7月號產業特輯專文:現王者氣象的UWB超寬頻無線技術

本文作者:admin       點擊: 2007-07-10 00:00
前言:
2006年3月,藍牙晶片製造大廠CSR,宣佈推出採用WiMedia技術的UWB Bluetooth晶片,2006年5月藍牙SIG宣佈與UWB結盟,隨後也獲得CSR的全力支持,藍牙與UWB整合促使了此後不久眾多業者紛紛加入了WiMedia聯盟,雖然IEEE暫時退出,但是從目前的發展趨勢來看,WiMedia成為UWB量產的規格標準可能性極大。

UWB辛路歷程
與通信業中的許多創新一樣,超寬頻(UWB)技術也經歷了漫長的道路。20世紀60年代,研究人員就在做時域電磁工作時,研究了RF系統對一個脈衝而不是連續激勵的響應特性並加以應用,不久美軍實驗室就出現了運用這一原理來運作無線傳輸系統的軍用雷達,它是一個可調整頻寬的傳輸環境,故稱為超寬頻UWB(Ultra-Wideband)。與很多先進技術一樣,比如Internet、GPS,最先都是為軍方使用。

初現端倪
到20世紀90年代初,隨著連網資訊設備和娛樂設備中各種連接對頻寬的需求不斷增加,開始出現了今天廣泛使用的UWB概念。即採用展頻信號透過一個極寬頻寬(數GHz)以極低電位(指發射的RF電位),使一個高資料速率通道能在短距離上(數公尺)承載高頻寬的資料流程量(頻寬達到Gbps等級),並且能與佔用相同 RF 頻寬的普通用戶共存,不會對其他信號造成干擾。由於該信號的低功耗和展頻特性,在頻段內工作的一台"常規"接收機只會看到背景雜訊略微上升(最差情況下)。最短距離上的設備間通信已被叫做"PAN(個人區域網路)",而UWB 則順理成章地成為無線個人區域網路(W-PAN)--短距離無線通信的候選者。

當時間跨越20世紀,進入21世紀的時候,UWB技術才真正等到了飛速發展的那一刻。2002年時,美國聯邦通訊委員會(FCC)同意了一些組織和廠商的UWB商業用途請求,並於不久之後以少有的大方開放了大量頻譜段(從3.1GHz ~ 10.6GHz,共7500MHz的頻寬)供業者使用,為避免與同在一個頻段的其他無線傳輸技術干擾,聯邦通訊委員會在2003年增加了UWB的資料傳輸功率的限制,UWB收發功率不得高於-41.3dBm/MHz。至此低功率、高傳輸速率、不干擾WLAN、WiMAX訊號等的短距離傳輸規格UWB將正式跨入資訊領域。

UWB頻譜分佈(資料來源:creat-net.org)


由於UWB系統可以免許可使用這些頻段(只能在美國),僅僅受制於系統功率方面的一些約束,從而刺激了UWB的商業化進展。為爭奪未來UWB市場的主導權,廠商們爭相制定技術規格和標準,並成立了不同的商業、技術聯盟,其中2003年成立了MBOA聯盟和WiMedia、2004年底成立的UWB Forum是規模較大的三個。也就是在這個階段,作為UWB重要應用的W-PAN概念開始呈現一種非常清晰的輪廓:數公尺距離、充足的頻寬,以無線方式連接家庭娛樂系統,是理想的通用互連方法。

諸侯紛爭
在UWB實現標準化的道路上除了MBOA、WiMedia、UWB Forum組織,各種特殊利益小組(一度曾達到20多家)也隨之誕生,緊接著美國電氣電子工程師協會IEEE成立了802.15.3a工作小組,用以對UWB標準進行最終裁決。為了能夠成為最終標準,這些商業聯盟各自定義積體電路實體層(PHY)以及應用領域,並與其他聯盟展開激勵爭論,尤以近兩年的爭論最為激烈,也相當富於戲劇化。
到2005年3月,MBOA與WiMedia合併,實體層技術規格的爭奪只剩下兩家大的利益集團--MBOA和UWB Forum。

MBOA(Multiband OFDM Alliance)宣佈,已完成兩種超級無線寬頻技術規範,並將它們提供給諸如英特爾、德州儀器、惠普、索尼、以及Staccato和Alereon等專業的UWB廠商等成員企業,MBOA已經建立了"特殊利益集團"。這一特殊利益集團除了完成和推廣OFDM規格之外還將與其他標準機構進行合作。

與之針鋒相對的是,摩托羅拉下屬半導體子公司Freescale則屬於另一UWB Forum集團的代表,其採用的是"直接序列(direct-sequence)"超寬頻技術(DS-UWB),在產業化方面Freescale是處於相對領先的地位。Freescale的第一代XtremeSpectrumUWB超寬頻晶片組已經開始量產出貨。同時,其原始設計製造商(ODM)不久也將推出相應模組產品,並推出一些無線設備和軟體產品。Freescale公司第一代UWB晶片能夠以10公尺以上的距離提供110Mbps的資料傳輸速率。隨後不久就開發出速度高達1Gbps的晶片樣品。

兩個利益集團不僅在長達3年的時間裏面"口舌上"不相上下,而且在行動中也是毫不示弱,積極展示各自在UWB領域所取得的研究成果。由於雙方都不屈服也不進行妥協,而且任何一方也無法贏得規定的75%的支持率。在痛苦、絕望、遺憾或解脫的氣氛中,終於發生了2006年初的戲劇性的一幕,2006年1月,IEEE 802.15.3a超寬頻任務小組通過投票正式宣佈解散,結束了三年的艱苦辯論和昂貴的旅程。

沒想到裁判先跑路了。

WiMedia扛旗Certified Wireless USB出線
面對這樣的局面,UWB Forum的UWB Operations公司總裁無奈地表示:"理想的情況是,IEEE為MB-OFDM方案和DS-UWB方案創造標準,業內公司可任意在其他元件上使用該標準。但不幸的是,這一理想情況沒能實現。我想市場競爭最後會決定標準究竟應該是怎樣的。WiMedia致力於推出一套全新的無線解決方案"Certified Wireless USB",而Freescale則推出了我們的Cable-Free initiative技術,主要研究基於USB、1394和其他技術的有線連接安裝標準。但Freescale的合作夥伴們,像Belkin等,他們自己只擁有世界USB電纜業務的一半,也已經推出了基於我們Cable-Free USB技術的產品,這一事實就對我們方案的有效性判了死刑。"

不久之後,2006年中勢單力孤的Freescale宣佈退出UWB實體層研發。UWB的標準化問題反而因此日趨明朗,因為只剩下WiMedia聯盟一家了。
2006年3月,藍牙晶片製造大廠CSR,宣佈推出採用WiMedia技術的UWB Bluetooth晶片,2006年5月藍牙SIG宣佈與UWB結盟,隨後也獲得CSR的全力支持,藍牙與UWB整合促使了此後不久眾多業者紛紛加入了WiMedia聯盟,雖然IEEE暫時退出,但是從目前的發展趨勢來看,WiMedia成為UWB量產的規格標準可能性極大。

UWB技術走上穩定發展之路

WiMedia UWB成為ISO/IEC 26907標準
儘管IEEE802.15.3a小組宣佈解散,但是WiMedia聯盟仍然完成了初期標準定制工作,今年3月,ISO和IEC終於批准ECMA International組織的通用無線平臺作為ISO/IEC 26907發佈。ECMA-369標準也被批准為ISO/IEC 26908,規定高速超寬頻無線收發器的MAC-PHY介面。該標準覆蓋以480Mbit/s資料速率工作在3.1到10.6 GHz的UWB頻譜上的收發器。成為正式標準意味著要求簽署了國際貿易協定的國家在其境內銷售標準化的WiMedia產品。

目前一些國家分配給UWB的頻段列表,綠色表示可用,紅色表示不可用
WiMedia UWB定義了PHY(實體層)和MAC(媒體存取層)。系統提供53.3Mbps、55Mbps、80Mbps、106.67Mbps、110Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps和480Mbps的資料速率,其中有一個200Mbps的強制性子集。資料採用在122個子載波上調變的QPSK,資料被擴展到三個頻段上,叫做一個頻段組。按FCC的分配,共有四個這種3頻段組,它們開始於3.168 GHz,每個頻段寬度為528MHz,再加一個兩頻段組(總共14個),結束於 10.560GHz。由於地區差異,全世界的各個管理機構正在考慮各種分配請求,一般採用這些頻段的某些子集。UWB接收器在第一個頻段群中最小接收靈敏度的測試資料顯示,當資料速率為53.3Mbps時,靈敏度為-80.8dBm/MHz,若資料速率提升到480Mbps時,靈敏度需求為-70.4dBm/MHz。在DAA的規範中,當UWB的接收器偵測到其他付費頻道的電波訊號時,必須將發射器的發射功率從-41.3dBm/MHz降到最低需求的-70dBm/MHz。

除了實體層與MAC層之外,WiMedia聯盟同時還對IP(Internet Protocol)網路與Conversion層」,進行層的規範制定、相容性測試、認證、標誌程式(logo program)等標準化作業。這樣,只要通過協議調適層(Protocol Adaptation Layer;PAL),UWB可以搭載各種現有的不同規格短距離傳輸技術,包括USB、1394、HDMI、WiNET(UPnP/IP),隨著2006年藍牙的加盟,同為短距無線技術的Bluetooth也可以通過UWB低層協議進行連接,藍牙3.0版也就選擇了WiMedia聯盟的PHY和MAC作為平臺基礎技術。

無線USB應用一馬當先
從應用角度來看,業界認為短距的高速無線通訊又可根據大量資料傳輸和流媒體影音播放的用途,以及是固定式或可攜式的設備,再分為四大類型的應用領域。這四大區塊的要求各不相同,其中流媒體影音播放要求極高的即時性,大量的資料傳輸要求的則是速度,可攜式設備則非常重視低功耗及小尺寸的設計。由於USB介面之間佔據市場主導地位,因此,無線USB也就自然而然地成為UWB的發力點。為區別Cypress公司無線USB的企業標準,基於UWB的無線USB又被稱為Certified Wireless USB,以下用W-USB替代。現在,圍繞WUSB/UWB領域已經聚集起一批晶片供應商:Wisair、Staccato、Alereon、WiQuest、Sigma Designs、Realtek、Tzero、Focus Enhancements、Artimi、NEC、Infineon,這裏面不乏一些大廠。

在前不久舉行的2007 Globalpress峰會,Broadcom、Artimi、WiQuest和Puls-Link等數家致力於UWB技術的新創公司展示了自己的最新的UWB產品和技術。 

Artimi公司在會上展示了一款符合WiMedia規範的WUSB和藍牙雙模晶片A-150,其中包含了MAC和一顆可編程應用處理器,能夠使OEM廠商在系統中增加基於WiMedia的WUSB和藍牙3.0通信功能。A-150晶片的傳輸速率達到480Mbps,當集成在手機中時,僅僅消耗大約60mW功率。

得益於專有的WiDV(無線數位視頻)技術,WiQuest公司業已推出的晶片組WQST100/WQST101是業界首款實現1Gbps速率的UWB商用化產品。WiDV技術的獨特之處,在於它是一個完整的無線視頻解決方案,能夠優化壓縮效果,從而為PC應用提供高品質的視頻和圖像顯示。通過高階調製和先進的前向糾錯編碼技術,高性能WiDV技術能夠提高頻譜效率,從而在無需增加頻寬的情況下支援更高的資料傳輸速率。 

Puls-Link公司是業界目前唯一提供有線/無線混合晶片組的UWB公司,其使用USB技術驅動FireWire協議在有線同軸電纜和無線實體層工作,從而實現整個家庭的高畫質內容傳輸。"目前全球有線用戶數大約為4.5億,中國在這方面較其他國家有更大的優勢,其有線用戶達9,500萬,而北美則為1,800萬。"Puls-Link公司總裁兼協創人Bruce Watkins興奮地表示,"這也是我們為什麼非常關注中國市場的原因。" 

Puls-Link公司目前提供的PL3100 CWave晶片組包含三款晶片,分別為內含基頻和MAC的PL3130、RF收發器PL3120以及低雜訊放大器PL3110。Watkins特別透露,公司已經計畫在未來採用CMOS或BiCMOS先進製程整合PL3130和PL3120,據稱這樣可以降低2~3美元的晶片成本。

據Watkins介紹,CWave技術主要有四大優勢,首先,該專利技術可以實現整個家庭的高畫質網路;其次,可以利用單一晶片組實現無線和有線網路;第三,能夠保證傳輸過程中的QoS;最後,該技術能夠提供良好的家庭聯網性能。大廠方面,Broadcom的超級晶片計畫裏面已經出現了完整的UWB架構。

UWB開始證明自身價值
根據估算,要使UWB真正能夠普及,單點晶片組價格不能高於10美元,而目前顯然離這一目標還有一段距離。要實現單節點晶片組低於 10美元的目標,因此不可避免地會有巨大的成本壓力。IEK統計資料顯示,發展UWB市場初期由於晶片價仍然昂貴,晶片組平均單價在20美元以上,2006全年出貨僅為14萬套左右。2007是UWB市場起飛的時刻,預計在業界的推動下,出貨量可望大幅增加至200萬套以上,而晶片平均單價則會下跌20%以上,但價格仍然高出藍牙約8~10美金有不小的差距,預計2008年時UWB晶片組平均單價會進一步降至15美元左右,而出貨量將有望達6倍成長,達到1,200萬套水準。按照這個速度,到2010年,出貨量將達到7,400萬套,產值達6億億美金。 

從目前情況來看,UWB產品將主要集中在PC及周邊產品,但是隨著產品技術和市場的成熟,便攜市場及家庭娛樂領域UWB的裝備量將遠遠超過PC及周邊市場。或許在不遠的將來,紛繁的通信線纜就會進入博物館成為我們記憶中的某個部分......

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