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超宽带技术受益于FCC的新规则 |
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作者：飞思卡尔半导体公司无线与移动系统部 |
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2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准将超宽带(UWB)技术用于商业应用。以前，UWB主要是用于军事与政府应用，例如可透过树叶检测图像的雷达等。
在2002年2月的规定下，FCC准予UWB在极低的功率水平(-41 dBm/MHz)下使用3.1 - 10.6 GHz的非授权频段。不像带宽较窄而发射功率较高的传统无线电，UWB被允许以很低的功率在一个宽频段内发射信号。这意味着，UWB信号实际上是与其他频谱使用者共用频段，并与现有的窄带系统相重叠，从而能更有效地利用可用频谱资源。
但FCC同时指出，UWB的功率规定是保守的。他们希望在他们考虑修改该规定以前，有更多现实的UWB商业应用可以被实现。该保守规定(尤其是极低的功率水平)旨在保护那些现有频谱持有者不受任何可能由UWB引起的干扰。
UWB的简要历史
2002年6月，一家UWB新兴企业——XtremeSpectrum公司推出了第一款遵循新规定的UWB器件，它采用其直接序列UWB (DS-UWB) 技术，用于无线连接应用。XtremeSpectrum公司于2003年被摩托罗拉公司收购，并由此成为飞思卡尔半导体公司的超宽带事业部。2004年，飞思卡尔获得了FCC对业界第一款商业UWB器件的认证。尽管这种110 Mbps的器件已经生产并实现商业供应，但并非所有UWB技术都能在现有规定下得到认证。
的确，当FCC于2002年最初批准UWB时，多频带正交频分复用(MB-OFDM)规范(实际上是DS-UWB的一种竞争协议)还尚未开发出来。2004年，MB-OFDM联盟(MBOA)向FCC提交了一份豁免申请，以允许采用不同于2002年规定中指定的程序来测试这种风格的UWB技术。表1：FCC豁免规则生效前后的影响
 在最初的规定下，即使UWB器件本身内置了“门控”或节电技术，也要求在全功率水平下对其进行测试。由于MB-OFDM是一种跳频技术，因此会进行频繁地开/关。当以一直开机(always-on)的方式测试时，从一个频段跳向另一个频段所需的突发功率超过-41dBm的功率限制。对MB-OFDM规范的最初审查发现，该技术在一个给定的传输周期内平均要跳三次，所以当它试图满足FCC的发射测试时，性能将下降。该豁免申请要求只对实际时间的发射(而不对开机系统的总功率)进行测试。DS-UWB也受到开机测试要求的约束。不过，因为它发射更长的连续信号，所以很容易满足发射标准，同时在10米范围内提供110 Mbps的传输速率。
FCC的豁免规定
2005年3月，FCC批准了由MBOA提出的豁免申请。不过，它不仅批准了MB-OFDM波形测量方面的变化，而且还采取了一种技术中立姿态，将这些变化运用于所有UWB技术。
特别地，FCC对UWB的豁免有效地消除了之前对跳频与门控UWB技术的发射功率限制。但在这种技术中立的政策下，不同UWB技术从新规定上获益的能力，仍极大地取决于系统设计能否利用UWB操作的内在优势以及能否有效利用门控或跳频技术来改进系统性能。
对DS-UWB的影响
为了充分利用新的豁免规定，DS-UWB可以被配置成门控系统，从而从新的规定中获得最大的受益。FCC豁免规定允许采用门控信号的UWB系统获得一个类似于跳频系统的效应。这意味着门控UWB系统还能先在更高功率上发射然后转为静默状态，只要它仍能满足认证测试期间相同的平均功率限制。
当器件被配置成以门控系统工作时，该豁免规定允许DS-UWB技术达到四倍的更高性能。例如，为获得这种性能增长，在数据包从发射器发往另一个接收器的传输过程中，DS-UWB系统可以被配置成以25%的占空比工作。这种门控信号即可达到与连续信号相同的平均传输功率，而且只占用UWB网络中一小部分用于传输的信道时间。
为有效地从使用门控技术上获益，DS-UWB网络必须能在以较小占空比工作的多路传输之间共用信道。幸运的是，这种协调很容易由IEEE 802.15.3 MAC协议来提供，该协议是802.15.3a UWB标准化过程中指定的MAC技术。这种MAC是基于集中式时分多址 (TDMA)架构，并很容易协调多路UWB传输，以达到由DS-UWB门控操作所实现的更高网络吞吐量。当门控传输操作在更长的时间段上时，有效地在多路传输间共用信道的能力达到最高，从而可减少多径信道延时发散、传播时间及时序抖动等效应。
当配置成以门控系统工作时，DS-UWB的更高性能可使UWB应用在以下几个方面受益：
* 只使用一部分网络带宽的应用现在能工作在更高的发射功率上，从而具有更大的工作距离和更鲁棒的性能。例如，以25%占空比工作的高清(HD)视频流传送应用，现在能在门控规定下达到2倍的工作距离。须指出的是，UWB器件的发射功率(约1/10 mW)只占其总工作功率的一小部分，因此提高了6 dB的发射功率对整体功耗的影响可忽略不计。
* 需要以最小功耗传输数据的应用(例如手持式设备的大文件传输等)，现在能受益于低得多的总器件功耗。一般来说，UWB器件在更高速率上工作时具有更高的能效(以mW/ Mbps来衡量)。这意味着现在能采用更低占空比、更有效及更高数据速率的门控DS-UWB来进行同样的数据传输。
* 经过简单的配置，802.15.3 MAC允许多个低占空比设备在同一网络中同时工作。这意味着，尽管DS-UWB网络以前能在10米距离上支持多个HD视频应用，但在新的门控规定下，每一路传输能提高6 dB的发射功率。与此同时，所有应用还能达到20米的更长工作距离。
当底层UWB技术支持工作在更高数据速率上时，门控操作的潜在优势还要更大。DS-UWB技术可以支持数据率扩展到1 Gbps以上，所以能够从新的豁免规定上获得最大的受益。
对MB-OFDM的影响
新规定对MB-OFDM技术的影响是，正式允许它工作在以前在IEEE标准化过程中所考虑的发射器功率上。正如所提议的，MB-OFDM利用跳频技术，在每个跳频带内以高于平均功率限制6 dB的功率进行发射。在新规定下，MB-OFDM现在能以跳频模式进行测试，并能达到更高的平均功率水平(高达-41.3 dBm/MHz)。
综上所述，FCC对跳频与门控UWB系统的豁免规定使MB-OFDM与DS-UWB都受益。但DS-UWB这种支持以门控UWB方式工作的技术，可在新规定下获得极大的优势。这些优势使飞思卡尔XS110芯片组的发射距离加倍——达到20米。更重要的是，未来DS-UWB产品将利用新的豁免规定来提高下一代产品的数据速率，最早于2006年初为移动产品提供Gbps速率的解决方案。
(end)
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(8/1/2005) |
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