超宽带—无线连接家庭网络

超宽带(UWB)是专门面向短距离个人区域网络(PAN)的无线技术，也是为电脑外设、家电和其它移动设备实现下一代无线互连而精心打造的领先技术。凭借高可用带宽，UWB将支持多种设备间的无线连接，以及视频、音频和其它数据流的传送。例如，UWB可将电脑或家电设备(如摄像机、DVD播放机或个人录像机)的视频内容传输到平面HDTV显示屏上，无需使用任何线缆。

图1  多频带OFDM频带计划

 

图2   通用UWB无线平台视图

 

UWB的工作原理

UWB发射机在广泛频谱范围内通过几千兆赫兹带宽发送数十亿脉冲工作。随后，相应的接收机会根据发射机发送的类似脉冲频率将这些脉冲转换成数据。具体来说，UWB是指频谱占有20%以上的中心频率或至少500 MHz带宽的无线技术。

UWB传送技术使用脉冲在广泛频谱内调制信息。时域内的脉冲宽度决定占用的频域内带宽。

 

UWB面临的问题

UWB面临着全球管理机构批准方面的诸多挑战。美国是目前唯一允许UWB商业应用的国家。在全球不同国家和地区，UWB频谱的分配存在很大差异。例如，日本政府鼓励无线系统开发商避免在分配给射电天文台的UWB频谱范围内使用多个窄带。其它国家也规定了类似的UWB无线使用规则。

UWB的优势在于可以动态关闭子带和个别音频，以符合指定频谱上的当地操作规范，从而满足地区管理政策。凭借UWB灵活的频谱调制能力，一旦UWB产品投入市场，无线技术将有望得到许多国家的法律认可。亚太区许多国家已计划从2004年下半年或2005年开始分配UWB频谱，日本和韩国将率先追随FCC先行的步伐。欧洲国家也有望在未来几年内分配这种频谱。

 

多频带OFDM联盟(MBOA)

研究人员目前正在寻求接近UWB的多频带正交频分复用技术(OFDM)，以获得诸多优势。这也就是说，多频带OFDM方法可以实现与窄带系统(如802.11a)的完美共存，适应不同的管制环境，支持未来扩展和后向兼容。随着多频带OFDM联盟(MBOA)的成立，最初的多频带方法中增加了针对每个子带的OFDM调制，目的在于为UWB开发最佳技术解决方案。

MBOA于2003年6月由家电、个人电脑、家庭娱乐、半导体和数字成像领域的最有影响力的厂商共同成立，其宗旨是为新兴的UWB(IEEE 802.15.3a)PHY规范开发最佳技术解决方案，以支持广泛的应用。迄今为止，多频带OFDM联盟已有50多个成员，支持单一的UWB技术方案。

多频带OFDM方法

在多频带OFDM方法中，可用的7.5 GHz频谱被分成了多个528 MHz频带。这就允许在特定频率范围内有选择性地实施频带，同时将频谱其它部分置于空闲状态。射频在频谱特定范围运行的动态能力非常重要，可以很好地适应全球各国政府的管制要求。

MBOA方案的频带计划将频带分为A-D四组，如图1所示。 其中B组(4.9GHz - 6.0 GHz)和D组(8.1GHz -10.6GHz)留待以后使用。

多组频带可以实现多频带OFDM设备的多种运行模式。根据当前的多频带OFDM方案，频带1至频带3用于模式1设备(必选模式)；频带6至频带9用于模式2(可选模式)。

每个频带上传输的信息均采用OFDM进行调制。OFDM在按精确频率划分范围的大量载波上分配数据。这些空间可为该技术提供“正交”能力，可避免解调器看到自身以外的其它频率。

 

OFDM的多种优势

OFDM的优势包括：频谱效率高、抗射频干扰能力强、多路径失真率低。通过使用OFDM调制技术和多频带技术，更容易使用单一射频链收集多路径能量，使接收机可以抵御窄带干扰，而不会损失子带资源或降低数据速率。这些优势将有助于关闭个别音频，并采用前向纠错编码更方便地恢复受损音频。

尽管这样会增加无线设计的复杂性，但需要重点指出的是，OFDM(FFT/IFFT)中的关键信号处理阻塞表明需要50k门，这仅占芯片总面积的一小部分。此外，该功能可集成到深亚微米CMOS工艺中，以扩展摩尔定律，从而实现大部分接收路径功能。

PHY解决方案的总硅模面积，对于模式1(3频带)设备预计为4.9平方毫米，对于模拟/射频部分1和数字部分分别为3.0平方毫米和1.9平方毫米。这些预计在2004年采用90纳米CMOS技术节点，而PHY的数字部分预计需要295K门。实质上，多频带OFDM UWB无线技术本身的制造将会日益简单，并将充分利用摩尔定律带来的优势。

 

UWB应用

UWB无线的概念已渗透到多种不同应用和行业，并成为公认的“通用UWB无线平台”。UWB无线与融合层一起，已成为不同应用的基本传输机制，其中有些应用目前仅支持有线连接。通用UWB平台上运行的一些更重要的应用包括通用串行总线(USB)、IEEE 1394、下一代蓝牙和通用即插即用(UpnP)- 参见图2。

这一概念带来了许多潜在的应用，并创造了第一个高速无线互连。本文不是要全面介绍所有可能的使用模型，而旨在深入剖析该技术的核心能力。

对于无线电脑外设连接，UWB技术提供了当今其它互连选件无法比拟的综合性能和易用性。目前，有线USB在电脑平台线缆互连市场占有很大份额。但用户对线缆的方便性和易用性提出了更高的要求。通过摆脱外设与电脑间的线缆束缚，同时提供用户期望的有线USB连接性能，使得UWB在电脑外设互连市场的重要性日益凸显。UWB的一个典型应用就是将移动设备(如便携式媒体播放器(PMP))与内容资源(如个人电脑、笔记本电脑或外部硬盘(HDD))进行无线连接。一旦通过鉴权和授权，该设备和个人电脑便可将视频文件批量传输到PMP以备日后欣赏。

与电脑连接密切相关的是家庭音像设备的无线多媒体连接。在此类设备中无线连接的易用性和数据传输性能是关键因素。例如，无线连接性是壁挂式等离子显示器的理想选择，因为用户从美观方面考虑，不希望看到与STB间的连接线缆。另一使用模式是能够加载DVD，将视频内容无线传输到数字电视(DTV)。这种使用模式特点是能够同时将数据流内容传输到多种设备。这将支持画中画功能，或在多台可视设备上浏览相同或不同内容。

融合设备要求

家电类别中也需要关键融合设备，用于电脑使用环境和娱乐中心集群中。便携式家电影音设备，如DV摄像机、数码相机、便携式MP3音频播放器和新兴的个人视频播放器，都将成为早期UWB主流市场的后备力量。原因在于市场对这些设备的独特需求，以及UWB能够出色满足这些需求。

 

融合设备要求

家电类别中也需要关键融合设备，用于电脑使用环境和娱乐中心集群中。便携式家电影音设备，如DV摄像机、数码相机、便携式MP3音频播放器和新兴的个人视频播放器，都将成为早期UWB主流市场的后备力量。原因在于市场对这些设备的独特需求，以及UWB能够出色满足这些需求。 

这些要求包括多媒体内容的高速数据传输，到其它设备的短程传输，有限电池容量带来的低功耗，市场价格压力造成的低复杂性和低成本要求，以及有线连接替代选择等。预想的使用模式是将数字摄像机中的视频内容传输到等显示器设备(如DTV)上播放。再如，在大型显示屏上欣赏用户数码相机(DSC)中的照片。

 

结语

UWB是面向电脑外设、家电和其它移动设备的一种前景非常光明的无线互连技术。研究人员和工程师们正致力于在不久的将来部署UWB技术。随着通用UWB开发平台实现标准化，电脑、移动设备和家电市场的制造商将能够选择UWB作为物理层，充分利用该技术带来的低能耗和高带宽优势。