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UWB通信技术发展趋势(转)

已有 2517 次阅读  2010-09-08 17:43   标签UWB  技术发展  通信  趋势 

1、超宽带技术基础

  2002年2月14日美国联邦通信委员会(FCC)通过了将3.1~10.6 GHz之间的频带分配给民用的法规,从而拉开了企业界和研发机构竞相研发超宽带(UWB)的序幕。按照FCC定义,只要信号在-10 dB处的绝对带宽大于0.5 GHz或相对带宽大于20%,并且中心频率大于500 MHz,那么这种信号就是UWB信号。UWB直接对陡峭的时间脉冲进行调制,使信号具有吉赫兹级的带宽;因为时间脉冲持续的很短(大约10~100 ps),大大降低了发射信号所需的功率,所以UWB信号具有很低的功率谱密度。

  UWB通过发射非常短的时间脉冲来传送数据,这使得它具有功率低、传输速率高、系统容量大、不易产生干扰、隐蔽性好、精确定位、设备简单、成本低等优点。不足之处是,由于UWB使用很宽的带宽与很多其他的无线通信系统频段重叠,虽然理论上系统的发射功率很低,不会产生严重的干扰,但是,在实际应用中还需要验证系统的兼容性问题。

  产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB技术的前提条件,目前产生窄脉冲信号有两类方法:光电法和电子法。光电法的基本原理是利用光导开关的瞬间导通特性来获得具有陡峭上升沿的脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒量级。电子法则利用了微波双极性晶体管雪崩特性,使晶体管在雪崩导通瞬间电流迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。实际UWB通信中脉冲多采用单周期高斯函数,典型单周期高斯函数的宽度在0.1~1.5 ns,重复周期为25~1000 ns,具有很宽的频谱。实际通信时还要利用数据信息和伪随机码对窄脉冲序列进行编码调制,改变脉冲的时间间隔,从而改善由脉冲周期重复引起的频谱尖峰,使信号满足UWB要求。

  调制技术是UWB系统的核心技术之一,UWB通信常用一组脉冲序列表示一位二进制信息,调制分为组内调制和组间调制。组内调制称为扩谱,组间调制称为信息调制。组内一般选择PPM和BPM,分别叫做跳时扩谱(DH-SS)和直接序列扩谱(DS-SS)。组间可以选择PPM、BPM、PAM,这样就有DH-SS_PPM、DS-SS_PPM、DH-SS_PAM、DS-SS_PAM、DH-SS_BPM、DS-SS_BPM等几种调制方式。目前较成熟并常用的调制方式主要有跳时脉冲位置调制(TH-PPM)、跳时脉冲幅度调制(TH-PAM)和直接序列扩频(DS-UWB)调制。

  多址技术研究的目的是如何合理分配和利用给定的频谱资源来获得最大系统容量、提高频谱利用率,如何选择信号结构来实现多用户传输而使多址干扰最小、结构最简单。在UWB系统中多址接入方式与调制方式有密切联系,若系统采用PPM调制,多采用跳时多址(THMA)实现多用户接入。THMA利用伪随机码和时间来标志用户,资源分配由时间和码结合产生,因此TH-PPM既属于时分多址又属于码分多址;同样,在DS-UWB系统中每个用户被分配一个不同的码字,发送的信息比特经过伪随机码扩频后再由BPSK调制,用户信道资源仅靠码字来区分,因此DS-UWB的多址接入方式为码分多址(CDMA),或写作DS-CDMA。UWB经过不断的发展,有的学者把混沌理论应用到UWB多址接入领域,从而形成了许多新的多址接入方式。目前常见的多址形式主要有:跳时脉冲位置调制(TH-PPM)、直接序列扩频(DS-UWB)调制、伪混沌跳时(PCTH)调制、混沌序列扩频(CSSS)调制、DS-BPSK/TH混合多址、DS-BPSK/Fixed TH混合多址、正交波形波分多址等。

2、最新发展

  UWB技术的两大主导力量Wi-Media(MB-OFDM)和DS-UWB经历了多年的较量和努力一直无法彼此妥协,2006年IEEE 802.15.3a工作组被迫解散致使UWB标准制定工作经历大约4年的争论后无果而终。此前,WiMedia联盟为推进MB-OFDM方案成为统一的国际行业标准于2005年开始与ECMA/ISO展开合作,于2006年6月推出ECMA-368标准定义分散式系统的PHY和MAC层,同时又提出规定MAC-PHY接口的ECMA-369标准供ISO讨论。随后WiMedia标准被WUSB有关组织、W1394有关组织和蓝牙特别兴趣组等采纳,具备了广泛应用和融入市场的有利条件。在2006年全球WiMedia(超宽带)高峰会议上,WiMedia成员公司也带来了他们取得的最新成果,展示了一些基于WiMedia超宽带通用无线电平台的产品,并现场演示了各种超宽带设备之间的互联互通性能,包括USB HUB监控器、高清晰电视(HDTV)、流媒体、文档打印、TV传送、磁盘备份、数码文件下载、MP3传输等。日本YEDATA公司于2006年9月宣布成功开发出UWB产品Wireless-HUB,该Wireless-HUB配备了UWB无线通信模块、4个USB接口和具备UWB无线功能的USB Dongle(加密狗)。根据YEDATA的试验结果,在没有障碍物的情况下,10 m以内数据传输速度接近100 Mbit/s。Pulse~LINK也在2007年一季度交付了用同轴电缆同时支持1394和以太网的Cwave MAC层芯片PL3130。PL3130集成了基带和MAC层,在同轴电缆和无线网络上同时支持1394、HDMI和以太网协议。2007年英特尔信息技术峰会(IDF)期间,USB实施者论坛(USB-IF)在北京宣布,英特尔、NEC和Alereon三家公司的四款芯片通过了USB-IF针对WUSB(Certified Wireless USB,认证无线USB)技术的规范和认证测试,正式成为能够用于开发WUSB终端产品的构建模块。随着首批芯片通过了USB-IF认证测试,无线USB终于从标准和认证测试阶段,跨入了产品上市阶段。预计到2008年,直接嵌入WUSB终端的数码相机、MP3播放器、媒体播放器和手机等将大量上市;2009年WUWB市场进入爆发期,大容量外设和消费类电子产品将大量采用UWB技术。

  在MB-OFDM和DS-UWB两种体制之外,由Pulse~LINK主持的UWB Forum也推出了自己基于CWave体制产品。CWave技术采用窄带载波的BPSK调制解调,而发射采用的UWB,原始数据传输速率可达1.35 Gbit/s,其演示系统具有比MB-OFDM和DS-UWB更好的传输性能。Pulse~LINK宣称CWave技术独立于传输介质,可用同轴电缆、电力线和无线传输超宽带信号,并可用作室内传输多媒体内容的一个公用平台。

  目前,WiMedia、DS-UWB和CWave三种体制产品以WiMedia实力最强,但各有所长,在市场上的激烈竞争势在必行,犹如三国鼎立。据权威机构预测,UWB芯片市场年增长率将超过400%,到2011年出货量会接近3亿组,UWB相关产业即将进入腾飞阶段,各国都在加紧进行UWB产品的测试评估,争取用最短的时间确定UWB频谱规范。

3、发展趋势

  2002年至今,仅仅5年的时间,UWB技术和它带动的通信市场发生了惊天动地的变化,到今天市场的走向初见明朗,一些产品已经逐渐占据了市场。现在看来,在未来的几年里,UWB技术和产品市场将会呈现5个特点。

  第一,在国际各大公司、科研机构工作人员的不懈努力下,有关UWB的核心技术,如调制与解调、天线、检测、同步、伪随机序列生成、脉冲合成等将会逐渐得到改进,UWB将会朝着更高速率、更低功耗、设备更加易实现、更加贴近人们生活需求的方向发展。同时,因为除了美国完全开放低频和高频以外,欧洲、韩国、日本和中国等国家和地区对低频都有很严格的限制,但在高频上限制比较少,支持高频将变得非常重要,各大厂商都非常重视高频并朝高频方向努力。

  第二,UWB技术的出现会使目前的近距离无线通信领域技术格局重新整合,可以用8个字来概括,那就是融合、取代、各有定位。首先是蓝牙与UWB的“融合”。考虑到UWB高速、低功耗的特点,下一代Bluetooth 3.0标准中将会融合UWB技术。蓝牙技术联盟日前宣布,将在新一代蓝牙技术中融合超宽带无线技术,以解决目前蓝牙成本高、传输慢,应用范围窄等技术和市场瓶颈。较之目前传输速率仅为3 Mbit/s的蓝牙技术,加入了新技术的新版蓝牙,不仅能够满足各种通信终端大量的音乐、图像传输的需要,更实现了手机与PC、数码相机等之间的无线传输。UWB与蓝牙的结合,将为支持UWB的硬件产品与目前蓝牙重点支持的通信产品之间提供更为广泛的对接途径,基于新一代蓝牙技术的产品将于2007年末投放市场,在2008年开始大量普及。其次是基于UWB的无线产品取代当前的短距离线缆连接。UWB最初的用意就是应用在WPAN中,实现家庭、办公室等小范围的无线网络互连。目前市场上涌现了大量的无线产品(如无线USB),很快基于UWB的更多无线产品会相继推出,如无线1394、WiNet和Bluetooth 3.0等。不过,无线传输技术目前仅应用在数据传输领域,当手机、数码相机、笔记本电脑等设备通过USB端口充电时,依旧需要有线的支持。因此,可以预见今后无线USB的总体市场份额会超过有线USB,这是无线取代有线的一面,另一面则需要有线来实现,两者将长期共存,至少现在还没有出现消费电子的无线充电设备。最后是各有定位,UWB技术的传输速率尽管可以达到吉比特级,但在UWB发射功率受限的情况下,UWB只能用于10 m以内的高速数据通信,而10~100 m或更远距离的无线通信就要依靠其他方式来完成。比如要组建学校或企业等稍大范围的局域网络时,802.11是理想的选择。因此,现有的无线技术,不会因为UWB的出现就成为历史,而是在新技术的冲击和对比中被重新定位和延伸。

  第三,UWB产品最终会芯片化,并嵌入到笔记本电脑、数码相机、打印机、智能手机等终端上。UWB技术的应用横跨PC、CE和Mobile三大领域,随着UWB技术的成熟,UWB产品市场将逐渐由最初的面向PC及外设市场向手机等家庭消费电子市场转变,实现个人电脑和家电设备之间的UWB互联。比如,美国Staccato Communications公司和它的运营商伙伴韩国SK Telecom正在利用UWB开发个人局域网。双方表示,它们正在合作实施一项手机UWB解决方案,该方案可以同时用于蓝牙、高带宽UWB和多点WiNet服务。SK Telecom将采用Staccato提供的基于ARM9的UWB芯片组,以及Staccato的协议无关(Protocol-Independent)内核来实施UWB解决方案。

  第四,各国的UWB法规逐渐完善,为国际间技术融合提供了前提。由于美国首先制订了UWB监管的规则,所以当前市面上各大公司UWB产品仅适应于美国标准。随着其他国家主管部门对UWB监管政策的完善,将会出现适合具体国家政策的区域UWB标准,这些标准既考虑了当地政府的监管政策,又为UWB设备的国际互联提供足够空间。那时,如果能在这些区域UWB标准中寻求到交集,UWB国际统一标准的出炉也就不远了,而这也将大大推动UWB技术向前发展。

  第五,二三年后,UWB市场重新整合,部分初创公司将被收购。目前,在UWB芯片市场主要有6家初创公司,分别是Staccato、Wisair、Alereon、WiQuest、Artimi和Tzero。它们最初的产品以PHY芯片为主,2006年大多推出了自己的MAC芯片,形成PHY/MAC的完整芯片组解决方案,其中Stac cato已经推出PHY+MAC的单芯片方案。而NXP、NEC和英特尔等大牌厂商则只提供MAC芯片而没有PHY芯片。瑞昱公司目前也凭借自己生产的集成PHY芯片,搭配NXP、NEC和英特尔等公司的MAC芯片形成了完整的解决方案。随着2007年UWB产品市场的起飞,供应商将出现整合,到年底,6家初创公司中的2~3家将被并购。到2008年底,将会有一家初创公司脱颖而出,成为主导厂商,其他初创公司都将可能被并购。大厂商将通过并购初创公司获得PHY芯片,少数几家大厂商将最终有完整的MAC和PHY解决方案,并开始获得一些市场份额。不过,市场不会出现某个厂商一统江湖的局面,就好像英特尔和AMD的竞争。随着UWB市场的垂直化和细分化,没有任何一个厂商的产品可以满足所有需求,不同公司会偏重于不同的领域,如PC、固定消费电子设备、便携设备和手机等,而原来垂直领域的大型芯片厂商,很可能会通过收购等手段,进入UWB芯片市场,巩固其原有地位。

4、结束语

  UWB可以在短距离内实现视频、音频和宽带数据流的高速传输,是数字家庭无线组网和其他小范围内无线替代有线连接的首选技术。在信息技术飞速发展的今天,UWB必定会以其高速、安全、低成本等诸多优点吸引越来越多研究者的注意,发展潜力及市场空间不可估量。我国的高校、科研机构和电子通信技术企业从2001年开始跟踪UWB技术,至今获得了诸多成果和专利。但是,必须承认国内对于UWB的研究多处在测试仿真和学习阶段,缺乏原创性的核心技术,这对我国这样一个消费大国来说是很不利的,因此我们必须花大力气在这些高新技术研究上,提高国家科技竞争实力。着眼于未来,UWB芯片将是使用量极大的常用芯片,必将广泛应用于计算机、消费电子和移动终端等便携设备,完全靠进口是不可想象的。因此,我国应该及早参考和借鉴国外研究成果,制定适合我国国情的标准法规,最终实现自主研发、本土生产。
 

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