UWB标准之争

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         UWB（ultra wideband）是最新的宽带无线通信技术之一，可以实现数字家庭和办公室中设备间的可移动的高速连接，以方便传送视频、音频和其他宽带数据流。UWB 作为后3G时代的前沿无线技术，有着巨大的发展潜力和广阔的市场应用前景。正因为如此，UWB的标准之争从其概念提出之时就非常激烈。从两种UWB标准理论上的差别开始，讨论了两种标准各自的发展过程以及争论的焦点，分析了两种标准目前的市场发展状况，最后对两种标准的未来进行了展望。
　　0、引言
　　超宽带无线电（Ultra wideband radio）是在辐射波形的基础上定义的，最常见的关于“超宽带（UWB）”的定义来源于UWB雷达系统。1989年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电（IR）这个术语，属于无载波技术。1989年美国国防部（DARPA）首次使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在-20 dB处的绝对带宽大于1.5 GHz或相对带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号。2002年FCC（美国联邦通信委员会）颁布了UWB的频谱规划，并规定只要一个信号在- 10dB处 的绝对带宽大于0.5 GHz或相对带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号[1]。
　　1、UWB的标准之争
　　从本质上看，UWB是发射和接收超短（ns-ps级）电磁能量脉冲，并以此进行数据传送的无线技术。UWB自2002年2月14日FCC批准民用以来，已经得到了快速地发展。但它也正在面临着标准制定的挑战。目前在UWB技术领域存在着两方对立阵营，即Intel、TI等倡导的MBOA（多频段 OFDM联盟）和Freescale等倡导的UWB论坛（利用DS-CDMA技术）。而原定2005年上半年完成的UWB标准的制定工作也因此停滞不前。
　　1.1　历史
　　2002年1月，IEEE 802.15.3 SG3a工作组成立，旨在为面向WPAN（wireless personal area network，无线个域网）应用的IEEE 802.15.3标准制定出高速物理层补充标准IEEE 802.15.3a，UWB的标准化进程由此开始。工作组在标准提案征求书中提出的系统指标是：[2，3]。
　　1）使用FCC开放的3.1 GHz-10.6 GHz频段，发送信号的功率谱密度低于-41.3 dBm/MHz。
　　2）目标速率：
　　10 m距离上实现110 Mbit/s；
　　4 m距离上实现200Mbit/s；
　　1 m距离上实现480 Mbit/s。
　　3）支持4个不同步的微微网同时工作。
　　2003年3月，SG3a（802.15.3a研究组）如期收到23个提案。经过协商讨论，在2003年7月的会议上。这些提案最终融合成了两大方案，即传统的脉冲无线电方案和多频带正交频分复用（OFDM）方案。前一方案的倡导者多是早期投身超宽带无线通信研究与开发的中小公司，以美国 MSSI、Xtreme Spectrum公司等为代表，它们拥有大量脉冲无线电方面的发明专利，在UWB的应用开发进程中已先行一步。一些传统的通信大公司显然不愿意受到这些专利的制约，于是另起炉灶，完全摒弃了无载波窄脉冲的思想，又回到传统的窄带通信技术上，提出将可用的7.5 GHz频段划分成十几个500-600 MHz左右的子频带，在每个子频带上采用OFDM技术实现宽带无线通信的方案。出于商业利益的争夺，两种方案的竞争异常激烈，在2003年7月、9月和 11月会议上进行的投票中，任何一方都没有得到75%的赞成票，只能留待下一次会议加以解决。
　　为获得更多的支持票，两大阵营一直都在积极采取各种行动。2003年7月，以Intel和TI为首的多频带OFDM联盟（MBOA）正式成立，有50多家企业加入，包括Alereon、微软、Intel、惠普、诺基亚、索尼等厂商。鉴于IEEE标准制定工作一再拖延，MBOA决定成立特别工作组，不再等待IEEE的最后结论，计划在2004年5月发布MBOA规则Release 1.0，并开始进行基于该规则的设备开发，计划在2004年第4季度和2005年第1季度分别提供芯片样品和集成模块。另一阵营得到了UWB论坛的支持， UWB论坛包括Freescale、摩托罗拉等厂商。为打破僵局，一些公司已表示将免费提供与标准相关的UWB专利。摩托罗拉作为这一阵营的坚定支持者，在2003年11月宣布收购Xtreme Spectrum公司，使源于Xtreme Spectrum的UWB开发工作得到Freescale的软件和芯片制造工程资源。

         从技术上来讲，MBOA和DS-UWB（直接序列超宽带）是无法彼此妥协的，DS-UWB曾提出一个通用信令模式，希望与MBOA兼容。但这种模式显然在技术上无法实现，所以被MBOA、IEEE和无线USB（Universal Serial Bus）协会拒绝。
　　从产品上来讲，DS-UWB在开始的时候走在了前面。它的样品在2004年初的时候已经在拉斯维加斯的消费电子展上展出，但之后的进展比较缓慢，当时存在的问题今天依然存在，例如功耗很大、需要两根天线分别收发、在天线与接收器中间有阻挡时会出现花屏等。而另一方的MBOA正迎头赶上，来自 Staccato公司芯片级的物理层芯片在2004年的第一季度完成，2004年八九月份的时候，配合TI公司可编程门阵列（FPGA）的媒体存取控制器（MAC）已经可以工作。FPGA还不是芯片级的产品，是在芯片生产之前用来验证和测试逻辑功能的，这是一个双芯片的方案，相比较于DS-UWB的四芯片方案在成本、体积和功耗上占有较大的优势。
　　1.2　现状
　　2006年1月15日，历时4年始终争执不下的UWB标准终于破局。在美国夏威夷召开的IEEE会议对其准备提交给上级组织的解散案进行了投票表决，结果得到了约95%的赞成票。IEEE上级组织对该解散案进行审议，并于今年夏天正式宣布解散。这意味美 国IEEE802委员会下级组织、制定无线技术UWB标准方式的IEEE802.15 TG3a工作小组正式放弃标准制定工作。始于2002年初的UWB标准制定工作，经过大约4年的争论后无果而终。
　　与此同时，2006年2月22日，国际电信联盟第一研究组（ITU Study Group 1）已批准2005年10月召开的频谱管理会议上提出来的一系列建议，给予超宽带（UWB）全球性监管标准准（global regulatory standard）的地位。该标准包括对共享频带能量裕度损失的计算方法、对于发射频谱和带宽的新定义、对于自由空间多余发射的限制、测量射频噪声的频率独立方法、UWB传送测量、UWB的关键特性、UWB器件对其他RF（射频）系统的影响，以及用于推出UWB系统的框架等内容。业界认为，该标准的最富价值且最重要的部分，是长达800页对UWB基于现有RF系统影响的描述。对于给出关于监测方法的精确定义，以及为实现实际系统提供的指导方法等内容都非常有用。这意味着开发UWB应用将成为全球业界竞相追逐新的技术热点。
　　然而IEEE802.15 TG3a工作小组的解散并不意味着两种大不相同的UWB标准之间的竞争减弱了。相反，两种UWB标准在无线USB市场主导权的争夺上，仍反映了开发DS-UWB和OFDM版本UWB标准的早期努力。
　　UWB论坛的Freescale半导体和贝尔金公司（Belkin Corporation）一直致力于推动“Cable-Free USB”[3]，他们声称该技术更接近真正的USB2.0扩展。Cable-Free USB基于Freescale的专利UWB标准，该技术使得PC可无线地连接到支持USB的大容量储存设备，并可以与其以最大480 Mbit/s的速率进行数据交换。Cable-Free USB的目标是使各公司不用为外围设备开发新的USB驱动器，就能实现无线连接。因此，虽然USB开发者论坛正设计一种需新驱动器和软件堆栈的新无线 USB标准，但飞思卡尔的方案将采用现有的USB 2.0驱动器。目前，在全球范围内。约有7.5亿个系统或外围设备安装的是USB 2.0驱动器，飞思卡尔相信它的许多客户会以UWB无线连接使用这些现有的USB 2.0设备。另外，Freescale仍继续努力以使DS-UWB技术成为IEEE的一个标准，并且正在开发一种兼容USB 2.0的UWB版本。该版本称为wireless zero install。Freescale声称Cable Free USB为zero install的无线USB，以强调其产品无须额外的驱动程序。Cable Free芯片现已上市。产品也于今年6月发表，但至今尚未出货，第一批Cable Free USB产品是PC端联机用的“Dongles”以及装置端联机用的USB集线器。

        另一方面，英特尔则带领着WiMedia联盟中的许多公司力推一种Certified Wireless USB。Certified Wireless USB是拥有USB标准的USB开发者论坛所认可的唯一无线USB标准，能在与主机端距离3 m的范围内，以每秒480 Mbit/s的速度传输；而这种速度与高速USB的规格是完全一样的。Certified Wireless USB需要特定的驱动软件，而Microsoft现已提供Alpha版本。Certified Wireless USB也已经有芯片展示，但尚未有产品上市。名义上，Certified Wireless USB的目标市场是所有的USB装置，但主要的焦点似乎放在virtual docking stations的部分，可让笔记本电脑在桌上直接连接至多个外围设备，而不用任何缆线。英国CSR公司宣布开发WiMedia/Bluetooth联合产品，而美国力科公司（Lecroy）近日宣布了首批Certified Wireless USB试验产品的出货。预计Certified Wireless USB市场会在2006年开始发展，并在2007～2008年间呈现显著的增长。
　　2、UWB未来展望
　　经过4年的争论。UWB标准之争的战场最终转向市场。是DS-UWB保持领先并最终胜出，还是MB-OFDM后来居上，从目前的形势来看，MB -OFDM方案似乎占据了上风。但是，无论哪种方案最终被采用，超宽带毕竟带来了一种全新的通信理念，对无线频谱资源的利用将从窄带有牌照分配转向宽带无牌照共享方式。由此带来的安全问题、相互干扰问题，以及对网络结构和多址接入机制的重新考虑，将会产生出许多新的研究课题。
　　参考文献：
　　[1]　贝尼迪特，吉安卡拉，葛利嘉.超宽带无线电基础[M].北京：电子工业出版社，2005.
　　[2]　刘丹谱.超宽带无线通信技术[J].中 兴通信技术，2004，14（3）：16-19.
　　[3]　SIWIAK Kazimierz.Ultra-wide band radio：Introducing a new echnology[C]／IEEE.Vehicular Technology Conference.[S.1.]：IEEE，2001，5（2）：1088-1093.
　　[4]　SIWIAK Kazimierz，MCKEOWN Debra.超宽带无线电技术[M].张中兆，沙学军译，张乃通审校.北京：电子工业出版社，2005.
　　[5]　王金龙.无线超宽带（UWB）通信原理与应用[M].北京：人民邮电出版社.2005.

　　作者：张磊　马昌军　周小林　程绍刚