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UWB的基本传输原理与特色
UWB基本上在是在很宽的频段中,以极短的时间内,快速的发出脉冲来进行信息传输(可达到1秒发送10亿次),而脉冲间的时间即代表"0"与"1"的数字讯号,由于这一连串的脉冲不需要转成高载波来传送,因此UWB又被称为「Carrier-Less」的技术。
传统无线通信系统的传输方式以连续的正弦波(sine waves)来传送数据,并以正弦波的振幅作为调变的方式,而UWB并不需要依赖正弦波,主要以时间调变方式为主,其以极精确的时间传送脉冲,可传送极大量的数据,详如(图四)、(图五),就理论上而言,UWB技术同时可支持的用户数可达到无限大(Time Domain公司宣称可同时与4,000万个点进行超高速传输)。
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当然,UWB之所以相当吸引人,还在于其具备有以下的特点:
1.低耗电量:
典型的无线局域网络产品(Wi-Fi)耗电量约为33~100毫瓦(milliwatts),而UWB一般来说都不超过200微瓦(microwatts),即可进行高速传输,尚不及Wi-Fi的千分之五,因此极为省电(Time Domain宣称其UWB芯片耗电量仅50~100微瓦)。
2.具高度安全性:
UWB的脉冲非常短(通常不超过十亿分之一秒),也非常弱(远小于一般家电),因此在极广的频段间传输时,非常难以被侦测,同时其收发器之间由事先确认的辨识方式进行转换,接收端必须知道传送端的脉冲序列(Pulse Sequence),方能正确收到讯号,因此具备高度的安全性。
3.高速传输:
许多厂商的第一代技术都可达到100Mbps的速度,例如:XtremeSpectrum宣称其产品可在10公尺的距离,提供100Mbps的传输速度;Intel的UWB原型产品的传输速度可轻易达到100Mbps。而Time Domain甚至已开始研发可达数百Mbps的第二代UWB芯片,因此可满足高容量的多媒体串流传输应用。
4.不易产生干扰:
由于UWB的脉冲非常短,频段非常宽,因此能避免多路径传输的讯号干扰问题,同时短而弱的脉冲也使UWB与其他无线通信技术(移动电话、802.11x、微波等等)间产生干扰的可能性大幅降低,因此可与其他技术共存。
5.精准的定位功能:
UWB系统具备良好的时间解析能力,使其能发展出精确的测距能力与定位功能,因此过去军方即将其用在雷达的侦测系统上。
6.低成本的芯片结构:
由结构上来看(图六),UWB芯片所需的成本应低于使用载波传输的无线通信技术。由于UWB直接采用二进制的传输方式,因此将零组件大幅减少为四个(射频、基频、天线、内建的轫体与通讯协议),而且UWB的射频收发器架构很简单,相较于Wi-Fi,UWB的芯片不需经过RF/IF的转换步骤,不需要Local oscillator、mixer,以及802.11x常用的超外差所需额外的表面声波滤波器(SAW filters)。除此之外,也可将射频设计成不需要功率放大器,同时也可以使用CMOS制程,因此具备低成本的芯片结构。
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UWB标准制定
UWB标准制定由超宽带工作小组(The Ultra Wideband Working Group;UWBWG;www.uwb.org)所主导,并于1998年开始接受有兴趣的业者加入,而且也不需要缴交入会费,即可参与产业标准的制定活动,截至今年11月底为止,会员数已达到1198家,部分成员名单如(图七)。
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UWB的支持者希望其能为IEEE 802.15.3a所采用,而负责SG3a成员中又有大部分与UWB会员有关,例如:SG3a的主席与秘书长是XtremeSpectrum的代表,技术编辑是Time Domain的成员,而General Atomics、Time Domain、Eastman Kodak、Intel、Sony、TI、XtremeSpectrum也都是SG3a的CFA(Call for Applications)成员,因此未来UWB极有可能成为IEEE 802.15.3a标准的基础。
UWB的可能应用领域
至于UWB初期可能的应用,则预期会包含以下几个领域:
1.娱乐应用:
基本上,传输速度高达100Mbps的UWB能同时搭载视讯与音频串流,进入消费性电子产品市场有极大优势。以HDTV为例,其应用的基本需求为20Mbps以上的带宽,而目前802.11x的传输速率并无法容纳2组以上的HDTV串流,只有具备UWB的多媒体装置,方能满足2006年HDTV时代的需求。而且UWB具穿透能力,并不受墙壁阻隔,因此更适合家庭环境的需求。
2.定位应用:
对于企业而言,UWB的测距与定位功能,特别适合仓库的管理,透过脉冲的发送,可追踪零售货物的精确位置,使企业更便于进行存货的管理。另一方面,UWB也可以为汽车建立防止碰撞的功能,例如,透过相对位置与速度的感应,UWB装置可为车主提供前车与来车的信息,以避免可能发生的事故,而这样的装置可以内建于车牌或是保险杆中。
3.其他应用:
UWB的穿透能力也可以协助警察(侦测建筑物内的罪犯)、搜救人员(瓦砾堆内的人员探测)、医护人员(医疗影像扫描)、军队(更精准的雷达系统)完成工作,不过,由于受限于FCC的规范,目前UWB的穿透能力仅能发挥到20英呎的距离,除了医疗影像扫描之外,此类应用可能还要等待FCC放宽对UWB的功率限制,方能大幅提高其穿透距离与能力。
主要厂商发展现况
虽然目前已加入超宽带工作小组的会员达1198家,但实际投入UWB技术与产品发展,并已有具体成果厂商仍在少数,而且大部分都曾经参与过军方或政府的UWB计划超过10年以上的时间,因此这些公司虽然对于进入家庭网络市场存有高度兴趣,但首先必需思考如何由军事产品进入商用市场。
依照各业者目前的投入发展技术动向来看,在定位应用最积极的业者就属Aether Wire & Location与Pulsicom两家公司;XtremeSpectrum、Time Domian、General Atomics等业者则积极投入家用娱乐市场;而在军用市场方面,则以参与过军方UWB发展计划的Pulse-Link、General Atomics、MultiSpectral solutions(MSSI)、Time Domain等公司发展较久。兹将UWB的主要业者发展现况整理如(表四):
公司名称 | 产品型态 | 投入发展技术 | 目标市场 |
Aether Wire & Location (www.aetherwire.com) |
立即寻址系统装置(Real-Time Location Systems;RTLS) | 100公尺内误差在10公分以内(未来希望能达到1公里内误差在1公分以内) | 军用与商用化市场 |
General Atomics (www.gat.com) |
IC零组件 | <10公尺:hundreds of Mbps>10公尺:与WLAN相同>100公尺:可达到传感器应用的需求 | 家用消费性电子装置、军用雷达、家庭与企业的无线网络(PAN、LAN) |
MultiSpectral solutions (MSSI) (www.multispectral.com) |
IC零组件 | >20Mbps | 军用与商用化市场 |
Pulse-LINK (www.pulse-link.net) |
IC零组件 | 第一代:500码,80Mbps 第二代:1000码,100Mbps 第三代:数公里,100Mbps |
军用与家用市场、LAN与WAN的应用 |
Pulsicom (www.pulsicom.com) |
立即寻址系统解决方案(包含软硬件) | 定位系统开发中 | 定位与测距的商用市场、家用立即寻址系统 |
Time Domain (www.timedomain.com) |
IC零组件 | 家庭应用:10公尺,40Mbps定位系统开发中 | 军用、家用(消费性电子装置)、警用市场 |
XtremeSpectrum (www.xtremespectrum.com) |
IC零组件 | 10公尺,100Mbps 20公尺,25Mbps |
家用(消费性电子装置)与企业用(存货与资产的追踪管理)市场 |
Intel (www.intel.com) |
IC零组件 | 未定 | 将UWB作为USB 2.0的无线版本 |
Skycross (www.skycross.com) |
天线 | 自行开发的天线专利技术 | 商用化市场 |
Fractal Antenna Systems (www.fractalantenna.com) |
天线 | 可用于多种无线传输技术的万用天线(如:WLANs、UWB) | 军用与商用化市场 |
Farr Research (www.farr-research.com) |
天线、传感器 | 户外大型天线IRAs、CIRAs田野调查用的传感器 | 军用市场 |
整体而言,UWB市场具有极大潜力,包括Intel、Cisco、Fujitsu、Motorola、Pansonic、Sony、TI、Toshiba等公司对其未来的应用都极有兴趣,预计第一款UWB的产品将于2003年问世,主要应用将会在家庭剧院与其他消费性电子产品,例如:LCD与电浆显示器、电视、数字录放机、机顶盒、MP3、摄录像机等等。因此,未来随着UWB应用产品的增加,预估到了2006年,部分短距离家庭无线网络的多媒体应用市场将开始由UWB厂商所掌握。
结语
由相关厂商的产品发展时程来看,2003年的圣诞节将可望见到ZigBee与UWB的商用化产品在市场销售,不过距离大量普及的目标仍需要一段蛮长的时间。在未来WPAN技术各自的竞合上,短期内仍将是以互补为主,因为目前尚无任何一种无线传输技术可满足每个人所需的无线传输需求(距离、速度、成本、耗电仍存在trade-off的情况)。
对于国内厂商而言,在资源充足的条件下,适度投资有潜力的技术与产品原本就是降低风险,并提高获利的必然原则,反之则应跟随市场的主流趋势而行,因为技术的优劣与否,往往并不是产品成功的必要因素,尤其是短距离无线个人网络领域中,如何建立完整易用的WPAN环境,并提升消费者的使用经验是极为重要的,因此能否吸引众多厂商的支持与投入,才是决定市场起飞的关键要素。
(作者为工研院经资中心产业分析师)
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