超宽带无线技术UWB在家庭中应用

恋々风

UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，2002年2月，美国联邦通信委员会FCC正式将其解禁。UWB自问世后一直被看作是蓝牙技术的替代品，它可以让电脑或其它电子通信产品之间通过无线互传信息，速率达到480Mbit/s，比蓝牙高的多，且传输距离不超过10米。UWB的主要市场在家庭，与其他无线技术WLAN、蓝牙相比，具有一定"相容"性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求，例如取代USB作为外设的接口、把DVD机播放的视频流传输到隔壁房间的电视或PC机上、在小型公司内部进行数据传输等。据预测，家用市场将是UWB大显身手的舞台。

　　而在目前，摩托罗拉、Intel、德州仪器、意法半导体以及日韩一些厂商已推出UWB芯片和相关产品。飞思卡尔半导体在上海举行第二届无线多媒体论坛，探讨无线连接和多媒体技术的最新发展趋势。作为摩托罗拉集团的全资子公司，飞思卡尔半导体在会上展示了业界唯一实现正常操作的UWB方案和最新的移动多媒体技术。据飞思卡尔半导体技术人员介绍，目前海尔、三星和Global Sun等公司已采用飞思卡尔半导体的UWB技术在手持摄像机与等离子电视之间实现无线视频流传输。在国内，海尔与飞思卡尔半导体日前在北京科技活动周上展示了利用UWB技术在便携式摄像机和等离子电视显示器之间的无线连接。

　　据报道，日本的情报通信综合研究所(NTCT)日前利用其试制的UWB无线传送装置成功进行了速率最大为320Mbit/s的数据传送试验。试验中传送了DVD图像流，并在接收端上进行了播放。这是日本国内首次利用UWB无线传送图像的试验。而在2004年4月，英特尔于进行了速率为480M bit/s的无线传送试验。

　　UWB技术之所以目前会引起人们的高度重视，是因为与其他宽带技术相比，它具备下列优点：

　　1、低耗电量

　　典型的无线局域网络产品(Wi-Fi)耗电量约为33～100毫瓦(milliwatts)，而UWB一般来说都不超过200微瓦(microwatts)，即可进行高速传输，尚不及Wi-Fi的千分之五，因此极为省电(Time Domain宣称其UWB芯片耗电量仅50～100微瓦)。

　　2、具高度安全性

　　UWB的脉冲非常短(通常不超过十亿分之一秒)，也非常弱(远小于一般家电)，因此在极广的频段间传输时，非常难以被侦测，同时其收发器之间由事先确认的辨识方式进行转换，接收端必须知道传送端的脉冲序列(Pulse Sequence)，方能正确收到讯号，因此具备高度的安全性。

　　3、高速传输

　　许多厂商的第一代技术都可达到100Mbps的速度，例如：XtremeSpectrum宣称其产品可在10公尺的距离，提供100Mbps的传输速度；Intel的UWB原型产品的传输速度可轻易达到100Mbps。而Time Domain甚至已开始研发可达数百Mbps的第二代UWB芯片，因此可满足高容量的多媒体串流传输应用。

　　4、不易产生干扰

　　由于UWB的脉冲非常短，频段非常宽，因此能避免多路径传输的讯号干扰问题，同时短而弱的脉冲也使UWB与其它无线通讯技术(行动电话、802.11x、微波等等)间产生干扰的可能性大幅降低，因此可与其它技术共存。

　　5、精准的定位功能

　　UWB系统具备良好的时间解析能力，使其能发展出精确的测距能力与定位功能，因此过去军方即将其用在雷达的侦测系统上。而定位能力的确为UWB独到之处，使其可以将通讯与距离侦测进行结合，而发展出新型态的应用领域，包括建立高度安全、较佳效能的网络架构，以及精准的存货追踪管理。而在商业用途上，精准的定位功能将可应用到企业的仓储管理上，协助物料与资材的追踪定位。举例来说，波斯湾战争时，美国一艘后勤补给舰上至少放置4万个容器，当时因缺乏有效的仓储管理系统，因此物资误置与遗失所造成的损失高达300亿美元，去年曾有厂商模拟当时的环境来进行UWB定位追踪测试，结果显示在开放空间内的误差值可降低到2步的距离，未来将朝误差值在1步的目标努力。

　　6、低成本的芯片结构

　　由结构上来看，UWB芯片所需的成本应低于使用载波传输的无线通讯技术。由于UWB直接采用二进制的传输方式，因此可将零组件大幅减少为四个(射频、基频、天线、内建的轫体与通讯协议)，而且UWB的射频收发器架构很简单，相较于Wi-Fi，UWB的芯片不需经过RF/IF的转换步骤，不需要本地振荡源(Local oscillator)、混波器(mixer)，以及802.11x常用的超外差所需额外的表面声波滤波器(SAW filters)。除此之外，也可将射频设计成不需要功率放大器，同时也可以使用CMOS制程，因此具备低成本的芯片结构。

　　二、UWB技术在家庭中应用

　　UWB 是一项正迅速发展的新技术，它将显著改善消费者的家用娱乐产品体验。消费者开始利用家中的 PC 及膝上型电脑享受无线技术的优势，而且很快无线技术的优势就会让家庭中的娱乐产品也受益。UWB 将实现速度高达每秒 110Mbit乃至更快的无线连接，使其非常适合连接电视与 DVD 播放机和录像机、个人视频记录器 (PVR) 以及家庭音响设备。

　　UWB适用于两类家庭消费电子的应用。一类是房间范围的应用，例如机顶盒和DVD 播放机到数字电视的无线连接，这一类应用需要至少每秒 20-28Mbit的传输速率，如要实现画中画功能则需要每秒 56Mbit的传输速率, 另外还需要7-10米的距离实现多个通道的传输。另一类是桌面的应用，例如PDA，手机和数码相机与PC机的同步，在PC机实现视频编辑等。这一类应用一般只需要支持2-4米的传输距离，但对传输速率的要求非常高，有时候需要高至每秒480Mbit的传输速率。

　　UWB 有望满足家庭消费者的其它重要需求。有线与卫星供应商正推出越来越多的高清电视广播，它通常需要标清信号五倍左右的带宽。UWB 具有每秒 110Mbit 的数据传输速率以及 10 米的传输距离，因此只有它才能在住宅的几乎所有空间内实现从机顶盒向电视显示器无线传输高分辨率视频流的功能。这使得消费者无需为每台电视都添置新的机顶盒，即可让家中的多台电视都接收到高清节目的原始来源。

　　实现家庭娱乐系统的互联还意味着提供极高的信号质量。尽管在类似 PC 的应用中无线文件传输可以容许吞吐能力的暂时下降，但向电视显示器传输无线信号就不能出现这种情况，否则消费者就会马上抛弃这种技术。UWB 将提供所需的高质量信号。在起居室这样活动密集的地方，它也将是强大可靠的，即便家里的小狗在摄像机与电视之间到处乱走也能保持很高的图像质量。此外，不论信号源到显示器之间是否可以直视，只要消费者把它们放在 10 米之内的任何地方，具备 UWB 功能的产品都能够毫无问题地工作。UWB 还必须与家庭中的其它无线产品(如 Wi-Fi 家庭网络以及无绳电话等)和平共存。

　　目前在UWB的标准制定方面，还存在两大阵营。一方是以Intel、Microsoft等公司为首，包括了全球绝大多数的软硬件供应商；另一方则是以Motorola为首的三家公司。但这并不表明谁就会在不久的将来胜出。我们相信在很长的一段时间里，这两种标准将会共存。但对于用户来说，不用担心这个问题。正如CDMA和GSM手机，用户在使用时其实并不能感觉到她们的区别，真正的区别只存在于运营商和设备供应商那方面。

　　UWB是一种令人兴奋的无线通信系统设计方法。它是唯一能够满足成本和性能要求的无线技术，其连接性能可与有线连接相媲美。借助UWB技术，客户可在家中建立个人区域网(PAN)，实现房间覆盖。结合使用网状网络或铜线/同轴电缆回程技术，它甚至能够覆盖整间房屋。UWB能够满足家用设备市场的如下要求：

　　*提供高速率的数据传输：在10米范围内提供100Mbps以上的速率(家庭娱乐需要100Mbps以上的速率)。

　　*低能耗需要：200mW下发射和接收功率。

　　*与同等成熟度的蓝牙技术相比，其成本仍然相对较低。

　　与使用窄带调制载波来传输信息的传统无线系统有所不同，UWB使用一系列极窄的低功率脉冲，在广泛的无线频谱范围内传输。与传统窄带无线解决方案相比，UWB解决方案的频谱范围更广，并可降低能耗，传输脉冲数据，这意味着它可以显著减少干扰。UWB能在室内无线环境中提供可与有线连接相媲美的连接性能。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准UWB在美国投入商用。FCC最关注的问题是可能存在的干扰。UWB之所以得到FCC认可，很大程度上是因为它将产生干扰的可能性降至最低。

　　UWB使用户无需通过错综复杂的线路来连接家庭电脑/手提电脑、键盘、显示器、扬声器、打印机、扫描仪、鼠标、电视等设备。借助UWB，用户甚至没有必要将所有这些设备都安装在同一个房间内。用户能通过UWB实现以下功能：

　　*无需使用电缆，即可建立家庭影院，可将内容传输到房屋中的任何一台电视机。

　　*将图像从数码相机即时传输到个人电脑/手提电脑、电视或其他显示设备上。可能需要照片处理设施，对图像进行处理和传输。

　　*只要MP3播放器进入个人电脑/手提电脑、家庭影院MP3服务器的覆盖范围，即可传输数兆的MP3音频。

　　*无需连接线路，即可连接视频游戏控制台、多个操作杆/控制器和显示设备。

　　*向个人手持媒体播放器(PMP)传输数字媒体文件，如完全长度的电影，只需几秒时间即可完成，供用户在旅途中欣赏。

　　*无线连接多种工作设备，例如手提电脑、PDA和投影机，办公室的人员能够坐在会议室中，无线共享带有图像和音频的演示。

　　直接序列超宽带技术(DS-UWB)，作为使用户享受UWB的所有益处的最佳途径。在家庭环境中，很多因素都会影响无线电波的传输，例如在家具上折射、其他无线信号(如无线电话、无线局域网)的干扰。这些因素会导致严重的信号质量问题。 DS-UWB利用可能的最大带宽，生成最短的脉冲。这种方法可以确保顺利进行连接，让设备能够清楚地"知道"其他设备的位置，最大程度地提高连接性能和服务质量(QoS)。

　　UWB芯片集一般具备以下特性：

　　*提供多种可选的数据速率，包括29Mbps、57 Mbps、86 Mbps和114 Mbps。它是提供大型文件、音频和视频内容的强大解决方案。

　　*支持IEEE802.15.3流式媒体协议。

　　*实现性能可与有线连接相媲美的高清晰视频应用。

　　*在3.3V条件下的能耗为200mW，最大限度地降低电池供电产品的能源需求。

　　*与IEEE802.11b/a/g协议、蓝牙技术、GPS以及所有美国无线系统共存。

　　*运用经济高效的0.18μm CMOS和SiGe技术构建。

　　最终用户可能会关心UWB与其他连接技术的关系。在数字连接技术中，无外乎有线的1394b和USB2.0，以及无线的Wi-Fi 和蓝牙。Wi-Fi 和蓝牙由于其传输速率的限制，只能应用于数据网络，而无法满足消费电子的需求。在有线连接方面，USB更适合于电脑及其周边设备，只有1394b与UWB处在相同的应用层面。究竟是用无线的UWB还是有线的1394b，取决于实际情况。例如，1394b需要布线(很便宜的非屏蔽5类双绞线即可)，对于新装修的家庭是一个很好的选择；但对于旧的家庭装修，UWB则更为适宜。在技术层面上，UWB基本是从无线1394技术发展而来，所以用户也没有必要担心这两种接口之间的兼容性。

　　Wireless USB是一种无线接口标准，目标是以无线取代目前的USB连线。无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术"UWB"。目标传送速度为USB2.0的最大通信速度480Mbit/秒。业界分析人士认为，某种形式的UWB无线技术将取代USB成为PC的外设接口，并成就新一代无线设备，UWB年底就绪，有望取代USB成外设标准接口。

　　三、小结

　　一个只用于10米范围之内，传输速率却达到几百兆的无线通信技术正在引起不仅仅是摩托罗拉、Intel通信巨头的关注，也使家电厂商们看到了信息家电未来的美好前景。UWB本来是为军事目的而开发的，而巨大的商机使FCC批准其民用，并将3.1GHz～10.6GHz作为UWB频带。UWB被批准民用后，众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上进行产品开发。

　　UWB可用于数字电视、投影机、摄录一体机、PC机、机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网(PAN)。总之，UWB可定位于家用类设备和终端间的无线连接。众多的家电类设备，决定了UWB的应用范围相当广泛。当然，UWB作为民用技术还是一项新技术，还有一些实际问题，如安全问题、干扰问题等有待解决。预期在2004年底之前，市场上将可以看到一些UWB的设备出售。而UWB真正成熟并进入市场将会在2005年的下半年。UWB 清楚地展示了家用电子设备更为简便时代的未来前景。业界必须通过提供标准与技术共同努力实现 UWB 的潜力，它将使未来家庭电子产品消费者的生活更简便，到那时将有更丰富的产品及特性可供选择。