高傳輸低耗電UWB(下) 分析實體層三大技術標準

2005-11-07
目前UWB應用無法商業化的主因為802.15.3a工作小組尚未制定完成實體層(PHY)標準,而延宕至今則是因各UWB技術的領導廠商勢均力敵始終無法將UWB規格標準化...
目前UWB應用無法商業化的主因為802.15.3a工作小組尚未制定完成實體層(PHY)標準,而延宕至今則是因各UWB技術的領導廠商勢均力敵始終無法將UWB規格標準化。  

2002年美國聯邦通訊委員會(FCC)剛通過超寬頻(Ultra Wide Band,UWB)商業化的決策後,在UWB領域投入多年的廠商皆欲推展自己所發展的技術,使其成為主流。不過,到了2003年3月時的802.15.3a會議,有超過23個提案是針對UWB規格標準化議題而來,大家為了UWB應用的潛在廣大商機,希望早日進入商業化,因此在某種程度下不得不採取妥協態度,到了2003年底,經802.15.3a工作小組熱烈討論後,版本只剩下兩個,分別為(表1):  

‧MB-OFDM(Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing)  

‧DS-UWB(Direct Sequence UWB)  

但日前有另一家公司Pulse~Link也開發出用於UWB通訊架構之晶片,此公司所採用的技術與前面兩者不同,技術主體為Continuous Wave架構,稱CWave UWB技術。  

170個MBOA會員支持MB-OFDM  

MB-OFDM這種架構主要是由德州儀器(TI)於2003年3月首先提出,在2003年6月成立了多頻帶OFDM聯盟(MultiBand OFDM Alliance,MBOA),主要致力於協助UWB超寬頻技術的解決方案,使UWB儘速商業化。MBOA目前擁有170多個會員廠商,他們都支持以多頻帶正交分頻多工(MB-OFDM)為UWB規格標準。為了商業化,也成立一個特別小組MBOA SIG(Special Interest Group),在2005年3月也與WiMedia結合為WiMedia-MBOA,推動MB-OFDM為UWB的標準。  

採用多個OFDM頻帶擴大頻譜  

正交分頻多工技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)被應用在許多寬頻通訊系統,如802.11a/g,這類具備多重頻道的系統需要極高的資料傳輸速度。而MB-OFDM系統是採用多個OFDM頻帶將整個頻譜擴大,且達到UWB通訊應有的通訊寬度。  

OFDM和FDM最大差別(圖1)就是子通道間的子載波頻率互相正交,在同樣頻寬下,將可使用更多的子載波及提高傳輸速率,使頻寬效益增加。  

OFDM技術把一塊較寬的頻段切割成許多較窄的子頻段,而多個子頻段組成為OFDM架構(圖2),把原本欲高速傳送的資料串流(Serial),改用許多低速的資料同時平行(Parallel)傳送,因這些子頻段的子載波頻率彼此之間是互相正交。如此較窄的子頻段將可視為是頻率非選擇性通道(Frequency Nonselective Channel),即子頻段內的頻率響應可視為相同,在接收端的等化器(Equalizer)也較為簡單。設計時為了使子載波頻率之間互相正交,子載波頻率的間距大小要等於符號長度(Symbol Interval)的倒數。  

延伸到MB-OFDM架構,為了將頻譜劃分成數個次頻帶(OFDM) ,依據MBOA所規劃的標準,從31.G~10.6GHz之間分成14個次頻帶,每個次頻帶寬度為528MHz(圖3),大於FCC所規定的至少500MHz頻寬。真正在傳送時會採用時間交錯的方式(Time-Interleaved),在各個次頻帶內利用很窄的時域OFDM符碼傳送資訊,這樣無論任何時間,傳送訊號都只侷限在一個次頻帶。採用以時間交錯方式利用多個次頻帶傳送符碼的主要優點,在於UWB系統可以傳送同樣的平均功率,好比它們在使用整個頻寬,MB-OFDM的好處是瞬間處理頻寬很小(528MHz),這不但增加頻譜的使用彈性和全球電信法規的相容性,功率消耗及成本都會降低,因此採用MB-OFDM的理由是其接收器收集多路徑能量的效率相較於使用同樣頻寬的單載波系統為高。  

MB-OFDM主要包含3種傳輸率(表2),每個次頻帶(528MHz)的架構,是採用128組OFDM符號,每個子載波的調變方式為QPSK,資訊長度為242.4ns,符號外圍再增加一組60.6ns的循環表頭,以及有9.47ns的保護間隔時間,讓每組符號間隔的週期時間達到312.5ns。  

每個次頻帶有128個子載波(128 tones),其用途與分配數量如下:  

‧100 data tones used to transmit informa-tion(constellation:QPSK).  

‧12 pilot tones used for carrier and phase tracking.  

‧10 user-defined pilot tones.  

‧Remaining 6 tones including DC are NULL tones.  

DS-UWB主導大廠組成論壇  

主導DS-UWB(Direct Sequence UWB)技術的廠商主要有摩托羅拉(Motorola)、飛思卡爾(Freescale)、西門子(Siemens)與三星(Samsung)等,為了使DS-UWB成為802.15.3a PHY的標準,2004年3月也組成了UWB論壇(UWB Forum),其目標仍是將自己所支持的UWB技術成為標準。  

要如何產生一個看起來像DS-UWB的訊號?可採用一個單脈衝作為碼片波形(圖4),擴展波形是一個單脈衝短序列,序列中每個單脈衝的極性,可透過如同CDMA中一些擴展碼推理出來。  

針對DS-UWB的3種傳輸速率作比較(表3),其中規範採用長度為24的3進碼(1,0),以1.368GHz的速度進行展頻。32字元被切分成4組8字元,形成4組同時運作的微網路(Piconet)。微網路的8字元可在正負兩極下進行傳送,變成整個字元表為16種符號。  

對於採用傳統窄頻的無線技術來說,通常需要設計較複雜的接收器,主要目的是可以用快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)完成解調,因為有嚴重的多重路徑衰減,所以必須有足夠的錯誤更正能力來彌補,要付出的代價是整體的電路設計會變得較複雜,邏輯閘增加,相對的消耗功率大幅提升。  

若採用DS-UWB架構時,對超寬頻訊號而言,到接收機所收到的訊號變化只會有微小變化,因此DS-UWB接收器的錯誤更正能力可以使用較簡單的FEC(Forward Error Correction)解碼器,複雜度可簡化一半。若應用在距離很近時,FEC解碼器甚至可以省去,使接收器的消耗功率更低。  

Pulse~Link與AMS攜手合作CWave UWB  

CWave UWB技術是由Pulse~Link公司所主導,日前正公佈UWB架構與晶片,也在2005年5月加入UWB Forum,為了宣傳新技術。  

Pulse~Link已經與獨立的服務供應商AMS攜手成立CWave聯盟,將與以MBOA和以DS-UWB為中心的UWB論壇一決高低,儘管Pulse~Link是目前唯一的成員,Pulse~Link預計很快將有內容供應商加盟。  

藉連續波形傳送訊號  

剛開始UWB技術發展時是利用脈衝(Impulse)的觀念,沒有其他的技術可以達到UWB通訊的要求,因此UWB技術即是泛指脈衝技術,但CWave技術公開後象徵另一個創新的開始,不再只有一種技術能達到UWB通訊的要求。CWave不採用Impulse的架構,訊號取得是藉由連續波的波形傳送訊號,如BPSK、QPSK等。  

CWave UWB技術性能優勢為︰  

‧CWave技術毋需使用Mixers、Local Oscillators、Up-conversion或Down-conversion。  

‧因為省去許多元件,架構簡單使得成本相對降低,用CMOS或SiGe IC即可實現。  

‧因擁有低功率及高頻寬,ADC的動態範圍>40dB。  

‧CWave UWB系統Peak和Average訊號皆是常數,所以很容易控管系統,Pulse~Linke公司為了強調自己的CWave優於其他兩種技術,提供相關實驗數據(表4),可觀察到CWave傳輸速率皆超越了MB-OFDM和DS-UWB的架構,且傳輸距離也較遠。  

802.15.3a標準遲未底定  

超寬頻技術的發展是代表無線技術邁向高傳輸速率時代的來臨,無論是數位多媒體內容、高畫質TV影像、3D視訊與無線線上遊戲,都將因UWB技術商業化而獲得足夠頻寬以進行短距離無線傳輸,甚至未來可結合照相兼攝影手機、3D手持式遊樂器、即時行動電視等裝置,這就是數位家庭的最終目標。目前各界對UWB的標準化日程如此關注,是因預見其巨大的市場潛力,將成為多媒體消費性設備下一波流行的高速無線互聯技術。有鑑於此,台灣新世代無線通訊產業研發聯盟(3G CLUB)已經成立「UWB SIG」,並推動UWB相關聯盟,結合國內產學研界力量。  

根據ABI的報告指出,2007年全球配備UWB的電子設備和晶片的生產量將達到4,510萬套,同一年的收益將達到13.9億美元,並進一步預測UWB晶片組的產量在2005年和2006年將會增長一倍,從2004年150萬增到2005年的340萬,到2007年將達到770萬。因此,UWB產業可望成為WLAN之後另一個產業明星。  

目前各家廠商皆希望自己擁有的技術能成為802.15.3a的標準,畢竟沒有成為標準就將喪失整個商機。IEEE 802.15.3a的工作小組召開多次會議,表決多次始終無法突破75%同意票,如今UWB實體層(PHY)的技術又多一項CWave,是否會影響802.15.3a標準制定的延後完成,值得觀察。  

(本文作者為中央大學通訊系碩士班研究生)  

(詳細圖表新通訊56期10月號)  

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