前言

無線生活（Life Without Wires）已不是概念，而是正在落實的科技，無線生活可以解決今日在一般消費或是辦公環境中所遭遇的問題。在辦公室裡，人們幾乎被USB纜線所淹沒，從印表機、硬碟到數位相機等終端設備，都必須用纜線連接，桌上型個人電腦通常有8個USB埠，而一般的筆記型電腦最起碼也有4 個USB埠。在一般居家環境中，電視、機上盒、影音接收設備等等也以錯綜複雜的線路相互連接，即便有眾多線路，使用者還是無法從機上盒直接將影音下載到個人媒體播放器上。

近幾年無線短距傳輸科技不斷日新月異，漸成為聯網的主要方式之一。由於Wi-Fi 成本逐漸下降，使用者迅速掌握應用無線系統的契機，直接提升無線產業的發展，不過在互連手機、數位相機、mp3播放器等個人設備上，Wi-Fi相關應用卻有重重的侷限。

Wi-Fi 的傳輸速度慢、功耗大，對於一般消費者而言並不容易使用，特別是在使用者需要頻繁連線卻斷線的問題更多。重要的是欲藉由Wi-Fi將相機連接到個人電腦上並不可行，速度也不夠快，也無法確保傳輸安全。因此，USB設計者論壇（USB Implementers Forum）的認證無線 USB（Certified Wireless USB）便成為備有業界矚目的替代方案。

無線USB內容與應用簡介

無線USB是一項可取代USB纜線的無線科技。有線USB之所以能在辦公環境裡成為主流傳輸介面，是因為簡單易用，而無線USB更具備這項優勢。無線USB還可與Wi-Fi並存，主要運用於短距離、便利、低耗能的行動裝置連接，Wi-Fi可在網路連接和網路骨幹扮演重要角色，兩者相輔相成。運用這項科技，相機連接到個人電腦，或用50吋電漿電視播放數位相機內的照片，都可用無線連結方式完成；使用者還可把數位電視節目迅速地從機上盒轉到行動裝置上，大大提高了便利性。

無線USB是以WiMedia聯盟共同無線電平台（WiMedia Alliance Common Radio Platform）為基礎、第一個使用超寬頻（Ultra Wideband；UWB）通訊技術的消費科技；超寬頻UWB並非新技術，無線USB則是第一個在消費電子領域運用此項技術的應用。

有幾個原因導致UWB現在才進入市場，其中原因之一即在定義全球法規過程花費不少時間，必須更仔細觀察無線科技對電波頻道的種種影響；新科技都會對特定地區目前的無線電頻譜（radio spectrum）有所影響，超寬頻也不例外。目前WiMedia聯盟的共同無線電平台，可於3公尺範圍內以480Mbps速率傳輸，於10公尺內以110 Mbps速率傳輸，此平台設計用於3.1～10.6GHz間之頻率。

革新干擾健全規範

超寬頻UWB技術近來引起眾多討論，主要在探討這項科技是否會對相同或鄰近頻帶的使用者造成不可接受的干擾，特別是在3～5GHz的範圍內。以目前的規範看來，UWB業界必須與現有的使用者合作實施一般稱為偵測與迴避（Detect and Avoid；DAA）的降低干擾技術，超寬頻UWB產品很快將會採用6GHz 以上的頻帶，可避免任何的干擾問題。此外晶片大廠設計出能橫跨3.1～10.6GHz 的超寬頻晶片組，不過對於RF ASIC設計人員來說也是莫大的挑戰。

UWB涵蓋頻寬範圍甚廣，與既有WiMAX等標準共存相容的能力便很重要，美國以外的國家還將其視為是否通過法規批准的前提之一。共存（coexistence）表示能在某信心水準上偵測到現有訊號的能力，然後採用技術迴避受害者訊號（victim signal），以盡量減少干擾。捨棄某WiMedia頻段、切換至另一頻段或創造譜陷波（spectral notches）等，皆被建議用來迴避現有的系統。DAA看來是個得以解決共存問題的好方法，但單單一般個人電腦周圍的寬頻雜訊，就足以使 WiMedia接收器無法在法規單位要求的功率下偵測到WiMAX訊號。

頻譜規範

UWB原本的概念是使用低調波譜（spectral underlay），換言之，UWB訊號的功率譜密度（power spectral density） 低到使用者可忽略其干擾。在FCC於2002 年2月14日發出的文件中有相關規定授權UWB的內容，其中訂定Part 15法規類的UWB設備不得造成有害干擾，然而，有害干擾一直沒有明確的定義。為在UWB頻段中保護現有服務，同時容許小於10公尺個人區域網路的彈性使用，FCC 選擇讓UWB以和B類非意願輻射（Class B unintentional radiation）相同的位準 -41.3dBm／MHz功率譜密度輻射，對消費者電子設備而言，此功率位準僅被視為背景雜訊（background noise）。

到2007年中，全球各地的UWB規範各有不同，美歐日等地的頻外極限（out of band；OOB）、可使用頻率和其它限制等差異甚大。唯有WiMedia PHY規格中約從7.4～9GHz的9～11頻組，其中的6頻組可在全球通用而無須DAA。

就在UWB產業正與世界各地無線通訊標準單位合作取得美國以外的批准之際，關於什麼算是有害干擾的爭議也越演越烈，特別是在歐洲。其主要議題並不在於爭論UWB是否會造成干擾，因為UWB的使用模型確可與其它系統間產生干擾。爭論重點在於這些使用模型是否相關，同時干擾是否會嚴重到必須保護可能受害的其它服務項目。美國以外的所有國家和管轄區域，皆須使用一些稱為偵測與迴避（DAA）的緩和技術，DAA主要設計用來保護WiMAX，提供一個機制讓UWB系統搜尋一特定且非屬於UWB的訊號，並採取行動把受害系統（victim system）的干擾降至最低。

從功率和路徑衰減角度看干擾問題

在仔細分析這兩種狀況之前，我們先來分析可以耦合到另個無線電從UWB接收器接收到的功率量。由於FCC將UWB功率定為譜密度（spectral density），只要UWB傳輸器在現有接收器頻寬上有不變的功率譜密度（constant power spectral density），我們就可檢視現有接收器的有效頻寬，判別耦合到接收鏈 （receive chain）中的總功率。其公式如下：

《公式一　》

不過，可耦合到現有接收器的可用功率較為複雜。隨著Peff 的增加，雜訊位準（noise floor）也會增加。現有接收器在頻寬中的雜訊功率（noise power）是因電子活動產生的熱雜訊（thermal noise），可以下列公式計算：

《公式二　》

一般會使用一些特定的N0 值以求方便，比如室溫下27°C或300°K的1Hz頻寬中，N0＝-174dBm，所以在UWB功率譜密度受到定義的1MHz頻寬中，N0＝?114dBm。

此外，我們須估計UWB傳輸器與可能的接收器間的路徑衰減。根據IEEE 802.15.3a 的一些研究，我們可以假設自由空間衰減（FSPL）和路徑遠場傳播（far field propagation），以估計UWB連接中的路徑衰減。路徑衰減可如下計算：

《公式三　》

以上因素可共同用以估計UWB傳輸對一個現有接收器造成的可能干擾。一般而言WiMAX規格需要最大7dB的雜訊指數，如果我們假設現有服務的雜訊指數（noise figure）為 6dB，且位於UWB傳輸器的可視範圍內，路徑衰減可用(公式三)計算，我們即可為超寬頻系統中特定接收器功率，計算出在何種距離下接收到的功率會等於現有接收器的雜訊位準。舉例來說，如果UWB系統以固定功率-10dBm於528 MHz的頻寬上傳輸，而現有系統的頻寬為27MHz，則用(公式一)計算，可用的有效功率位準（effective power level）為-27dBm。27 MHz 接收器的N0 為?100dBm，使用公式一我們可計算出在假設的接受器雜訊指數條件下，UWB訊號在N0 為6dB時，距離為12.6 公尺。所以，在任何超過12.6公尺的距離，現有接收器會發現UWB接收器等於或低於其雜訊位準（noise floor），就算假設為自由空間傳播也是如此。

如果我們仔細看公式一到公式三，即可發現只要UWB系統在現有服務的頻寬上有固定功率譜密度，距離只會與功率位準有關，而與頻寬無關。(圖一)所示即此雜訊位準距離為UWB功率譜密度的函式，這點清楚指出UWB訊號會與現有接收器相互作用的距離，會隨著UWB訊號功率的減少而大幅縮減。

《圖一　UWB 雜訊位準與現有接受器一致時的距離示意圖 》 假設接收器的雜訊指數為6dB的條件下

以此為起點，我們可以檢視包括頻內與頻外的幾個現有服務，判斷在何種距離下UWB系統會開始與現有服務相互作用。由於UWB的頻內、頻外頻譜遮罩（spectral mask）相當不同，我們將分別檢視這兩種狀況。

WIMEDIA UWB PHY的頻外效能

為了保護GSM／GPRS、GPS、WLAN、藍牙和其它在3～5GHz頻帶外將受初期UWB產品使用的其它服務，全球法規單位都很關切頻外（OOB）發射此議題。針對這些OOB的現象，法規單位指定了譜遮罩 (spectral mask) 來評估 UWB造成干擾的傾向。(圖二)表示了目前2007年中被允許的傳輸遮罩（transmission mask），可看出對960～1610 MHz此範圍的要求最為嚴格，此範圍中UWB系統必須符合功率譜密度為?90dBm／MHz的規定。這些對OOB發射的要求很具挑戰性，但也可從中看出法規單位欲保護行動電話服務和GPS的態度。

《圖二　UWB譜遮罩》

我們可以用上述的等式和方法檢驗圖一中與OOB發射相關的部分。圖三 放大了圖一中-70到-90dBm／MHz的部分，以表示出OOB發射在何種距離下會達雜訊位準，這包括6dB現有接收器的雜訊指數。本圖中指出了幾個議題：

由於UWB會很接近WLAN 或藍牙等系統的靈敏度極限（sensitivity limit），所以它們不大可能受到此功率位準（power level）的影響。舉例而言，藍牙規格在1MHz頻寬上需要-70 dBm的靈敏度，因此WiMedia UWB系統可以在距離藍牙系統數公分處傳輸，而訊號不會有可測得的衰減。舉例而言，Alereon曾使用WCDMA訊號產生器進行測試，發現手持設備於2.1GHz WCDMA／UMTS頻帶運作時，並未因UWB OOB發射造成BER增加。

《圖三　WiMedia UWB頻外訊號在何種距離下會干擾現有訊號》

頻內共存

WiMedia UWB系統的頻外發射所造成的干擾，小到可以忽略，但頻內3～5GHz的傳輸位準（transmission level）為-41.3dBm／MHz，所以需要另外分析。一般而言，此頻帶內有兩種系統可視為既有服務。

純下行接收系統

純下行接收系統如C頻段衛星與無線電天文學衛星等，對「共存」造成很特殊的問題，因為目前並無可行方式偵測到接收器的存在。但幸好UWB的功率位準極低，所以造成干擾的可能性也低。更重要的是，這兩個系統皆需要高度指向性天線，天線必須指向天空，也須安裝在室外。由於全球無線電望遠鏡的數量只有數百台，而且為了避免受其它位準比UWB高的電磁干擾，這些望遠鏡也都架設在相當偏遠的地區，因此我們只須討論C頻段的電視接收。

C頻段衛星

亦稱電視單收系統（TVRO）的C頻段衛星已問世多年，通常使用3.7～4.2GHz的頻率。C頻段衛星雖在全球某些區域仍常見，但已快速被Ku頻段 （10.7～12.75GHz）所取代。Ku 頻段可用較小的天線、提供更多頻道，同時與 UWB 在完全不同的頻段。根據美國衛星廣播傳播協會的資料，到2005年12月止美國境內有14萬4000名C頻段用戶，但使用Dish Network或DirectTV這樣的Ku頻段衛星系統，用戶數卻高達2700萬。

可忽略C衛星干擾

C頻段衛星接收器一般使用寬3.5公尺、波束寬度（beam width）1.5度的碟型天線，天線必須指向赤道上方的同步衛星。由於以上這些實體限制，有研究顯示要耦合到C頻帶接收器的旁瓣，幾乎不可能發生，而且超過6公尺時就無法偵測耦合到天線或接受器前瓣的干擾。這些較大型且設於戶外的天線，在實際使用 UWB上所造成干擾的可能性，便可忽略不管。

收發器系統

在3～5 GHz的收發器系統，例如WiMAX，是可用來分析干擾的有趣案例。另稱寬頻固定無線接取（Broadband Fixed Wireless Access）的WiMAX系統和蜂巢式行動電話系統的相似點，在於發射塔上也有個中繼站，用以與分散於蜂巢周圍的用戶端通訊。因此訊號到達用戶端時，下行訊號相對上行較為微弱，而本地環境中的上行訊號則相當強。

上、下行訊號可以處於分開的頻率，亦即分頻雙工FDD，或於不同時間處於同一個頻率，亦即分時雙工TDD。WiMAX的一份報告中曾詳細檢驗WiMAX上行訊號的影響，不過干擾問題還是出自於近距離之故。

干擾解決方案

在UWB和WiMAX可作用的距離內，至少可採用兩種解決方案：偵測與迴避（DAA）和協同共存（collaborative coexistence）。在WiMAX設備與UWB設備相距數公尺時可採用DAA，其主要概念是用WiMedia UWB PHY執行本地環境的波譜分析（spectral analysis）。

針對此問題已有多篇報告出爐，顯示WiMAX訊號於-70dBm以上的功率位準時可被偵測到，而WiMedia PHY可捨棄某頻段，或在深度約為15～20dB的頻段內創造一個陷波（notch），使用深度更大的陷波則仍在研究當中。

解決WiMAX與UWB頻內共存

有個困難點是因WiMAX系統開發者而起，他們正在進行遊說，希望UWB 系統去偵測-80dBm或以下的WiMAX下行訊號，其中南韓已經提議DAA規範中使用-80dBm的偵測限制。理論上此舉可行，但是一般電腦周圍的環境雜訊在1MHz頻寬時為-75dBm或以上，如TDK提供的(圖四)所示。

《圖四　在3公尺距離內個人電腦周圍含螢幕與印表機的背景雜訊位準》

為解釋此過程的運作，(圖五)舉例說明DAA系統於3～5GHz間取樣，計算WiMedia各頻帶的功率，並尋找成該功率位準倍數的能量作為閾值（threshold），表示偵測到WiMAX上行或下行訊號。干擾功率超過此閾值時，UWB 系統會創造一個比偵測到訊號更寬的陷波，以保護WiMAX系統的接收器。

從法規角度來看，以上的參數仍尚待定義，所以目前這些例子僅屬於概念階段。初步研究顯示，閾值可能將被設為低於-80dBm。如(圖四)所示，此偵測位準幾乎可以說有100％的機率，會引起假警報而導致頻段無用，因為這些位準於各頻段都大略相同。所以唯一真正可解決問題的方法，便是在不需要DAA的頻段操作 UWB。

《圖五　DAA實例：3800MHz的陷波（2頻段）與環境雜訊位準》

對於並置的WiMAX設備和UWB設備來說，在時域（time domain）內控制，對無線媒介的接取能更有效地管理干擾現象：換言之，在WiMAX 與UWB間執行仲裁便可防止衝突發生。這些技術已受到廣泛的研究，讓Wi-Fi和藍牙於IEEE 802.15.2與IEEE 802.19共存，同樣的技術可直接用以幫助WiMedia UWB與 WiMAX的共存，不過並非在所有的狀況中都可使用這些技術，所以這些技術並未能徹底消除問題。

未來的發展方向

無線連接時代已翩然到來，Wi-Fi熱點隨處可見，商店裡許多消費電子產品也都使用藍牙科技。現在，無論消費者身在辦公室或自家中，皆可享有無線科技的便利。而無線USB自然地從當前的無線科技衍生而出，提供其它無線科技無法提供的價值，這包括使用便利、以無線又低功耗的方式提供等同有線USB的效能。在過去，手持設備和周邊設備僅能以USB線路連接，如今消費者將輕鬆快速地在辦公室或娛樂環境中，以無線連接這些設備，同時不會干擾既有的無線科技。

我們看到WiMedia UWB傳輸器的頻外發射，對現有系統UMTS／WCDMA、Wi-Fi、Bluetooth、GPS和行動電話系統所造成的影響非常小，可以忽略不談。對和WiMedia UWB分享3～5GHz頻帶的現有系統如WiMAX而言，在多數使用模型中對現有服務的影響也非常微小。而對於像WiMAX這樣的系統，法規單位提出的偵測與迴避（DAA）技術，可能會將偵測位準訂得過低，使UWB系統無法迴避此位準以上所有偵測到的訊號和雜訊，進一步導致頻帶無用。長遠來看，最佳的解決方案是採用6GHz以上的頻段，這些頻段不但無須使用DAA，還可以產生更多的頻道。

（本文作者Jim Lansford為Alereon技術長，聯絡方式為jim.lansford@alereon.com；David Shoemaker為工程副總裁；聯絡方式為david.shoemaker@alereon.com）