超寬頻以高速優勢崛起 UWB技術發展研討會實錄

新通訊元件雜誌、台北市電子零件公會，以及工研院經資中心，共同於2005年10月27日主辦「UWB技術趨勢研討會」，由國內重要研究機構與晶片業者針對超寬頻技術發展前景與應用機會進行深入研討，以下是研討會內容摘錄。  

課程名稱：雙B合體 無線風雲再起  

講師：中山科學研究院資訊通信研究所UWB科專計畫專案經理吳匡時  

目前無線網路類型可依涵蓋範圍大小區分成無線廣域網路(WWAN)、無線都會網路(WMAN)、無線區域網路(WLAN)，及無線個人網路(WPAN)。無線廣域網路通常涵蓋跨都市、國家甚至洲界的網路架構，無線都會網路傳輸範圍則在2～10公里之間，涵蓋等同一個都市規模的網路架構，而無線區域網路通常界定為2公里內的小型網路架構，至於無線個人網路包括近距離無線傳輸(Near Field Communication, NFC)、ZigBee、藍芽(Bluetooth)、超寬頻等。  

其中，藍芽與超寬頻不久前傳出將合併的消息，藍芽特別興趣小組(SIG)、超寬頻論壇及WiMedia聯盟將整合兩種無線傳輸技術之優點，開發新架構，目前此尚未制定完成新架構之規格，但已引起業界各種揣測與爭議，中山科學研究院資訊通信研究所UWB科專計畫專案經理吳匡時(圖1)針對該兩項技術進行技術及市場發展分析，試圖描繪出其未來願景。  

藍芽起源自1994年易利信開始著手研究一項低功率、低成本的短距離無線傳輸介面，其目的在於取代纜線，促成個人隨意網路。吳匡時表示，經過10年苦練，藍芽交出漂亮成績，至2005年出貨量已達4億套，任何手機皆可透過藍芽與任何一台筆記型電腦互傳資訊。  

目前熱門的藍芽2.0加上強化資料傳輸率(Enhanced Date Rate, EDR)技術，增加同步序列與保護帶，並定義10種新封包，其中五種封包供2M/3M傳輸使用，另外兩種是同步連接，提供服務品質較高的語音使用，最後三種則是非同步連接，提供資料傳輸使用。這些新封包皆不使用錯誤修正碼，遇上通道不佳情況時，會直接回復舊版本。  

藍芽的下一步將會朝向更省電、服務品質和資料保密規格、通訊優先順序、安全配對、認證、多點傳播、改進系統效能等方向前進，並會增加通訊距離至100公尺，以及微網(Pico Net)裝置從8個增加到256個。  

至於超寬頻技術目前由三大陣營主導，其提出的技術規格分別為MBOA-UWB、DS-UWB及WiMedia。MBOA-UWB技術採快速跳頻，每秒達320萬次，是藍芽技術的2,000倍，並運用多頻道正交頻分多工調變(MB-OFDM)技術。吳匡時表示，目前台灣大多數廠商皆支持MBOA-UWB，但DS-UWB技術亦受到部分台灣廠商支持，包括微星、正文、陽慶、環電等。  

吳匡時並表示，在日前台灣英特爾開發者論壇(IDF)上，有多家廠商表示正積極投入超寬頻晶片研發。其中Wisair提出UB502＋UB531晶片組，宣稱功率消耗為350mW，已通過美國FCC認證，並現場展示個人電腦對個人電腦傳輸；Staccato推出Ripcore，實體層皆採用CMOS製程，媒體存取控制層採外掛方式，並使用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術，預計2006年第三季量產，量大時單價甚至可降至10美元；Alereon則推出採用SiGe製程的類比前端，與採用CMOS製程的基頻元件，該公司沒有媒體存取控制層，同樣預計2006年第三季量產，量大時單價可降至10美元；瑞昱展示RTL8170單晶片與傳輸，其採用CMOS製程，沒有媒體存取控制層，該公司表示初期單價為20美元，並先開發網際網路通訊協定位址，之後將採用無線USB介面；英特爾則尚未推出晶片，可看出其觀望意味濃厚；至於WiQuest則表示2006年將推出晶片。其他還有多家台灣業者積極投入研發，但大多尋求與美國合作，於國內獨立研發者不多。  

若比較藍芽與超寬頻競爭優勢，吳匡時表示，藍芽是無線個人網路的開山元老且經營10年有成，因此兼具市場及價格優勢。至於超寬頻擁有7.5G大頻寬，可直接傳輸影音多媒體，因此具高速及應用優勢。另外，超寬頻結合WiMedia聯盟後更具人氣優勢。若欲拓展藍芽結合超寬頻技術的應用市場，業者必須的挑戰包括應用、價格與功率。首先，必須回歸市場需求面，尋找真正可以引爆市場的應用，並將價格降低至消費者可以接受的程度，以及降低超寬頻一直難以解決的功耗問題，至此，市場高度需求情況才可能出現。  

課程名稱：UWB晶片技術趨勢  

講師：智原科技通訊應用事業部無線通訊平台資深經理吳茂霖  

第二堂課程由特殊應用IC及矽智財大廠智原科技通訊應用事業部資深經理吳茂霖(圖2)主講，針對UWB晶片技術趨勢進行剖析。吳茂霖首先針對UWB的系統架構進行分析。根據WiMedia聯盟的定義(圖3)，MBOA標準定義了實體層(PHY)與媒體存取控制層(MAC)，其上則為WiMedia匯流平台。在此之上，則利用協定轉換層(Protocol Adaptation Layer, PAL)，在其上架構UPnP/IP應用Profiles，以及無線1394等協定，而無線USB則可直接架構在WiMedia匯流平台之上。這是一種「搭順風車」的方式，利用原有科技的上層協定，只換掉底層，達成更高的無線頻寬。  

在各種無線技術中，UWB以頻寬、每Mbps消耗功率、資料傳輸率等特性見長。與其他技術諸如藍芽、802.11b/g/a/n等相較之下(表1)，UWB與藍芽傳輸距離相近，但每Mbps消耗功率卻不到藍芽的百分之一，而頻寬則高達1.5GHz，是藍芽的500倍，也是802.11x的10至20倍以上。至於UWB的傳輸速率也高達53～480Mbps。吳茂霖指出，由於耗電的關鍵在於傳輸距離，而非頻寬，因此主打10公尺內短距離傳輸的WUB，同時兼具高頻寬與低功耗的特性。UWB目前較為弱勢的項目，則是在於價格，預計將來量產成熟的晶片價格，也將高達7美元，將近藍芽的兩倍。吳茂霖表示，UWB將在2008～2009年以90奈米進入量產，屆時產品將趨於成熟。  

關於UWB與藍芽的比較，吳茂霖指出，藍芽經過多年發展，雖然比市場預期的發展速度延遲了二、三年，但是近年已經確定在市場上獲得成功。以2005年出貨量來看，可以達到3億個藍芽裝置，由於市場上每年出貨量可以破億的並不多，藍芽無疑已奠定了成功地位。藍芽的成功經驗，也成為UWB效法的對象，因而採取了與其他成功的應用技術，例如USB、1394，以及UPnP/IP等相容的設計。  

而在UWB與WLAN的比較上，WLAN在2005年的出貨量也將達8,000萬個，未來並將在802.11i版本加強安全機制，同時在802.11e版本加強服務品質(QoS)支援。UWB則是效法WLAN 802.11i的安全機制，並提供以TDMA為基礎的QoS服務。由於媒體存取控制層的不同，UWB可以提供比WLAN更好的QoS。根據Parks Associate預測，使用UWB通訊系統的裝置將在2008年達到1.5億個(圖4)，而英特爾、諾基亞、新力等大廠加入MBOA特別興趣小組，也將促使UWB成為下一代的3C產品介面(圖5)。  

吳茂霖指出，UWB要打入家庭市場，就必須從現有技術無法滿足的部分切入。例如家用閘道器到娛樂家電之間的傳輸、衛星電視、有線電視，與網際網路訊號的接入、區域網路的橋接、可攜式裝置與家電的連接等，都是應用的機會。以高畫質電視(HDTV)所需的19～24Mbps速率而言，即是其他技術無法達到的。  

而UWB的機會，除了高傳輸率可在視訊應用上占有優勢之外，短距離與高通道容量的特性，也使其在個人區域網路的無線網路點對點傳輸模式(Ad-Hoc)的應用上較有機會。不過，UWB的射頻、ADC/DAC與基頻在導入超大型積體電路(VLSI)製程上，則有潛在問題。此外，國際間對UWB的使用頻譜管制尚未完全開放，也是目前面臨的挑戰。  

而從UWB晶片(圖6)設計來看，吳茂霖表示UWB的晶片趨勢將走向實體層單晶片，90奈米製程則將成為決戰點。他並分別就UWB晶片實作時面臨的射頻、類比數位/數位類比轉換器(ADC&DAC)、基頻，以及媒體存取控制層等方面進行剖析。  

在RF方面，必須面臨製程的選擇，包括矽鍺(SiGe)製程、RF CMOS二者，以及微米製程(0.18微米、0.13微米、0.11微米)或90奈米製程之間的選擇。他指出，高頻寬意味著更多的挑戰，例如在寬頻持續出現的Q值，以及LNA與VGA增益等。在基頻設計面臨的挑戰，則除了0.13微米與90奈米製程之間的選擇，還包括必須在高速製程或低漏電製程之間進行取捨。  

從IP業者的觀點來看，吳茂霖認為，RF的設計將從0.13微米走向90奈米，並由矽鍺 BiCMOS走向RF CMOS。而在實體層的設計上，同樣將由0.13微米走向90奈米，此外，功耗的問題將比晶片成本的問題更關鍵。而UWB實體層單晶片則可能成為主流產品，這可以從已經發生的10M/100M以及G-bit乙太網路的實體層單晶片趨勢推測而知。在媒體存取控制層方面，則是在某些特殊的專用標準產品(ASSP)應用上與實體層進行整合。  

吳茂霖並在結論中指出，UWB的兩大應用將是無線USB以及視訊串流，而在晶片設計上則是還有許多障礙有待克服。此外，將來在UWB實體層單晶片方面，90奈米機將是必然趨勢，而在UWB媒體存取控制層的IP方面，則將走向系統單晶片整合。  

課程名稱：UWB媒體存取控制層設計  

講師：資策會網路多媒體研究所UWB計畫工程師鍾昕圃  

第三堂課程由資策會網路多媒體研究所UWB計畫工程師鍾昕圃(圖7)主講，主題鎖定UWB媒體存取控制層(MAC)的設計。鍾昕圃指出，以家庭多媒體應用為例，UWB面臨的挑戰包括機上盒與高畫質電視彼此之間的偵測互連，並建立視訊串流連結。而視訊串流的頻寬需求也是一項挑戰，串流必須連續而不中斷。  

他表示，UWB的媒體存取控制層包含了去中心化的個人區域網路(PAN)操作、載波感測多重存取(CSMA)與分時多工存取(TDMA)的結合等方面。在去中心化的個人區域網路操作上，存取控制是由每一個裝置自行決定，必須定義傳送間隔(Beacon Period)、資料傳輸等。  

資策會網路多媒體研究所目前正在通訊關鍵技術科專計畫之下，執行為期兩年的UWB相關開發，在2005年基於多頻帶OFDM聯盟(MBOA)的0.7版規範，開發UWB無線電平台(Radio Platform)的媒體存取控制層。在2006年，則將基於WiMedia聯盟規範，開發完成無線電平台的會聚層(Convergence Layer)的相關技術，包括建立WiMCA模組以及WiNEP模組。鍾昕圃並指出，在未來，資策會網路多媒體研究所將持續開發UWB媒體存取控制層，並尋求無線USB與SMP的合作機會，並將與該會自行開發的多媒體技術與IPv6進行整合，同時也將整合其他業者開發的UWB實體層解決方案。