我們正處於一個由類比通訊進入數位通訊、並從有線通訊進入無線通訊的時代。在無線廣域（WWAN）的範圍中，GSM/GPRS/WCDMA等蜂巢式網路已讓人們的通話可以行動化，另一競爭技術WiMAX也已邁入商品化的階段；在無線區域網路的部分，802.11a/b/g已成為相當普及的室內技術，更高速的802.11n也即將公佈；另一個重要的應用領域則是短距離的無線個人網路（WPAN），其中藍芽已用在手機的耳機等用途上，但更高速的UWB技術在兩大陣營的標準爭執多時後，總算進入明朗的階段，WiMedia今日已取得主導性的地位。

WiMedia聯盟的任務是定義其MB-OFDM UWB的底層PHY和MAC規範，並進行PHY的互通性測試。在此一高速射頻訊號收發的技術基礎下，透過協定調適層（Protocol Adaptation Layer；PAL），UWB可以用在不同的短距離應用上，包括USB、WiNET（UPnP/IP）、1394、HDMI，甚至是同為短距無線技術的Bluetooth，請參考(圖一)。目前發展最快的無疑是無線USB（Wireless USB；W-USB），W-USB V1.0標準已在2005年5月公佈，而Bluetooth SIG也已在2006年3月底選擇MB-OFDM做為其3.0版的公共無線平台基礎技術。

《圖一　UWB可做為公共無線平台的基礎技術（資料來源：USB-IF》 - BigPic:944x563

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W-USB的市場定位

就市場定位來看，WPAN和WLAN確實有其市場區隔，其互補性大於競爭性，就如同乙太網路和USB 1.1/2.0之間的關係一樣。其中USB的成功是有目共睹的，它在PC及其週邊的採用率幾乎達百分之百，在消費電子及通訊產品的應用也愈來愈普及，在此基礎下，W-USB具備了極佳的發展條件。根據In-Stat的分析，截至2005年USB的設備年出貨量已達14億個單位，預估到2010年時將成長到28億，其市場領域涵蓋低速、全速、高速USB，以及最新的W-USB，約佔3億個單位。請參考(圖二)。

《圖二　USB及W-USB的市場成長預估》 - BigPic:913x461

Artimi全球行銷資深副總裁Thomas J Cooper表示，就應用面來看，短距離的高速無線通訊又可依大量數據傳輸和串流影音播放的用途，以及是固定式或可攜式的設備，再分為四大類型的應用領域。這四大區塊的要求各不相同，其中串流影音播放要求極高的即時性，大量的數據傳輸要求的則是速度，可攜式設備則非常重視低功耗及小尺寸的設計。因此，在W-USB的應用上，將會以固定式的PC及其週邊為最先開始的市場，而且主要是用於數據的傳輸，因為這會是技術難度較低的一個領域。請參考(圖三)。

《圖三　W-USB的四大應用領域（資料來源：Artimi》 - BigPic:832x539

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以市場建置的現況來看，PC售後市場（after-market）及附加卡（add-on card）確實是W-USB最早鎖定的開發目標，多數的UWB/W-USB晶片組廠商已分別提出W-USB Dongle、Hub及mini card的參考設計和評估套件（EV Kit）。WiQuest台灣區總經理Doug Pierce指出，新興的市場總需要先證實技術及應用模式是可行的，才會大量的採用。因此，先期市場必然是從為既有的設備延伸W-USB的功能開始，這將會在明年第一季進入商品化的階段；下一步才會推出嵌入式功能的產品；至於可攜式和行動式的產品，則會再晚一步，為的是要等到市場上有足夠的主機（Host），才能形成無線連結的同步環境，例如將手機的相片傳送到列表機進行輸出，或將MP3音樂從PC上傳到手機上頭。

另一個重點市場則是家庭影音產品的無線應用。Doug Pierce認為這個市場會比PC市場稍晚起步，但相差時間不會太久，也會從售後市場先開始。不過，這類的應用對連線的可靠性與可用性相當重視，不能允許出現太高的封包錯誤率，而且要在與其他無線訊號共存的環境下，仍不致於受到干擾而造成效能衰減，也就是在與Wi-Fi、手機、無線電話和微波爐等設備在相距10～20 公分的狀況下，也還能提供順暢的廣播品質。這對晶片及設備廠商來說，都不是件容易克服的事。

W-USB的技術特色

且來看看W-USB的技術特性及設計需求，這部分的規範是由USB-IF在進行定義與驗證。它和有線的USB規格極為相近，同樣是採主機–設備（host – device）的拓樸架構，其一主機最多可連上127個終端設備，形成叢集（cluster）網路；W-USB的叢集可以與空間中的其他叢集並存，並能將干擾降到最小。W-USB也與有線的USB完全相容，能夠橋接到有線USB的主機與設備。

此架構的特色是由主機端來負責複雜性的工作，進而保有設備端的建置單純性與成本；在安裝、設定上也要非常簡單。在頻寬上，W-USB在短距離內擁有極高的傳輸率：在三公尺內能達480Mbps，十公尺內則仍有110Mbps的速度，不過，W-USB的傳輸率是有延展性的，在更佳的技術條件下，它甚至能提供超過1Gbps的速度。

為了適用於可攜式及行動式產品，W-USB的電源管理是相當重要的議題，規劃中的目標是將收發器PHY的功耗能降到130～160mW的程度。此外，無線連結的另一個挑戰是其安全性，必須讓主機與設備，或設備與設備之間建立起可信賴的連結，這需透過設備的驗證（authentication）來達成。不過，此一驗證的進行又不能對傳輸效率造成太大的衝擊，也就是加解密的過程不能太過複雜。

WiMedia與全球頻譜頻範

再來看看WiMedia所提出的MB-OFDM UWB的射頻實體層規範，它可免費使用3.1～10.6GHz的非管制頻段，支援的數據速率為53.3Mbps、80Mbps、106.7Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。UWB的使用頻譜又再分為14個頻段（band），每個頻段的頻寬為528MHz，前面有4個各有3個頻段的頻段群（band group），第 5 個頻段群則包含 2 個段段。

在MB-OFDM的架構下，每一個頻段採用110個次載波（sub-carrier）來傳送資料，其中100個是數據資料載波，另外10個是保護載波（guard carrier）。以不同資料速率編碼的數據會會以展頻方式發射出去，展頻的方式又可以分為時域/頻域交錯（Time-Frequency Interleaving；TFI）編碼和固定頻域（Fixed Frequency Interleaving；FFI)編碼兩種。在Ecma的規範中，前4個頻段群各定義了4個TFI和3個FFI通道，加上第5個頻段群的2個FFI通道，總共有30個通道可以使用。

雖然原則上有將近7500MHz的頻寬可以給MB-OFDM UWB使用，但在全球市場上，除了美國是全頻段開放給民間使用外，其他的區域或國家都只做了部分的開放，某些頻段還有條件限制。在大部分的區域會先使用第一頻段群（band group 1）的3～5GHz低頻區來傳送UWB訊號，不過，在規範動作較快的歐、日、韓等地，都對使用產品做了偵測與迴避（Detect and Avoidance；DAA）的要求。

在UWB所使用的3.1～10.6GHz頻段中，同時已有包括軍用雷達、802.11a、WiMAX等無線技術在使用，DAA的目的就是要避免UWB對其他使用付費頻段的無線技術造成干擾。UWB接收器在第一頻段群中最小接收靈敏度的測試數據顯示，當資料速率為53.3Mbps時，靈敏度為-80.8dBm/MHz，若資料速率提升到480Mbps 時，靈敏度需求為-70.4dBm/MHz。所以DAA的規範中，當UWB的接收器偵測到其他付費頻道的電波訊號時，必須將發射器的發射功率（Emission level）從-41.3dBm/MHz降到最低需求的-70dBm/MHz。目前包括日、韓、歐洲都準備採行這樣的規範，不過對4.2～4.8GHz的第三頻段會暫緩執行。請參考(圖四)。

《圖四　MB-OFDM的頻段使用與各區域DAA限制（資料來源：USB-IF》 - BigPic:921x550

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Doug Pierce表示，對UWB PHY的晶片廠商來說，DAA技術的建置並不容易。在偵測上就得先做到對所有頻段的監聽動作，當偵測到某頻段的工作中電波時，還得進行降頻或迴避動作。Doug Pierce指出，在迴避的作法上有兩種，一是將UWB的發射頻段轉移到另一個不會產生干擾的頻段，例如從第一頻段移到第二頻段；另一種作法則是形成迴避空隙（notch），也就是將該頻段中有其他電波存在的資料音（Data Tone）給關掉，這得靠複雜的演算法來達成。

UWB晶片市場

W-USB/UWB的應用即將登場，各家晶片公司早已摩拳擦掌，準備在這個新興市場中大展拳腳。這些廠商包括：Wisair、Staccato、Alereon、WiQuest、Sigma Designs、瑞昱（Realtek）、Tzero、Focus Enhancements、Artimi、NEC、Infineon，其中多數屬於新創（start-up）公司，各自擁有獨到的技術特色，也定位在不相同的市場領域。因此，下游的系統設備廠商有必要清楚自己的需求，才能選擇最適合的晶片解決方案。

設備業者首先要確定自己的產品類型與應用市場。W-USB/UWB主要有三大應用市場，分別是PC及其週邊、消費性電子及行動裝置。預估在2007年會率先採用W-USB的產品，包括dongle、Hub、mini-card、底座（docking station）等PC裝置、外部硬碟及CD/DVD燒錄器、列表機、MP3/PMP和數位相機等等。

這些PC和消費性電子產品將會使用3.1～4.8的低頻段群，這也是目前多數晶片廠商都支援的頻段。不過，其他的頻段也在規劃使用中，其中4.8～6GHz的頻段偏向避開不用，因為802.11a與即將推出的802.11n將執行在4.8～6GHz頻段。手機則會採用6GHz 以上的高頻段，這也是下一代藍芽將會執行的頻段。因此，在考慮UWB的應用上，低頻及高頻的雙頻支援會是未來的一大趨勢。

再來是晶片架構的選擇。就W-USB/UWB的系統架構建置上，與其他的無線技術建置一樣，整個系統架構的主要單元涵蓋：天線、RF射頻段實體層（將高頻電波接收並轉為低頻電波）、基頻段PHY層（將電波解調變為數位訊號）、基頻段MAC層（數位功能執行）；其它的單元還包括：微處理器、記憶體、I/O、Tx/Rx交換器（switch）、濾波器（filter）、石英共振器（Crystal）及被動元件等。除了天線是分開設計外，各家廠商對RF、PHY和MAC的整合或獨立作法並不相同。

目前整合度最高的首推Staccato的解決方案，該公司連同RF、PHY和MAC都整合在一起，推出全CMOS的Ripcord系統級封裝（SiP）單晶片，請參考(圖五)。此外，包括WiQuest、Wisair等多數廠商都推出PHY和MAC整合的基頻單晶片，再與RF晶片搭配。Alereon則是分別推出RF、PHY和MAC的獨立晶片，以因應主機端和設備端的不同需求。Realtek推出的是整合RF與PHY的晶片，並搭配其他廠商的MAC方案。包括Intel、NEC等大廠都有自己的MAC方案，而新興廠商中，Artimi是唯一主攻MAC解決方案的廠商。

《圖五　　Staccato的SiP單晶片解決方案（資料來源：Staccato）》 - BigPic:983x482

Doug Pierce指出，從藍芽及Wi-Fi的發展來看，單晶片整合是無線產品的必然設計趨勢。整合度愈高的產品能降低設計時的整合議題，例如不需自行調校從射頻到PHY，及從PHY到MAC的效能問題，也能降低潛在的品質風險，當然也能縮短設計時程，以及早推出產品。

不過，Thomas J Cooper表示，MAC的技術有相當的複雜度及專屬性，目前大多數整合型的MAC在功能性上較簡單，而且需搭配系統的CPU來協助運算，這對PC來說還好，但對於強調低功耗、CPU效能有限的可攜式設備來說就會產生問題。此外，由於MAC與應用性息息相關，這部分的技術規格變動較大，必須讓MAC具有高度的彈性，這得靠靈活的軔體結構來達成。

各家晶片特色與核心技術

就W-USB的晶片效能來看，基本的要求是要能達到53.3到480Mbps的速率，不過，有幾家廠商透過自己的技術，已能延伸超過這樣的範圍。WiQuest是目前宣稱能達到1Gbps高速效能的廠商，在5公尺以內，收發端皆採用該公司產品的設備，就能夠延伸到640、906和1024Mbps等速率。這是透過特殊的前向錯誤校正（Forward Error Correcting；FEC）編碼技術，在接收端進行誤碼糾正演算，藉此提高傳輸速率，完全是透過軟體技術來達成，並未變更任何硬體配置。此外，Focus公司的PHY能將操作頻率更廣泛地涵蓋3.2～7.2GHz的高、低頻，其速率範圍可從37Mbps提升到880Mbps，共有16個選擇速率。

Doug Pierce表示，UWB的高速能力，本來就很適用於多媒體應用的領域，而該公司達到1Gbps的解決方案，能夠在低壓縮率的條件下，提供HDTV或SXGA等高畫質影像的傳輸用途。這也是WiQuest日前推出WiDV解決方案（WQST100/101晶片組），正式跨足家庭影音無線傳輸領域的原因。請參考(圖六)。

《圖六　　WiQuest的高傳輸率可達成低壓縮比的影音傳輸（資料來源：WiQuest）》 - BigPic:857x551

比WiQuest更早定位在家庭市場的廠商是Focus和Tzero，其中Tzero以能滿足即時連結訴求的可靠性（reliability）和可用性（availability）而受到肯定。該公司的晶片方案強調在傳輸上的封包錯誤率小於10～8，也就是在兩個小時內連一個封包錯誤都不會產生；在電波干擾的穩定性上，當正常訊號與干擾來源的比值已小到-10dB時，在操作上仍不會發生問題。此外，其晶片也具備QoS機制，能為影音服務提供頻寬保證。

Tzero晶片的另一特色是採用多輸入多輸出（MIMO）先進天線技術，該公司的UltraMIMO技術強調能增加傳輸範圍、提升連結可靠性及降低干擾的情況。同樣也採用先進天線技術的廠商則包括Realtek和Sigma Designs。Realtek開發了一項稱為MRC（maximum ratio combining）的技術，它類似MIMO，以兩組獨立的發射及接收電路來提升通訊的品質。該公司指出，透過MRC技術能有效將通訊的可靠度提升10％以上。

此外，Sigma Designs的Blue 7晶片採用的是智慧型矩陣天線（Intelligent Array Radio, IAR）技術，它可以同時支援3個天線，在20公尺內可達到106.7Mbps的速度，在10公尺處則能有200Mbps的速度，這顯示出此技術能有效提升UWB的傳輸範圍。

其他考量

在效能以外，W-USB/UWB晶片方案的選擇，還有幾項重要的考量因素，包括支援介面、功耗和成本等。就介面上，不同的應用定位會有不同的介面需求，例如在PC應用上需要用到CF、SDIO等介面；在多媒體應用上則會需要如DVB-SPI的MPEG介面。此外，基頻晶片最好能提供可配置（configurable）的同步性本地匯流排介面，以和各種外部的IC進行通訊，例如1394、USB 2.0、Ethernet晶片或微處理器等等。

低功耗則是W-USB/UWB晶片的一大設計議題。對於接電式的設備來說，目前的解決方案大致上已可行，但對於可攜式及行動式的設備來說，在功耗上仍有很大的挑戰待克服。一般PDA在沒有應用通訊連結時，功耗約250～400mW；若考慮通訊狀況，手機的通話功耗一般為200～300mW，這些設備的預期電池使用壽命至少要有3～5天。今日若再增加W-USB的應用，也不能增加太大功耗需求，才不會對電池壽命造成太大的衝擊。W-USB對射頻功耗的設計要求是要降到300 mW以下（使用狀況），平均則在100mW左右。目前的技術現況請參考(表一)。

以Alereon的發展藍圖來看，目前整個W-USB功能模組的峰值動態功耗達1.4W，但透過製程技術的升級，當逐步走到全CMOS的90nm製程時，整個模組的功耗可以降低到0.6W，請參考(圖七)。若再透過先進的電源管理技術，也就是有效管理運作和休眠的模式，並儘量降低電流洩露的靜態功耗，就能達到更佳的低功耗成果。

《圖七　　Alereon之W-USB功能模組在功耗上的發展藍圖（資料來源：Alereon）》 - BigPic:941x558

在成本方面當然是愈低愈好，而只要市場量產需求浮現，晶片方案也採行先進的製程，則屆時降價的空間就很大。在目前市場起步的初期，整個W-USB功能模組的報價約在20～25美元，價格仍高，但預估到了2007年中以後，價格會降到10美元左右，2008年後則會再降到6～8美元，甚至是5美元以下。

結論

據Doug Pierce指出，目前WiMedia對PHY/MAC產品的第一次驗證結果已經在12月初出爐，有4項產品通過驗證，接下來很快就會進入主機（HWA）或設備（DWA）端產品的W-USB認證，以及微軟方面的認證。預計大約在明年初，通過這些認證的產品就會開始上市，將W-USB正式推入商品化的階段。

這雖然只是一個開始，但卻具有劃時代的意義。未來，環繞在消費者身邊繁雜的通訊線路，將可望逐步被無線的UWB技術給取代。不過，在這一天來臨之前，還有很多的障礙橫在眼前有待克服，包括在有限頻譜上的使用方式、對WUSB、藍芽、WiNET等多種應用模式的支援，以及在產品效能、成本、尺寸與功耗之間的取捨。

（作者為電子產業自由作家，聯絡方式：ou.owen@gmail.com ）