承載信息的獨(dú)立字符(symbol)。在10公尺傳輸距離下，UWB頻道在最壞狀況的r.m.s.延遲為25ns，遠(yuǎn)低于無線局域網(wǎng)絡(luò)的150ns至200ns。這讓字符周期能大幅縮短，因此不必大幅提高FFT高速傅立葉轉(zhuǎn)換的參數(shù)就能提供500MHz的傳輸頻寬。

　　另一項(xiàng)IEEE 802.15.3a提議就是采用128組長度242.4ns的OFDM字符來使用528MHz的傳輸頻寬。之后再套用一套跳頻機(jī)制，讓所有占用頻寬提高3倍，增加至1.6GHz。周期前導(dǎo)符(cyclic prefix)會增加60.6ns的作業(yè)時(shí)間以及9.5ns的保護(hù)時(shí)間，讓每個(gè)頻率的總間隔時(shí)間(dwell time)變成312.5ns，每個(gè)子載波采用的調(diào)變機(jī)制為QPSK。這種機(jī)制的頻譜如所示。

　　選擇適合的字符長度運(yùn)用OFDM機(jī)制，能讓UWB無線PAN達(dá)到預(yù)期的多重頻道傳輸效能。然而，運(yùn)用3頻道跳頻機(jī)制所得到的頻寬擴(kuò)充幅度，可能無法為同一個(gè)實(shí)體位置中多個(gè)未經(jīng)協(xié)調(diào)的piconet網(wǎng)絡(luò)提供足夠的隔離效果，無法有效達(dá)到頻譜分配的目標(biāo)。要改進(jìn)這方面的缺點(diǎn)，跳頻模式的頻率數(shù)量必須提高。

　　脈沖無線電UWB

　　脈沖無線電系統(tǒng)使用一連串的短脈沖來建構(gòu)單一基本脈沖波型。脈沖短波長度為0.2ns至1ns，脈沖重復(fù)間隔可至25ns至1ms。這種模式讓每個(gè)脈沖之間出現(xiàn)較長的無訊號狀態(tài)，讓每個(gè)頻道脈沖反應(yīng)能逐漸衰減至零，并將字符間干擾降至可忽略的程度，因此不需要使用均衡器。有許多不同的方法可用來調(diào)變傳遞資料的脈沖訊號，這些方法有其中一項(xiàng)顯著的共同點(diǎn)，就是脈沖列(pulse train)不必轉(zhuǎn)換成較高的載波頻率然后再進(jìn)行傳輸；因此這種模式使用「無載波」無線電機(jī)制。

　　調(diào)變技術(shù)包括脈沖位置調(diào)變與各種脈沖振幅調(diào)變，其中包括開關(guān)鍵控以及極性鍵控。這些過程會采用各種脈沖波型，其中包括高斯脈沖的第1導(dǎo)函數(shù)與第2導(dǎo)函數(shù)。當(dāng)頻譜必須相當(dāng)接近特定的頻譜才能配合法律規(guī)范時(shí)，就需要達(dá)到更復(fù)雜的脈沖波型。

　　在脈沖無線電機(jī)制方面要考量的一項(xiàng)重點(diǎn)，就是若接收器使用的是分散的能量(dispersed energy)，頻道脈沖反應(yīng)就需要相當(dāng)長的匹配過濾器。

　　這類長型匹配過濾器以及頻道預(yù)測機(jī)制的成本與復(fù)雜度，需要設(shè)定適當(dāng)?shù)膖ap加權(quán)參數(shù)，但這樣一來就違背脈沖無線電技術(shù)原先要簡化處理流程的本意。

　　多頻帶UWB(跳頻)

　　在數(shù)Giga Hertz的頻譜上直接建立UWB訊號所衍生的各種建置問題，可以執(zhí)行一套2階段的步驟加以解決，首先建立一套占用500MHz頻寬的調(diào)變機(jī)制，其次針對訊號套用跳頻技術(shù)得到最終的傳輸頻寬。上述所有調(diào)變機(jī)制都可再套用跳頻機(jī)制來擴(kuò)增頻寬。這種模式成為業(yè)界所稱的多頻帶　　UWB，最近更獲得許多著名廠商的支持，可參考www.uwbmultiband.org。

　　總結(jié)而言，跳頻序列應(yīng)事先決定，且每個(gè)piconet都采用不同的設(shè)定。這種作法讓多組piconet能使用相同的頻譜，且能限制碰撞的次數(shù)。相反地，若多組并存的piconet不需要以跳頻來改變次序，則可用來轉(zhuǎn)換調(diào)變信息(雖然這種模式在每個(gè)頻帶需要多組平行的接收器)。多頻帶模式的重點(diǎn)包括擴(kuò)充性與彈性。其利益可歸納如下:

　　1 規(guī)范上的彈性(符合FCC在發(fā)射方面的規(guī)范以及地域和未來政府單位所制定的法規(guī)限制)

　　2 抗干擾性(例如，能彈性地避免802.11a所使用的頻帶)。

　　3 在成本與功耗上的可調(diào)整性。實(shí)際能力與使用次頻帶的數(shù)量以及啟用次頻帶的數(shù)量有關(guān)。

　　UWB與標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展

　　第一個(gè)被排除的主要障礙為美國聯(lián)邦通訊委員會解除UWB傳輸在某些方面的限制。頻譜發(fā)射上的解禁尤其對高速PAN應(yīng)用的發(fā)展特別有利，這類應(yīng)用涉及影像與多媒體，并已透過IEEE工作小組制定的802.15.3a規(guī)格所標(biāo)準(zhǔn)化。工作小組已在2002年12月11日接獲IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會的核準(zhǔn)，認(rèn)定新標(biāo)準(zhǔn)符合5項(xiàng)審核準(zhǔn)則，例如廣泛的市場發(fā)展?jié)摿Α⒓嫒菪�、明確的定位(代表它涵蓋其它標(biāo)準(zhǔn)所沒有具備的獨(dú)特基礎(chǔ))、技術(shù)上的可行性、以及經(jīng)濟(jì)上的可行性。TG3a計(jì)畫的時(shí)間藍(lán)圖已確定，約有20家廠商于2003年3月于達(dá)拉斯提出實(shí)體層方案。更新版的實(shí)體層方案在5月的802.15.3a會議中提出，并將在今年7月于舊金山舉行的IEEE會議中進(jìn)行決選。如此緊湊的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)程反映出下一波支持高速無線功能的數(shù)字多媒體消費(fèi)性裝置，的確潛藏著極可觀的市場商機(jī)。

　　盡管在無法預(yù)測的一段時(shí)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化程序是決定消費(fèi)者是否會采納UWB技術(shù)作為家庭多媒體聯(lián)機(jī)機(jī)制的關(guān)鍵因素。但彼此未經(jīng)協(xié)調(diào)的UWB piconet之間是否能并存運(yùn)作同樣也會產(chǎn)生決定性的影響。面臨這種環(huán)境加上包括Philips在內(nèi)各大廠商的投入，業(yè)界有相當(dāng)大的動(dòng)力去找尋一套方法，以能夠吸引最終使用者的價(jià)位推出標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。