摘要 UWB（ultra wideband）是最新的寬帶無線通信技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字家庭和辦公室中設(shè)備間的可移動(dòng)的高速連接，以方便傳送視頻、音頻和其他寬帶數(shù)據(jù)流。UWB作為后3G時(shí)代的前沿?zé)o線技術(shù)，有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。正因?yàn)槿绱耍琔WB的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)從其概念提出之時(shí)就非常激烈。從兩種UWB標(biāo)準(zhǔn)理論上的差別開始，討論了兩種標(biāo)準(zhǔn)各自的發(fā)展過程以及爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，分析了兩種標(biāo)準(zhǔn)目前的市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，最后對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)的未來進(jìn)行了展望。
0、引言
超寬帶無線電（Ultra wideband radio）是在輻射波形的基礎(chǔ)上定義的，最常見的關(guān)于“超寬帶（UWB）”的定義來源于UWB雷達(dá)系統(tǒng)。1989年前，超寬帶信號(hào)主要是通過發(fā)射極短脈沖獲得，這種技術(shù)廣泛用于雷達(dá)領(lǐng)域并使用脈沖無線電（IR）這個(gè)術(shù)語，屬于無載波技術(shù)。1989年美國(guó)國(guó)防部（DARPA）首次使用超寬帶這個(gè)術(shù)語，并規(guī)定若一個(gè)信號(hào)在-20 dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5 GHz或相對(duì)帶寬大于25%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)。2002年FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個(gè)信號(hào)在-10dB處的絕對(duì)帶寬大于0.5 GHz或相對(duì)帶寬大于20%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)[1]。
1、UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)
從本質(zhì)上看，UWB是發(fā)射和接收超短（ns-ps級(jí)）電磁能量脈沖，并以此進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的無線技術(shù)。UWB自2002年2月14日FCC批準(zhǔn)民用以來，已經(jīng)得到了快速地發(fā)展。但它也正在面臨著標(biāo)準(zhǔn)制定的挑戰(zhàn)。目前在UWB技術(shù)領(lǐng)域存在著兩方對(duì)立陣營(yíng)，即Intel、TI等倡導(dǎo)的MBOA（多頻段OFDM聯(lián)盟）和Freescale等倡導(dǎo)的UWB論壇（利用DS-CDMA技術(shù)）。而原定2005年上半年完成的UWB標(biāo)準(zhǔn)的制定工作也因此停滯不前。
1.1 歷史
2002年1月，IEEE 802.15.3 SG3a工作組成立，旨在為面向WPAN（wireless personal area network，無線個(gè)域網(wǎng)）應(yīng)用的IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)制定出高速物理層補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.3a，UWB的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程由此開始。工作組在標(biāo)準(zhǔn)提案征求書中提出的系統(tǒng)指標(biāo)是：[2，3]。
1）使用FCC開放的3.1 GHz-10.6 GHz頻段，發(fā)送信號(hào)的功率譜密度低于-41.3 dBm/MHz。
2）目標(biāo)速率：
10 m距離上實(shí)現(xiàn)110 Mbit/s；
4 m距離上實(shí)現(xiàn)200Mbit/s；
1 m距離上實(shí)現(xiàn)480 Mbit/s。
3）支持4個(gè)不同步的微微網(wǎng)同時(shí)工作。
2003年3月，SG3a（802.15.3a研究組）如期收到23個(gè)提案。經(jīng)過協(xié)商討論，在2003年7月的會(huì)議上。這些提案最終融合成了兩大方案，即傳統(tǒng)的脈沖無線電方案和多頻帶正交頻分復(fù)用（OFDM）方案。前一方案的倡導(dǎo)者多是早期投身超寬帶無線通信研究與開發(fā)的中小公司，以美國(guó)MSSI、Xtreme Spectrum公司等為代表，它們擁有大量脈沖無線電方面的發(fā)明專利，在UWB的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)程中已先行一步。一些傳統(tǒng)的通信大公司顯然不愿意受到這些專利的制約，于是另起爐灶，完全摒棄了無載波窄脈沖的思想，又回到傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)上，提出將可用的7.5 GHz頻段劃分成十幾個(gè)500-600 MHz左右的子頻帶，在每個(gè)子頻帶上采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶無線通信的方案。出于商業(yè)利益的爭(zhēng)奪，兩種方案的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，在2003年7月、9月和11月會(huì)議上進(jìn)行的投票中，任何一方都沒有得到75%的贊成票，只能留待下一次會(huì)議加以解決。
為獲得更多的支持票，兩大陣營(yíng)一直都在積極采取各種行動(dòng)。2003年7月，以Intel和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟（MBOA）正式成立，有50多家企業(yè)加入，包括Alereon、微軟、Intel、惠普、諾基亞、索尼等廠商。鑒于IEEE標(biāo)準(zhǔn)制定工作一再拖延，MBOA決定成立特別工作組，不再等待IEEE的最后結(jié)論，計(jì)劃在2004年5月發(fā)布MBOA規(guī)則Release 1.0，并開始進(jìn)行基于該規(guī)則的設(shè)備開發(fā)，計(jì)劃在2004年第4季度和2005年第1季度分別提供芯片樣品和集成模塊。另一陣營(yíng)得到了UWB論壇的支持，UWB論壇包括Freescale、摩托羅拉等廠商。為打破僵局，一些公司已表示將免費(fèi)提供與標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的UWB專利。摩托羅拉作為這一陣營(yíng)的堅(jiān)定支持者，在2003年11月宣布收購(gòu)Xtreme Spectrum公司，使源于Xtreme Spectrum的UWB開發(fā)工作得到Freescale的軟件和芯片制造工程資源。
從技術(shù)上來講，MBOA和DS-UWB（直接序列超寬帶）是無法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個(gè)通用信令模式，希望與MBOA兼容。但這種模式顯然在技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)，所以被MBOA、IEEE和無線USB（Universal Serial Bus）協(xié)會(huì)拒絕。
從產(chǎn)品上來講，DS-UWB在開始的時(shí)候走在了前面。它的樣品在2004年初的時(shí)候已經(jīng)在拉斯維加斯的消費(fèi)電子展上展出，但之后的進(jìn)展比較緩慢，當(dāng)時(shí)存在的問題今天依然存在，例如功耗很大、需要兩根天線分別收發(fā)、在天線與接收器中間有阻擋時(shí)會(huì)出現(xiàn)花屏等。而另一方的MBOA正迎頭趕上，來自Staccato公司芯片級(jí)的物理層芯片在2004年的第一季度完成，2004年八九月份的時(shí)候，配合TI公司可編程門陣列（FPGA）的媒體存取控制器（MAC）已經(jīng)可以工作。FPGA還不是芯片級(jí)的產(chǎn)品，是在芯片生產(chǎn)之前用來驗(yàn)證和測(cè)試邏輯功能的，這是一個(gè)雙芯片的方案，相比較于DS-UWB的四芯片方案在成本、體積和功耗上占有較大的優(yōu)勢(shì)。
1.2 現(xiàn)狀
2006年1月15日，歷時(shí)4年始終爭(zhēng)執(zhí)不下的UWB標(biāo)準(zhǔn)終于破局。在美國(guó)夏威夷召開的IEEE會(huì)議對(duì)其準(zhǔn)備提交給上級(jí)組織的解散案進(jìn)行了投票表決，結(jié)果得到了約95%的贊成票。IEEE上級(jí)組織對(duì)該解散案進(jìn)行審議，并于今年夏天正式宣布解散。這意味美國(guó)IEEE802委員會(huì)下級(jí)組織、制定無線技術(shù)UWB標(biāo)準(zhǔn)方式的IEEE802.15 TG3a工作小組正式放棄標(biāo)準(zhǔn)制定工作。始于2002年初的UWB標(biāo)準(zhǔn)制定工作，經(jīng)過大約4年的爭(zhēng)論后無果而終。
與此同時(shí)，2006年2月22日，國(guó)際電信聯(lián)盟第一研究組（ITU Study Group 1）已批準(zhǔn)2005年10月召開的頻譜管理會(huì)議上提出來的一系列建議，給予超寬帶（UWB）全球性監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)（global regulatory standard）的地位。該標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)共享頻帶能量裕度損失的計(jì)算方法、對(duì)于發(fā)射頻譜和帶寬的新定義、對(duì)于自由空間多余發(fā)射的限制、測(cè)量射頻噪聲的頻率獨(dú)立方法、UWB傳送測(cè)量、UWB的關(guān)鍵特性、UWB器件對(duì)其他RF（射頻）系統(tǒng)的影響，以及用于推出UWB系統(tǒng)的框架等內(nèi)容。業(yè)界認(rèn)為，該標(biāo)準(zhǔn)的最富價(jià)值且最重要的部分，是長(zhǎng)達(dá)800頁對(duì)UWB基于現(xiàn)有RF系統(tǒng)影響的描述。對(duì)于給出關(guān)于監(jiān)測(cè)方法的精確定義，以及為實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)提供的指導(dǎo)方法等內(nèi)容都非常有用。這意味著開發(fā)UWB應(yīng)用將成為全球業(yè)界競(jìng)相追逐新的技術(shù)熱點(diǎn)。
然而IEEE802.15 TG3a工作小組的解散并不意味著兩種大不相同的UWB標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)減弱了。相反，兩種UWB標(biāo)準(zhǔn)在無線USB市場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)的爭(zhēng)奪上，仍反映了開發(fā)DS-UWB和OFDM版本UWB標(biāo)準(zhǔn)的早期努力。
UWB論壇的Freescale半導(dǎo)體和貝爾金公司（Belkin Corporation）一直致力于推動(dòng)“Cable-Free USB”[3]，他們聲稱該技術(shù)更接近真正的USB2.0擴(kuò)展。Cable-Free USB基于Freescale的專利UWB標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)使得PC可無線地連接到支持USB的大容量?jī)?chǔ)存設(shè)備，并可以與其以最大480 Mbit/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Cable-Free USB的目標(biāo)是使各公司不用為外圍設(shè)備開發(fā)新的USB驅(qū)動(dòng)器，就能實(shí)現(xiàn)無線連接。因此，雖然USB開發(fā)者論壇正設(shè)計(jì)一種需新驅(qū)動(dòng)器和軟件堆棧的新無線USB標(biāo)準(zhǔn)，但飛思卡爾的方案將采用現(xiàn)有的USB 2.0驅(qū)動(dòng)器。目前，在全球范圍內(nèi)。約有7.5億個(gè)系統(tǒng)或外圍設(shè)備安裝的是USB 2.0驅(qū)動(dòng)器，飛思卡爾相信它的許多客戶會(huì)以UWB無線連接使用這些現(xiàn)有的USB 2.0設(shè)備。另外，F(xiàn)reescale仍繼續(xù)努力以使DS-UWB技術(shù)成為IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并且正在開發(fā)一種兼容USB 2.0的UWB版本。該版本稱為wireless zero install。Freescale聲稱Cable Free USB為zero install的無線USB，以強(qiáng)調(diào)其產(chǎn)品無須額外的驅(qū)動(dòng)程序。Cable Free芯片現(xiàn)已上市。產(chǎn)品也于今年6月發(fā)表，但至今尚未出貨，第一批Cable Free USB產(chǎn)品是PC端聯(lián)機(jī)用的“Dongles”以及裝置端聯(lián)機(jī)用的USB集線器。
另一方面，英特爾則帶領(lǐng)著WiMedia聯(lián)盟中的許多公司力推一種Certified Wireless USB。Certified Wireless USB是擁有USB標(biāo)準(zhǔn)的USB開發(fā)者論壇所認(rèn)可的唯一無線USB標(biāo)準(zhǔn)，能在與主機(jī)端距離3 m的范圍內(nèi)，以每秒480 Mbit/s的速度傳輸；而這種速度與高速USB的規(guī)格是完全一樣的。Certified Wireless USB需要特定的驅(qū)動(dòng)軟件，而Microsoft現(xiàn)已提供Alpha版本。Certified Wireless USB也已經(jīng)有芯片展示，但尚未有產(chǎn)品上市。名義上，Certified Wireless USB的目標(biāo)市場(chǎng)是所有的USB裝置，但主要的焦點(diǎn)似乎放在virtual docking stations的部分，可讓筆記本電腦在桌上直接連接至多個(gè)外圍設(shè)備，而不用任何纜線。英國(guó)CSR公司宣布開發(fā)WiMedia/Bluetooth聯(lián)合產(chǎn)品，而美國(guó)力科公司（Lecroy）近日宣布了首批Certified Wireless USB試驗(yàn)產(chǎn)品的出貨。預(yù)計(jì)Certified Wireless USB市場(chǎng)會(huì)在2006年開始發(fā)展，并在2007～2008年間呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)。
2、UWB未來展望
經(jīng)過4年的爭(zhēng)論。UWB標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)最終轉(zhuǎn)向市場(chǎng)。是DS-UWB保持領(lǐng)先并最終勝出，還是MB-OFDM后來居上，從目前的形勢(shì)來看，MB-OFDM方案似乎占據(jù)了上風(fēng)。但是，無論哪種方案最終被采用，超寬帶畢竟帶來了一種全新的通信理念，對(duì)無線頻譜資源的利用將從窄帶有牌照分配轉(zhuǎn)向?qū)拵o牌照共享方式。由此帶來的安全問題、相互干擾問題，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多址接入機(jī)制的重新考慮，將會(huì)產(chǎn)生出許多新的研究課題。
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