UWB標準之爭

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雷達系統(tǒng)。1989年前，超寬帶信號主要是通過發(fā)射極短脈沖獲得，這種技術(shù)廣泛用于雷達領(lǐng)域并使用脈沖無線電（IR）這個術(shù)語，屬于無載波技術(shù)。1989年美國國防部（DARPA）首次使用超寬帶這個術(shù)語，并規(guī)定若一個信號在-20 dB處的絕對帶寬大于1.5 GHz或相對帶寬大于25%，則這個信號就是超寬帶信號。2002年FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個信號在- 10dB處的絕對帶寬大于0.5 GHz或相對帶寬大于20%，則這個信號就是超寬帶信號[1]。

　　1、UWB的標準之爭

　　從本質(zhì)上看，UWB是發(fā)射和接收超短（ns-ps級）電磁能量脈沖，并以此進行數(shù)據(jù)傳送的無線技術(shù)。UWB自2002年2月14日FCC批準民用以來，已經(jīng)得到了快速地發(fā)展。但它也正在面臨著標準制定的挑戰(zhàn)。目前在UWB技術(shù)領(lǐng)域存在著兩方對立陣營，即Intel、TI等倡導的MBOA（多頻段 OFDM聯(lián)盟）和Freescale等倡導的UWB論壇（利用DS-CDMA技術(shù)）。而原定2005年上半年完成的UWB標準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，無線個域網(wǎng)）應(yīng)用的IEEE 802.15.3標準制定出高速物理層補充標準IEEE 802.15.3a，UWB的標準化進程由此開始。工作組在標準提案征求書中提出的系統(tǒng)指標是：[2，3]。

　　1）使用FCC開放的3.1 GHz-10.6 GHz頻段，發(fā)送信號的功率譜密度低于-41.3 dBm/MHz。

　　2）目標速率：

　　10 m距離上實現(xiàn)110 Mbit/s；

　　4 m距離上實現(xiàn)200Mbit/s；

　　1 m距離上實現(xiàn)480 Mbit/s。

　　3）支持4個不同步的微微網(wǎng)同時工作。

　　2003年3月，SG3a（802.15.3a研究組）如期收到23個提案。經(jīng)過協(xié)商討論，在2003年7月的會議上。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用（OFDM）方案。前一方案的倡導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 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500-600 MHz左右的子頻帶，在每個子頻帶上采用OFDM技術(shù)實現(xiàn)寬帶無線通信的方案。出于商業(yè)利益的爭奪，兩種方案的競爭異常激烈，在2003年7月、9月和 11月會議上進行的投票中，任何一方都沒有得到75%的贊成票，只能留待下一次會議加以解決。

　　為獲得更多的支持票，兩大陣營一直都在積極采取各種行動。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標準制定工作一再拖延，MBOA決定成立特別工作組，不再等待IEEE的最后結(jié)論，計劃在2004年5月發(fā)布MBOA規(guī)則Release 1.0，并開始進行基于該規(guī)則的設(shè)備開發(fā)，計劃在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提供與標準相關(guān)的UWB專利。摩托羅拉作為這一陣營的堅定支持者，在2003年11月宣布收購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)上無法實現(xiàn)，所以被MBOA、IEEE和無線USB（Universal Serial Bus）協(xié)會拒絕。 

　　從產(chǎn)品上來講，DS-UWB在開始的時候走在了前面。它的樣品在2004年初的時候已經(jīng)在拉斯維加斯的消費電子展上展出，但之后的進展比較緩慢，當時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會出現(xiàn)花屏等。而另一方的MBOA正迎頭趕上，來自 Staccato公司芯片級的物理層芯片在2004年的第一季度完成，2004年八九月份的時候，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還不是芯片級的產(chǎn)品，是在芯片生產(chǎn)之前用來驗證和測試邏輯功能的，這是一個雙芯片的方案，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。

　　1.2　現(xiàn)狀

　　2006年1月15日，歷時4年始終爭執(zhí)不下的UWB標準終于破局。在美國夏威夷召開的IEEE會議對其準備提交給上級組織的解散案進行了投票表決，結(jié)果得到了約95%的贊成票。IEEE上級組織對該解散案進行審議，并于今年夏天正式宣布解散。這意味美  
國IEEE802委員會下級組織、制定無線技術(shù)UWB標準方式的IEEE802.15 TG3a工作小組正式放棄標準制定工作。始于2002年初的UWB標準制定工作，經(jīng)過大約4年的爭論后無果而終。

　　與此同時，2006年2月22日，國際電信聯(lián)盟第一研究組（ITU Study Group 1）已批準2005年10月召開的頻譜管理會議上提出來的一系列建議，給予超寬帶（UWB）全球性監(jiān)管標準準（global regulatory standard）的地位。該標準包括對共享頻帶能量裕度損失的計算方法、對于發(fā)射頻譜和帶寬的新定義、對于自由空間多余發(fā)射的限制、測量射頻噪聲的頻率獨立方法、UWB傳送測量、UWB的關(guān)鍵特性、UWB器件對其他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)界認為，該標準的最富價值且最重要的部分，是長達800頁對UWB基于現(xiàn)有RF系統(tǒng)影響的描述。對于給出關(guān)于監(jiān)測方法的精確定義，以及為實現(xiàn)實際系統(tǒng)提供的指導方法等內(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)界競相追逐新的技術(shù)熱點。

　　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標準之間的競爭減弱了。相反，兩種UWB標準在無線USB市場主導權(quán)的爭奪上，仍反映了開發(fā)DS-UWB和OFDM版本UWB標準的早期努力。

　　UWB論壇的Freescale半導體和貝爾金公司（Belkin Corporation）一直致力于推動“Cable-Free USB”[3]，他們聲稱該技術(shù)更接近真正的USB2.0擴展。Cable-Free USB基于Freescale的專利UWB標準，該技術(shù)使得PC可無線地連接到支持USB的大容量儲存設(shè)備，并可以與其以最大480 Mbit/s的速率進行數(shù)據(jù)交換。Cable-Free USB的目標是使各公司不用為外圍設(shè)備開發(fā)新的USB驅(qū)動器，就能實現(xiàn)無線連接。因此，雖然USB開發(fā)者論壇正設(shè)計一種需新驅(qū)動器和軟件堆棧的新無線 USB標準，但飛思卡爾的方案將采用現(xiàn)有的USB 2.0驅(qū)動器。目前，在全球范圍內(nèi)。約有7.5億個系統(tǒng)或外圍設(shè)備安裝的是USB 2.0驅(qū)動器，飛思卡爾相信它的許多客戶會以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的一個標準，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，以強調(diào)其產(chǎn)品無須額外的驅(qū)動程序。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)機用的“Dongles”以及裝置端聯(lián)機用的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標準的USB開發(fā)者論壇所認可的唯一無線USB標準，能在與主機端距離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的目標市場是所有的USB裝置，但主要的焦點似乎放在virtual docking stations的部分，可讓筆記本電腦在桌上直接連接至多個外圍設(shè)備，而不用任何纜線。英國CSR公司宣布開發(fā)WiMedia/Bluetooth聯(lián)合產(chǎn)品，而美國力科公司（Lecroy）近日宣布了首批Certified Wireless USB試驗產(chǎn)品的出貨。預(yù)計Certified Wireless USB市場會在2006年開始發(fā)展，并在2007～2008年間呈現(xiàn)顯著的增長。 

　　2、UWB未來展望

　　經(jīng)過4年的爭論。UWB標準之爭的戰(zhàn)場最終轉(zhuǎn)向市場。是DS-UWB保持領(lǐng)先并最終勝出，還是MB-OFDM后來居上，從目前的形勢來看，MB -OFDM方案似乎占據(jù)了上風。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，以及對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多址接入機制的重新考慮，將會產(chǎn)生出許多新的研究課題。