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用UWB传输广播品质视频的需求

52RD.com　2006年11月14日　Tzero Technologies　　　　　　　　　　　　评论：0条　我来说两句

数字内容运用的爆炸性成长，再加上像平面电视与DVD录影机这类高品质显示（及储存）装置以具备成本效益的方式供应市场，改变了消费者使用与显示内容的方式。这些趋势助长人们想将内容从任何储存装置（DVD录影机、TiVo或手持式媒体播放机），移到任何地点以及任何显示装置。

目前，想要体验装置之间内容分享，必须安装专用缆线与接线，这是一种昂贵又有破坏性的做法。为了让消费者真正能够随处欣赏内容，市场需要一种可靠而具备成本效益的无线解决方案。而超宽频（UWB）具备高频宽与微衰减可能性降低，使得连线可靠性与可用性大幅改善，因此成为最具期待的应用技术，本文将说明市场驱动力、频谱配置与标准以及其优点。　　市场驱动力：家庭娱乐
近五年来，家庭娱乐的生活方式因家庭数字化而出现革命性变化。这些变化包括下列产品与技术的可用性与快速採用：
․大萤幕电视
․平面显示装置
․DVR实现内容时光平移
․媒体伺服器与媒体娱乐PC
․游戏机
․数字相机与摄影机
․视频iPOD与个人媒体播放机

装载数字内容的装置可用性，让人们希望能在任意两种装置之间分享广播品质的内容，例如分享房间内TiVo与厨房电视的内容。目前，想要体验装置之间内容分享，必须安装专用缆线与接线，这是一种昂贵又有破坏性的做法，也无法满足消费者能够随处欣赏、分享高品质内容的需求，因此无线HDMI解决方案日益受到重视。在2003年7月公佈的IEEE 802.15-03/276r0中，Panasonic、Philips、Samsung、Sharp与Sony等五家消费性电子产品领导厂商，清楚定义出发送广播品质视频的需求，也为UWB在家庭与办公室的无线应用中的发展大为看好：
1.连线可靠性与可用性：通信连线必须达到多少时间百分比的无错误发送。
2.封包错误率：相较于MPEG封包总数的MPEG错误封包数。
3.抗干扰：在曝露于其他无线信号下，UWB装置能避免效能衰减，并且不造成其他无线通信装置衰减的能力。这些装置包括传统WiFi网路装置。需求定义为：必须与802.11（所有版本a/b/g/n）装置、移动电话、无线电话与微波炉之间距在10到20公分之间还能共存。
4.资料速度与覆盖范围：在以公尺计的覆盖范围距离内，所能达到的资料速度。

频谱配置与工业标准
全球管理机构史无前例地在制定无线通信法规时，採用一般频谱配置宽达7.5 GHz的UWB。第一波UWB产品很可能佔据Band Group 1（如下图所示），也就是约1.7 GHz的频谱。
　

WiMedia联盟已定义UWB通信互通性标准。标准的功能重点在于解决视频内容传输的严苛要求。WiMedia联盟在定义高效能解决方案的新标准时，具备一些空前的优势，包括：

1.WiMedia联盟做为定义支援高频宽应用的新标准，拥有绝佳的优势，因此并不只是侷限于以传统设备为基础的效能。
2.WiMedia联盟定义MAC（媒体存取控制器）规格以支援服务品质（QoS），包括保证频宽的频宽预留机制，以及移动装置简化网路的点对点通信。
3.UWB通讯可使用的宽频谱独特地提供高频宽与降低微衰减的可能性，大幅提昇连线可靠性与可用性。

展望未来，蓝芽SIG已採用WiMedia空中介面协定做为蓝芽3.0的基础。这两大工业标准团体的整合，将为业界带来完整的解决方案以及核准全球性法规，这将使业界更加广泛採用UWB。

UWB宽频谱的优点
WiMedia联盟标准UWB的宽频率范围与528 MHz通道的主要优点之一，为通道容量的改善（高资料速率）。通道容量定义为透过通信通道，每秒可发送的最大资料量。请参考下方的第一个方程式，可发现单输入单输出（SISO）通道的容量与频宽为直接正比关系。

因此可以看出，在这些限制下（无衰减、无干扰以及单一通道）容量会与频宽成正比，但与信号强度仅成对数比。使用大型UWB频谱的优点之一（相较于由ITU-R定义于5.138与5.150 GHz之间ISM频段窄频配置，也就是无线区域网路802.11系统通讯）现在显然易见：资料速度的潜在增加极显着，而UWB系统发送能力较低的限制，相对之下较不重要。

我们也要特别注意，当ρ因为干扰而受而限制时，抵消干扰的需要性也就更显着。稍后我们将讨论Tzero在UWB晶片组中实作的抵消干扰。现在我们已扩大讨论范围纳入SIMO（单输入多输出）以及MIMO（多输入多输出）衰减通道。适用于衰减通道MIMO系统的容量方程式，也显示若det (IM + HH*)-> 1，容量就会变为0。若ρ值低（讯噪比弱或干扰严重）或通道（H或HH*）有问题时，会发生这种现象。通道可能在两方面成为问题：
1. 微衰减，接收信号非常弱而容量下降。在窄频系统更常发现这种现象（稍后详述）。相对之下UWB对此现象免疫。
2. 调整不量的通道矩阵H，是使用空间多工以传输更高资料速率的802.11(n) MIMO系统之问题所在。需要调整良好的通道矩阵以传输更高资料速率的802.11(n)系统，大多数散射环境无法支援几个（例如三或四个）空间独立通道，是非常严重的问题。

尽管802.11(n)支持者宣称理论上能达到150 Mbps尖峰资料速度，但却未能经由空间多工技术达到持续高传输速度。
　

Capacity Equations

＿白色高斯噪音对于加成白色高斯噪音（AWGN）
（无衰减）单通道，适用方程式如下：

C ρ SISO = B log2 (1 + ) bits/s

我们可以从这里看到单输入单输出通道的容量，与频宽B、讯噪比ρ成直接正比。更常见的用法是在干扰出现时，ρ为即讯噪干扰比的函数。

＿SIMO与MIMO衰减通道

此时容量方程式为：

C ρ MIMO = B log2(det (IM + HH*))

这里又再次看到，C代表通道容量、B为频宽、ρ为SNR、I为维度M（发送天线数）的单位矩阵，而H为发送器与接收器之间的通道矩阵（维度为MxN，M为发送天线数而N为接收天线数）。这里如同前例，容量会随着频宽线性比例增加而随着SNR对数比例增加。于是如前所述，UWB以更宽的频谱（为802.11的10到100倍之间）可产生更高的资料传输率。

上图显示UWB宽频谱的配置在通讯连线可靠性上的优点，此图为典型室内散射环境的频率图。我们可看到频率范围内，接收讯号功率变化剧烈（从高出平均值0 dB讯号强度几个dB，到相较于平均值-30 dB以上，即1/1000倍）。

peak与null之间的空隔也很重要。若假设RMS延迟分佈（接收讯号散射的衡量值）约为10 ns，那么不相关频率间隔衡量值的同调频宽（coherence bandwidth）约为16 MHz。相当有趣地，它与单一802.11通道的频宽大致相同（而且约为802.11n委员会所提出之新40 MHz通道的一半）。也就是说频谱中20 MHz区域会不断遇上严重的衰减或无讯号状态，因此无法有效用于通讯。

WiMedia联盟版本的UWB，採用跨越三道528 MHz通道的1.584 GHz频谱。将近有100个以上的这些peak与null可产生相当不错的平均效果，也就是说整个1.584 GHz的频宽会发生严重衰减的机率相当小。

任何努力想成为「常开」状态的通讯连线，非常需要有内在频率多样性。在资料网路上，周期性衰减并非严重问题，因为只要连线层或网路层重新发送，通常就能确保资料抵达目的，即使有些延迟。但对时间特别敏感的应用，例如视讯或音讯，衰减就会造成灾难性的影响。因此，使用非常宽的频率范围是迈向可靠、高频宽通讯的关键第一步。

总之，WiMedia联盟的UWB标准指定通道频宽为528 MHz，通常跨越三条这种通道。WiMedia UWB使用的频宽，约为下一代40 MHz无线区域网路系统的40倍。这种宽频谱的优点有两个：
1. 通道容量与通道频宽成线性比例增加。
2. 频率多样性大幅降低微衰减发生的可能性，因此大幅提昇连线可靠性。
　

图说：WiMedia 联盟系统架构
　

解决方案重点：满足并超越需求
无线网路效能最佳化需要完整系统的结构与设计，包括射频IC（RFIC）、整合实体层（PHY）与媒体存取控制器、软体与天线设计的混合讯号基频单晶片系统（SoC）。宽频无线技术公司Tzero推出基于COMS、由RFIC及基频混合讯号单晶片系统组成的UWB晶片组，提出独特的解决方案架构设计，满足消费性电子产品公司所提出的所有需求。由于MAC协定是在整合的处理器上执行，此架构大幅简化将软体转移至各种作业系统与主机处理器所需的作业。（详细内容请参见文末相关连结）
　

属性	CE要求	资料网路（WiFi）要求	Tzero效能
连线可靠性	95%至98+%	90%	>>99%
封包错误率	10^-8	8%	10^-8
每120分钟高解析电视允许封包错误	少于1	7,659,574	少于1
抗干扰	希望做到，但未规定特定需求	未考虑	-10 dB
资料速率与覆盖范围	>100 Mbps@直视距离10公尺	11 Mbit@非直视距离15公尺*a	106.7 Mbps@非直视距离15-30公尺*b

表1:Tzero UWB解决方案资料表。
附註：a. 2006年7月《PC World》杂志。 b. 非直视距离，包括穿墙。
　

结论
随着UWB标准大致底定，以及应用于家庭及办公室高品质影音资料传输的无线需求提高，以超宽频的宽频谱作为基础技术取代有线网路效能，透过家中所有装置的连线平台，提供家庭娱乐应用、使用模式与装置的解决方案，满足广播品质视讯的UWB应用技术，将大为热门。(52RD.com)

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