我们正处于一个由类比通讯进入数位通讯、并从有线通讯进入无线通讯的时代。在无线广域（WWAN）的范围中，GSM/GPRS/WCDMA等蜂巢式网路已让人们的通话可以行动化，另一竞争技术WiMAX也已迈入商品化的阶段；在无线区域网路的部分，802.11a/b/g已成为相当普及的室内技术，更高速的802.11n也即将公布；另一个重要的应用领域则是短距离的无线个人网路（WPAN），其中蓝芽已用在手机的耳机等用途上，但更高速的UWB技术在两大阵营的标准争执多时后，总算进入明朗的阶段，WiMedia今日已取得主导性的地位。

WiMedia联盟的任务是定义其MB-OFDM UWB的底层PHY和MAC规范，并进行PHY的互通性测试。在此一高速射频讯号收发的技术基础下，透过协定调适层（Protocol Adaptation Layer；PAL），UWB可以用在不同的短距离应用上，包括USB、WiNET（UPnP/IP）、1394、HDMI，甚至是同为短距无线技术的Bluetooth，请参考(图一)。目前发展最快的无疑是无线USB（Wireless USB；W-USB），W-USB V1.0标准已在2005年5月公布，而Bluetooth SIG也已在2006年3月底选择MB-OFDM做为其3.0版的公共无线平台基础技术。

《图一 UWB可做为公共无线平台的基础技术（数据源：USB-IF》 - BigPic:944x563

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W-USB的市场定位

就市场定位来看，WPAN和WLAN确实有其市场区隔，其互补性大于竞争性，就如同乙太网路和USB 1.1/2.0之间的关系一样。其中USB的成功是有目共睹的，它在PC及其周边的采用率几乎达百分之百，在消费电子及通讯产品的应用也愈来愈普及，在此基础下，W-USB具备了极佳的发展条件。根据In-Stat的分析，截至2005年USB的设备年出货量已达14亿个单位，预估到2010年时将成长到28亿，其市场领域涵盖低速、全速、高速USB，以及最新的W-USB，约占3亿个单位。请参考(图二)。

《图二 USB及W-USB的市场成长预估》 - BigPic:913x461

Artimi全球行销资深副总裁Thomas J Cooper表示，就应用面来看，短距离的高速无线通讯又可依大量数据传输和串流影音播放的用途，以及是固定式或可携式的设备，再分为四大类型的应用领域。这四大区块的要求各不相同，其中串流影音播放要求极高的即时性，大量的数据传输要求的则是速度，可携式设备则非常重视低功耗及小尺寸的设计。因此，在W-USB的应用上，将会以固定式的PC及其周边为最先开始的市场，而且主要是用于数据的传输，因为这会是技术难度较低的一个领域。请参考(图三)。

《图三 W-USB的四大应用领域（数据源：Artimi》 - BigPic:832x539

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以市场建置的现况来看，PC售后市场（after-market）及附加卡（add-on card）确实是W-USB最早锁定的开发目标，多数的UWB/W-USB晶片组厂商已分别提出W-USB Dongle、Hub及mini card的参考设计和评估套件（EV Kit）。 WiQuest台湾区总经理Doug Pierce指出，新兴的市场总需要先证实技术及应用模式是可行的，才会大量的采用。因此，先期市场必然是从为既有的设备延伸W-USB的功能开始，这将会在明年第一季进入商品化的阶段；下一步才会推出嵌入式功能的产品；至于可携式和行动式的产品，则会再晚一步，为的是要等到市场上有足够的主机（Host），才能形成无线连结的同步环境，例如将手机的相片传送到列表机进行输出，或将MP3音乐从PC上传到手机上头。

另一个重点市场则是家庭影音产品的无线应用。 Doug Pierce认为这个市场会比PC市场稍晚起步，但相差时间不会太久，也会从售后市场先开始。不过，这类的应用对连线的可靠性与可用性相当重视，不能允许出现太高的封包错误率，而且要在与其他无线讯号共存的环境下，仍不致于受到干扰而造成效能衰减，也就是在与Wi-Fi、手机、无线电话和微波炉等设备在相距10～20 公分的状况下，也还能提供顺畅的广播品质。这对晶片及设备厂商来说，都不是件容易克服的事。

W-USB的技术特色

且来看看W-USB的技术特性及设计需求，这部分的规范是由USB-IF在进行定义与验证。它和有线的USB规格极为相近，同样是采主机–设备（host – device）的拓朴架构，其一主机最多可连上127个终端设备，形成丛集（cluster）网路；W-USB的丛集可以与空间中的其他丛集并存，并能将干扰降到最小。 W-USB也与有线的USB完全相容，能够桥接到有线USB的主机与设备。

此架构的特色是由主机端来负责复杂性的工作，进而保有设备端的建置单纯性与成本；在安装、设定上也要非常简单。在频宽上，W-USB在短距离内拥有极高的传输率：在三公尺内能达480Mbps，十公尺内则仍有110Mbps的速度，不过，W-USB的传输率是有延展性的，在更佳的技术条件下，它甚至能提供超过1Gbps的速度。

为了适用于可携式及行动式产品，W-USB的电源管理是相当重要的议题，规划中的目标是将收发器PHY的功耗能降到130～160mW的程度。此外，无线连结的另一个挑战是其安全性，必须让主机与设备，或设备与设备之间建立起可信赖的连结，这需透过设备的验证（authentication）来达成。不过，此一验证的进行又不能对传输效率造成太大的冲击，也就是加解密的过程不能太过复杂。

WiMedia与全球频谱频繁

再来看看WiMedia所提出的MB-OFDM UWB的射频实体层规范，它可免费使用3.1～10.6GHz的非管制频段，支援的数据速率为53.3Mbps、80Mbps、106.7Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps、 400Mbps和480Mbps。 UWB的使用频谱又再分为14个频段（band），每个频段的频宽为528MHz，前面有4个各有3个频段的频段群（band group），第5 个频段群则包含2 个段段。

在MB-OFDM的架构下，每一个频段采用110个次载波（sub-carrier）来传送资料，其中100个是数据资料载波，另外10个是保护载波（guard carrier）。以不同资料速率编码的数据会会以展频方式发射出去，展频的方式又可以分为时域/频域交错（Time-Frequency Interleaving；TFI）编码和固定频域（Fixed Frequency Interleaving；FFI)编码两种。在Ecma的规范中，前4个频段群各定义了4个TFI和3个FFI通道，加上第5个频段群的2个FFI通道，总共有30个通道可以使用。

虽然原则上有将近7500MHz的频宽可以给MB-OFDM UWB使用，但在全球市场上，除了美国是全频段开放给民间使用外，其他的区域或国家都只做了部分的开放，某些频段还有条件限制。在大部分的区域会先使用第一频段群（band group 1）的3～5GHz低频区来传送UWB讯号，不过，在规范动作较快的欧、日、韩等地，都对使用产品做了侦测与回避（Detect and Avoidance；DAA）的要求。

在UWB所使用的3.1～10.6GHz频段中，同时已有包括军用雷达、802.11a、WiMAX等无线技术在使用，DAA的目的就是要避免UWB对其他使用付费频段的无线技术造成干扰。 UWB接收器在第一频段群中最小接收灵敏度的测试数据显示，当资料速率为53.3Mbps时，灵敏度为-80.8dBm/MHz，若资料速率提升到480Mbps 时，灵敏度需求为-70.4dBm/MHz。所以DAA的规范中，当UWB的接收器侦测到其他付费频道的电波讯号时，必须将发射器的发射功率（Emission level）从-41.3dBm/MHz降到最低需求的-70dBm/MHz。目前包括日、韩、欧洲都准备采行这样的规范，不过对4.2～4.8GHz的第三频段会暂缓执行。请参考(图四)。

《图四 MB-OFDM的频段使用与各区域DAA限制（数据源：USB-IF》 - BigPic:921x550

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Doug Pierce表示，对UWB PHY的晶片厂商来说，DAA技术的建置并不容易。在侦测上就得先做到对所有频段的监听动作，当侦测到某频段的工作中电波时，还得进行降频或回避动作。 Doug Pierce指出，在回避的作法上有两种，一是将UWB的发射频段转移到另一个不会产生干扰的频段，例如从第一频段移到第二频段；另一种作法则是形成回避空隙（notch），也就是将该频段中有其他电波存在的资料音（Data Tone）给关掉，这得靠复杂的演算法来达成。

UWB晶片市场

W-USB/UWB的应用即将登场，各家晶片公司早已摩拳擦掌，准备在这个新兴市场中大展拳脚。这些厂商包括：Wisair、Staccato、Alereon、WiQuest、Sigma Designs、瑞昱（Realtek）、Tzero、Focus Enhancements、Artimi、NEC、Infineon，其中多数属于新创（start-up）公司，各自拥有独到的技术特色，也定位在不相同的市场领域。因此，下游的系统设备厂商有必要清楚自己的需求，才能选择最适合的晶片解决方案。

设备业者首先要确定自己的产品类型与应用市场。 W-USB/UWB主要有三大应用市场，分别是PC及其周边、消费性电子及行动装置。预估在2007年会率先采用W-USB的产品，包括dongle、Hub、mini-card、底座（docking station）等PC装置、外部硬碟及CD/DVD烧录器、列表机、MP3/PMP和数位相机等等。

这些PC和消费性电子产品将会使用3.1～4.8的低频段群，这也是目前多数晶片厂商都支援的频段。不过，其他的频段也在规划使用中，其中4.8～6GHz的频段偏向避开不用，因为802.11a与即将推出的802.11n将执行在4.8～6GHz频段。手机则会采用6GHz 以上的高频段，这也是下一代蓝芽将会执行的频段。因此，在考虑UWB的应用上，低频及高频的双频支援会是未来的一大趋势。

再来是晶片架构的选择。就W-USB/UWB的系统架构建置上，与其他的无线技术建置一样，整个系统架构的主要单元涵盖：天线、RF射频段实体层（将高频电波接收并转为低频电波）、基频段PHY层（将电波解调变为数位讯号）、基频段MAC层（数位功能执行）；其它的单元还包括：微处理器、记忆体、I/O、Tx/Rx交换器（switch） 、滤波器（filter）、石英共振器（Crystal）及被动元件等。除了天线是分开设计外，各家厂商对RF、PHY和MAC的整合或独立作法并不相同。

目前整合度最高的首推Staccato的解决方案，该公司连同RF、PHY和MAC都整合在一起，推出全CMOS的Ripcord系统级封装（SiP）单晶片，请参考(图五)。此外，包括WiQuest、Wisair等多数厂商都推出PHY和MAC整合的基频单晶片，再与RF晶片搭配。 Alereon则是分别推出RF、PHY和MAC的独立晶片，以因应主机端和设备端的不同需求。 Realtek推出的是整合RF与PHY的晶片，并搭配其他厂商的MAC方案。包括Intel、NEC等大厂都有自己的MAC方案，而新兴厂商中，Artimi是唯一主攻MAC解决方案的厂商。

《图五 Staccato的SiP单芯片解决方案（数据源：Staccato）》 - BigPic:983x482

Doug Pierce指出，从蓝芽及Wi-Fi的发展来看，单晶片整合是无线产品的必然设计趋势。整合度愈高的产品能降低设计时的整合议题，例如不需自行调校从射频到PHY，及从PHY到MAC的效能问题，也能降低潜在的品质风险，当然也能缩短设计时程，以及早推出产品。

不过，Thomas J Cooper表示，MAC的技术有相当的复杂度及专属性，目前大多数整合型的MAC在功能性上较简单，而且需搭配系统的CPU来协助运算，这对PC来说还好，但对于强调低功耗、CPU效能有限的可携式设备来说就会产生问题。此外，由于MAC与应用性息息相关，这部分的技术规格变动较大，必须让MAC具有高度的弹性，这得靠灵活的轫体结构来达成。

各家晶片特色与核心技术

就W-USB的晶片效能来看，基本的要求是要能达到53.3到480Mbps的速率，不过，有几家厂商透过自己的技术，已能延伸超过这样的范围。 WiQuest是目前宣称能达到1Gbps高速效能的厂商，在5公尺以内，收发端皆采用该公司产品的设备，就能够延伸到640、906和1024Mbps等速率。这是透过特殊的前向错误校正（Forward Error Correcting；FEC）编码技术，在接收端进行误码纠正演算，借此提高传输速率，完全是透过软体技术来达成，并未变更任何硬体配置。此外，Focus公司的PHY能将操作频率更广泛地涵盖3.2～7.2GHz的高、低频，其速率范围可从37Mbps提升到880Mbps，共有16个选择速率。

Doug Pierce表示，UWB的高速能力，本来就很适用于多媒体应用的领域，而该公司达到1Gbps的解决方案，能够在低压缩率的条件下，提供HDTV或SXGA等高画质影像的传输用途。这也是WiQuest日前推出WiDV解决方案（WQST100/101晶片组），正式跨足家庭影音无线传输领域的原因。请参考(图六)。

《图六 WiQuest的高传输率可达成低压缩比的影音传输（数据源：WiQuest）》 - BigPic:857x551

比WiQuest更早定位在家庭市场的厂商是Focus和Tzero，其中Tzero以能满足即时连结诉求的可靠性（reliability）和可用性（availability）而受到肯定。该公司的晶片方案强调在传输上的封包错误率小于10～8，也就是在两个小时内连一个封包错误都不会产生；在电波干扰的稳定性上，当正常讯号与干扰来源的比值已小到-10dB时，在操作上仍不会发生问题。此外，其晶片也具备QoS机制，能为影音服务提供频宽保证。

Tzero晶片的另一特色是采用多输入多输出（MIMO）先进天线技术，该公司的UltraMIMO技术强调能增加传输范围、提升连结可靠性及降低干扰的情况。同样也采用先进天线技术的厂商则包括Realtek和Sigma Designs。 Realtek开发了一项称为MRC（maximum ratio combining）的技术，它类似MIMO，以两组独立的发射及接收电路来提升通讯的品质。该公司指出，透过MRC技术能有效将通讯的可靠度提升10％以上。

此外，Sigma Designs的Blue 7晶片采用的是智慧型矩阵天线（Intelligent Array Radio, IAR）技术，它可以同时支援3个天线，在20公尺内可达到106.7Mbps的速度，在10公尺处则能有200Mbps的速度，这显示出此技术能有效提升UWB的传输范围。

其他考量

在效能以外，W-USB/UWB晶片方案的选择，还有几项重要的考量因素，包括支援介面、功耗和成本等。就介面上，不同的应用定位会有不同的介面需求，例如在PC应用上需要用到CF、SDIO等介面；在多媒体应用上则会需要如DVB-SPI的MPEG介面。此外，基频晶片最好能提供可配置（configurable）的同步性本地汇流排介面，以和各种外部的IC进行通讯，例如1394、USB 2.0、Ethernet晶片或微处理器等等。

低功耗则是W-USB/UWB晶片的一大设计议题。对于接电式的设备来说，目前的解决方案大致上已可行，但对于可携式及行动式的设备来说，在功耗上仍有很大的挑战待克服。一般PDA在没有应用通讯连结时，功耗约250～400mW；若考虑通讯状况，手机的通话功耗一般为200～300mW，这些设备的预期电池使用寿命至少要有3～5天。今日若再增加W-USB的应用，也不能增加太大功耗需求，才不会对电池寿命造成太大的冲击。W-USB对射频功耗的设计要求是要降到300 mW以下（使用状况），平均则在100mW左右。目前的技术现况请参考(表一)。

以Alereon的发展蓝图来看，目前整个W-USB功能模组的峰值动态功耗达1.4W，但透过制程技术的升级，当逐步走到全CMOS的90nm制程时，整个模组的功耗可以降低到0.6W，请参考(图七)。若再透过先进的电源管理技术，也就是有效管理运作和休眠的模式，并尽量降低电流泄露的静态功耗，就能达到更佳的低功耗成果。

《图七 Alereon之W-USB功能模块在功耗上的发展蓝图（数据源：Alereon）》 - BigPic:941x558

在成本方面当然是愈低愈好，而只要市场量产需求浮现，晶片方案也采行先进的制程，则届时降价的空间就很大。在目前市场起步的初期，整个W-USB功能模组的报价约在20～25美元，价格仍高，但预估到了2007年中以后，价格会降到10美元左右，2008年后则会再降到6～8美元，甚至是5美元以下。

结论

据Doug Pierce指出，目前WiMedia对PHY/MAC产品的第一次验证结果已经在12月初出炉，有4项产品通过验证，接下来很快就会进入主机（HWA）或设备（DWA）端产品的W-USB认证，以及微软方面的认证。预计大约在明年初，通过这些认证的产品就会开始上市，将W-USB正式推入商品化的阶段。

这虽然只是一个开始，但却具有划时代的意义。未来，环绕在消费者身边繁杂的通讯线路，将可望逐步被无线的UWB技术给取代。不过，在这一天来临之前，还有很多的障碍横在眼前有待克服，包括在有限频谱上的使用方式、对WUSB、蓝芽、WiNET等多种应用模式的支援，以及在产品效能、成本、尺寸与功耗之间的取舍。

（作者为电子产业自由作家，联络方式：ou.owen@gmail.com ）