Intel白皮书：UWB技术，实现高速无线个人局域网

　　综述：

　　无线连接为用户新的移动生活方式注入了便捷。消费者马上就会对这种电子家庭的便捷产生巨大需求，他们的个人电脑、数码录像机、MP3播放器、数码可携式摄像机、数码相机，高清晰电视（HDTV）、机顶盒（STB）、游戏系统、掌上电脑、手机等都可以通过无线家庭个人域网（WPAN）相互连接。但今天的无线局域网和无线个域网技术不能满足未来大量消费电子设备对于高带宽的需求。这就需要新的技术去满足高速WPANS的需求。

　　超带宽（UWB）技术能够为下一代消费电子设备的带宽、成本、耗能和物理需求提供一个解决方案。这种新技术能够提供高带宽使多功能数码摄像和音响贯穿家庭成为现实。在行业团体的支持下，比如USB协会，技术领头人，比如INTEL，UWB技术将努力使家居生活高速WPANS连接变得轻松，成为现实。

　　UWB（Ultra-Wideband）超宽带，一开始是使用脉冲无线电技术，此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等UWB公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案，由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出终的标准方案，于是将其交由市场解决。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频 （RF） 的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

　　为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法 （Intriguing Signaling Method）。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

　　介绍：

　　手机和家用PC的无线技术所带来的移动生活方式使人们对于其他设备的无线需求越来越大。消费者们正在享受着无线连接的便捷。许多数字家庭所采用的技术，比如数码摄像，音频流都需要高带宽连接。为PCs无线连接所开发的其他无线网络技术比如Wi-Fi和蓝牙，和高宽带使用模式相比都不够太优化。虽然Wi-Fi的数据传输率可以达到54Mbps，但这个技术在消费电子环境中还有局限性，包括耗能和带宽。当在短范围网络中或WPAN连接消费电子设备，这时的无线技术需要支持高数据流，耗能低，低成本，适合超小包装，比如PDA或手机。新UWB无线技术和UWB应用的硅片开发将提供的解决方案。

　　此文件描述了在数字家庭WPANs中使用UWB技术和潜在的UWB技术应用。

　　UWB：

　　新的数字家庭环境有许多不同的消费电子设备、移动设备、个人计算机设备组成， 能够支持多样化应用。这些设备可以归纳为三大类（表1）：

　　－PC和网络

　　－消费电子和无线播放系统

　　－移动和手持设备

　　下一代PC，消费电子和移动应用对连接速度提出更高的需求，要远远高于蓝牙技术的1Mbps，而今天这种技术应用于许多WPANs设备当中。但许多消费电子设备不能支持Wi-Fi网络高速802.11a/b/g所需要的成本和耗电量。

　　虽然Wi-Fi技术比蓝牙要快很多，但它仍然不能有效地传输多线程并发高质量视频流。UWB技术能够提供下一代整合设备所需要的输入输出量，再加上WiMedia 联盟的支持，能够在各种协议之间如IEEE 1394, USB, UPnP确保交互性，使得UWB成为打造高速、低成本、低能量的WPANs的宽泛解决方案。

　　UWB技术：

　　UWB和其它传统的窄带射频（RF）和展布频谱技术（SS），如蓝牙、802.11a/b/g的区别非常大。UWB使用RF频谱超宽的带宽传递数据（如图2）。UWB和传统的技术相比在一定的时间内能够传递更多的数据。

　　RF链接上潜在的数据传输率和通道带宽和信噪比的函数（香农定律）成正比。RF设计工程师对带宽的参数无法控制，因为这是由FCC所规定的。蓝牙技术、802.11a/b/gWi-Fi、无绳电话和许多其他设备都被归为无执照频谱，能提供900MHz, 2.4GHz, 5.1GHz。每一个信道被限制仅能占用很窄的波段。

　　UWB的频谱是近刚刚合法化。UWB可使用频率从3.1GHz 到10.6GHz的频谱。每个信道可以有多于500MHz的带宽，这取决于它的中心频率。FCC为这种大宽带的发放提出了严格的无线能量约束。这样，UWB设备在使用大频率带宽时所释放的能量不会被附近其他窄带宽所察觉，比如802.11a/b/g。这种频谱共享使得设备可以达到非常大的输入输出量，但距离必须很接近。

　　UWB的低能量消耗也使得开发UWB成本节约的CMOS成为可能。在有限的范围内低功耗、低成本、高数据传输率，UWB凭借着这些特色已经开始正式进军高速WPAN市场。

　　UWB技术也允许频谱再使用。一套近距离的设备组合（比如一套家居娱乐系统）可以和在另外一间屋子的另外一套设备（比如卧室的游戏系统）在相同的通道上交流。基于UWB的WPANS的范围非常短，附近在相同通道的设备不会相互干扰。然而802.11g WLAN的解决方案在一个单一的设备组合中，很快地就用完了数据带宽，这样家居中的声音通道就不能重新使用。因为UWB技术的范围有限，802.11WLAN解决方案对WPAN是的补足，在家居组合设备之间可以作为一个数据传输的中枢。

　　UWB应用：

　　UWB技术适用于各种WPAN应用当中。包括：

　　－在可携式多媒体消费电子设备如可携式摄像机和数码相机和MP3播放器之间，将电缆替换成无线连接。

　　－使PC机和PC外接之间实现高速无线USB连接，包括打印机、扫描仪和外部储存设备。

　　－替换下一代蓝牙技术设备如3G手机，基于IP/UPnP和下一代IP的PC/CE/移动设备的有线连接。

　　－建立CE, PC和移动设备之间的ad-hoc（点对点） 高位速率无线连接。

　　无线PC外接设备连接：

　　如今的有线USB已经拥有一定的市场份额，PC平台的接线式相互连接，如（图3）所示。但接线连接不是很便捷，而蓝牙技术也仅仅从一定程度上解决了问题，仍然有局限性。有UWB技术的无线USB将向希望使用无线USB的用户提供解决方案。UWB将能够在PC外接设备连接市场中占有巨大份额。无线USB工作组将会为此制定标准，通过提供10米范围内，速度超过480Mbps（相当于有线USB2.0）。

　　CE设备的无线多媒体连接：

　　声音和图像的CE设备的无线多媒体连接和PC外接设备紧密相关。与PC和外接设备的受益相同，无线的便捷使用和数据传输能力是主要的优势。娱乐组合设备的种类是很广泛的，如（图4）所示：DVD, HDTV, STB, PVR, MP3, 环绕立体声，数码可携式摄像机和数码照相机还有其它的CE设备。比如UWB可以将STB或DVD连接到一个挂墙等离子彩电或者HDTV上，而不需要影响美观的电线。

　　UWB还可以将PC和娱乐组合设备连接在一起，比如数码可携式摄像机连接到PC上可以进行数字图像编辑或者大LCD播放。将数码相机和笔记本电脑连接起来进行编辑，通过e-mail发送图片。UWB的关键优势请看（列表1）。有UWB技术的WPANS，一旦设备足够接近，相互识别，用户只需轻击发送键便可进行数据传送。

　　列表1：UWB在娱乐和PC环境下的特色和优势

　　移动计算机设备的电线替代和网络：

　　复杂的电线给移动设备的用户带来极大不便。许多设备，比如个人掌上电脑通过USB端口连接，但其他像3G手机这样的设备需要特殊的连接器。UWB设备只要足够的接近，马上就能相互连接而不需要电线。UWB传输速度快，热点地区低能量消耗。

　　热点网络的覆盖使得移动计算机设备能够宽带接入网络，产生了巨大的市场。今天，只有两种技术可支持热点：802.11a/b/g WLAN和基于蓝牙的WPAN。但两种技术都由局限性，UWB将克服这些困难。

　　UWB设备间的ad-hoc（点对点）连接：

　　像蓝牙一样，每个UWB设备都可以作为内容来源和接收器。可以应用与将数码相机直接和打印机连接打印图片。

　　技术考虑：

　　为了使UWB技术成为广泛采用的无线解决方案，一下几点需要解决：

　　－相互可操作性

　　－产品整合和是否便捷

　　－总体解决方案的成本（OEM）

　　－频谱分配

　　英特尔正在通过投资策略、研究、参与有线和无线通讯、产品开发来解决这些问题。英特尔同时正在充分利用UWB技术的优势来开发协议。无线USB工作组和数字家庭工作组喂WUSB标准所做的工作是英特尔学习的例子。

　　未来：无线自由Intel

　　英特尔致力于无线技术。公司为将来所有设备的精巧无线连接铺设了远景，这个远景称之为无线自由英特尔，赋予了精巧无线的概念，对频谱和应用重新审视。配置包括WLAN热点802.11无线，蓝牙技术的手机，UWB无线的WPAN。为了实现这些远景，英特尔正投身与射频空间的所有领域（图5）。在无线宽域网（WWAN）中，英特尔支持WiMAX。在WLAN空间中，英特尔继续推动迅驰移动技术。现在，有了UWB技术对WPAN的支持，英特尔无线自由的概念离实现仅一步之遥。

　　发展前景

　　如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的》指出，2007 年配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。

　　应用空间

　　由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。总的说来，UWB主要分为军用和民用两个方面。 　　在军用方面，主要应用于UWB雷达、UWBLPI／D无线内通系统（预警机、舰船等）、战术手持和网络的PLI／D电台、警戒雷达、UAV／UGV数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。民用方主要包括以下3个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器；汽车防冲撞传感器等；家电设备及便携设备之间的无线数据通信等。 　　特别是，UWB在家庭数字娱乐领域大有用武之地。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD、DVR、数码相机、数码摄像机、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。未来“家庭数字娱乐中心”的概念是：将来住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，人们可以在任何地方更加轻松地使用它们。举例来说，家庭用户储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息；可以遥控PC，让它控制你的信息家电；也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。在这方面，应用UWB技术无疑是一个很好的选择。 　　目前UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善，但它将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。指出，在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来。

　　总结：

　　UWB和相关的网络协议正在开发的初期阶段，关键的部署步骤正在定义和评估当中。UWB对当今WLAN环境下部署的无线网络起到补充作用，延长高码率，多媒体连接WPANS，支持PC, CE和手机设备。这种结合将实现电脑、消费电子和移动通讯的融合。

　　普通无线平台与现有的网络协议无缝接入，有效地降低成本，CE外接的解决方案将改变家庭娱乐的环境。

　　许多UWB组件和系统已经在测试和展示阶段，终实际发放消费产品的日期有望在2005年初。英特尔公司正在和行业合作确保这个技术的成功。