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射頻/無線  

基於超寬頻的WiMedia延伸手機多媒體性能

上網時間: 2007年05月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超寬頻  UWB  認證無線USB  Certified Wireless USB  時脈閘控 

未來10年內,行動電話將產生實質上的改變。手機市場已開始朝兩個方向發展。第三世界國家需要更廉價更簡單的電話,而先進國家則需要更多功能。針對這兩個市場,WiMedia超寬頻(UWB)技術都能支援短距大頻寬通訊,以甚至最簡單的電話都能承受的低成本實現全新的電話使用方式。

WiMedia聯盟是一個由一百多家公司組成的組織,旨在針對超寬頻無線電技術的開發進行標準化。

10年前,科學家們展示了能在短距離內實現大頻寬(Gb)通訊的能力。這個想法是在任一頻率下,以極低功率級在寬廣的無線電頻譜區域內擴展訊號。UWB的傳輸功率級很低,因此不會干擾正規的無線頻譜。而正常的無線電也不會干擾UWB訊號,因為窄頻訊號僅能干擾小部份UWB訊號。

自UWB技術首次展示以後,美國FCC及其他國家的類似管制機構已為UWB定義了一種監管環境。在試圖透過IEEE對UWB進行標準化的行動宣告失敗之後,WiMedia聯盟隨即成立。現在,大多數國家的監管機構都承認某種形式的UWB,同時WiMedia也已透過Ecma International發表了國際標準。

符合全球性規格與獲國際認可的標準是必要的,但這還不足以讓該技術應用於行動電話中,仍有許多工作有待完成,而且必須具有經濟效益。WiMedia已被認證無線USB(Certified Wireless USB)、藍牙3.0和WiNet採納,作為基礎無線電技術,這同時是WiMedia實現網際網路協議的方案。

WiMedia在行動電話中的首個應用將是認證無線USB。藍牙3.0和WiNet規格仍在審議中,而認證無線USB規格已發表近一年了。目前有數家公司正在生產相關元件,首批元件即將在2007上半年完成認證。

目前大多數電話均具備USB連接器,認證無線USB能在無需改變任何電話軟體情況下取代USB纜線。這使得去除USB纜線更加簡便。認證無線USB是一種比WiNet或藍牙3.0更成熟的技術,已採用該技術的用戶均能負擔得起實現行動電話與PC間同步的額外費用。

在PC和行動電話間以無線方式同步傳送文件是極具潛力的市場,但這不足以構成應在行動電話中增加一個新無線電的理由。就取代桌上型電腦纜線而言,認證無線USB擁有龐大的市場。辦公室往往充斥著亂七八糟的纜線,能夠不必移動纜線就將印表機移出房間,在易用性方面是一項了不起的進展。在基於認證無線USB的系統中,在PC週邊和行動電話內使用相同的晶片和協議,意味著這些產品的產量增加與價格下降。

藍牙的優勢

正如提起USB就聯想到PC,藍牙往往讓人想到行動電話。到去年夏天,已有10億顆藍牙晶片出貨。藍牙SIG已採用WiMedia作為藍牙3.0的基礎。Bluetooth SIG並未披露該實現方案的技術細節,但曾建議採納WiMedia的研究小組公開部份技術指南。

藍牙3.0可向後相容早期藍牙版本。這意味著有兩個無線電會並排或內建在同一顆晶片或模組內。Staccato Communications公司展示了一款USB迷你卡插槽設備,內含該公司的Ripcord單晶片CMOS WiMedia無線電,與藍牙設備共用一根天線。由於UWB無線電和藍牙互不干擾,兩個無線電能透過同一根天線同時工作。

從功耗角度來看,WiMedia和藍牙是互補的。就每位元的焦耳數而言,WiMedia是最具效率的位元傳輸方法。因為WiMedia具有高資料傳輸率,使其能在短時間內傳輸多個位元。另一方面,藍牙在保持鏈路開放方面更高效,因為它可以每數秒被喚醒一次,在發送簡訊後又回到睡眠模式。

藍牙SIG期望在待機模式下採用傳統藍牙技術,使WiMedia無線電保持在完全關閉狀態,直到需要它傳送一個文件或串流視訊/音訊。

目前,在待機或睡眠模式,藍牙比WiMedia更具優勢,因為這時它是一個較簡單的無線電,以較少的電晶體就能夠實現。待機模式下,藍牙只消耗幾微瓦的功率。

有兩種技術可實現低功率數位電路,分別為時脈閘控(clock gating)和電源閘控(power gating)。採用時脈閘控,可關斷驅動電路的時脈,使消耗的電流下降,但仍有泄漏。當電晶體數目達數百萬時,泄漏會變得很嚴重。而利用電源閘控關斷晶片選擇的部份,則沒有電流消耗。

晶片設計人員普遍認為,藍牙這種‘低電晶體數目’的簡單無線電優勢將隨電源閘控技術的日益複雜而消失。目前專為可攜式設備所設計新一代Wi-Fi晶片功耗與低功率模式下的藍牙相當。第一代WiMedia的功耗大於藍牙低功率模式,但晶片設計人員相信,由於下一代WiMedia晶片採用電源閘控,這種差距將逐漸消失。

針對行動電話應用,電源閘控技術加上更慢的時脈速度,可實現功耗僅數微瓦的待機模式。WiMedia晶片通常工作在528MHz時脈速度下,而行動電話更低,只有32KHz。在睡眠模式中,晶片的大部份都透過電源閘控被切斷,但倒數計時器和重啟晶片所需的電路仍會供電,並工作在32KHz時脈下。在這種模式中,系統功耗非常小。

總而言之,基於WiMedia的藍牙3.0將滿足行動電話產業對低成本、高吞吐量和低功耗的要求。

WiNet概念

WiNet是在無線鏈路上傳輸IEEE 802.3訊框以實現網際網路協議的WiMedia定義方法。WiNet導入了WiNet服務設定(WSS)的概念,WSS被設計為易於構成安全的ad hoc網路,網路中的元件能夠相互發現,形成安全的加密鏈路。

WiNet包含一個類似於Wi-Fi接取點的橋接概念。這些橋很容易鏈接到乙太網路、Wi-Fi或任何IEEE 802.3網路技術上。一個WSS中可以有好幾個橋,但對WiNet來說,這種做法預計主要用於ad hoc網路。

目前僅有極少數的ad hoc網路。ad hoc網路意味著設備集合在一起並分配自己的‘ad hoc’網路位址,而非依賴管理伺服器(managed server)來獲得網際網路位址。

傳統上,人們一直認為WiFi將用於行動電話,但隨著WiMax和其他高速數位服務紛紛允許行動電話存取網際網路,利用WiFi實現電話網際網路接取的需求越來越少。行動電話更可能成為其附近的數位相機和媒體播放器等設備的網際網路接取點。這稱為個人區域網路(PAN)。

WiFi可作為PAN的基礎,但它在功率管理方面的某些假設使其很難成為行動電話的網際網路接取點。利用WiFi,網際網路接取點會假設被供電,並不斷發送信標。這將使客戶端設備處於睡眠狀態,直到接取點宣佈該用戶端有資料準備或發送。

WiNet是一種真正的點對點網路(peer to peer network),要求所有的主動設備都發送信標,以顯示它們在信標組(beacon group)中。處於睡眠狀態的設備在被判斷出與WSS分離之前,可能會錯過信標週期好幾秒。顯然,所有設備都無法立即進入睡眠狀態。必須有人在某個位置上並發送信標以便每個人都能保持時脈同步。這個節點稱為錨點(anchor)。WiNet設備需在其信標中告知它們是否限制了功率。如果一個交流供電設備有空,它可以成為錨點。否則,錨點在各個端點間輪替,每隔幾秒轉換到另一個節點。

WiNet是一種針對電池供電環境、從頭開始設計的技術,目前推測將為基於WiNet的PAN開發何種類型應用尚為時過早,但有一點很明確,即WiNet為電池供電設備(如行動電話)的網際網路連接性延伸提供了堅實的基礎。

WiMedia在手機中的部署

作為USB纜線的替代技術,WiMedia已準備好在行動電話中部署。許多電話都支援USB與PC文件的同步傳送。在這種情形下,功率管理相當容易,因為在客戶顯示需要同步傳送文件之前,WiMedia無線電不需要導通。

我們對PC與行動電話之間的連接已有充分瞭解,而認證無線USB增添了加密技術,目的是讓無線鏈路和纜線一樣安全。電話和PC都具備足夠的用戶介面,這種作業應該簡單明瞭且容易理解。

為了適合行動電話應用,WiMedia晶片封裝必須比目前用於建構PC週邊(如無線USB集線器和印表機)的封裝尺寸更小、功效更高。Staccato Communications公司正在開發一種單晶片CMOS WiMedia方案,其尺寸較其他競爭的多晶片方案更小,效能也高得多。

認證無線USB和適用於電話的封裝都頗為簡單,比較麻煩的是以下問題:“認證無線USB之後的下一步是什麼?”

這是困擾藍牙已久的問題。藍牙應用有數十種,但在行動電話市場,只有藍牙通訊耳機的銷售量夠大。在透過認證無線USB實現PC到行動電話的文件同步後,下一個殺手級應用是什麼?

WiMedia在行動電話中的使用預計最初規模不大,但分析師預測WiMedia將被數位相機大量採用。採用類似的USB模型,兼具高速傳輸和低功耗的優點,使WiMedia成為數位相機的首選方案,並預期將擴展到視訊攝影機市場。分析師預測這一市場將以相機到PC的文件-傳輸為基礎,但他們並未考量相機到行動電話的文件傳輸。

支援數位攝影的基礎架構也已準備好內建在行動電話中。最近,紐約市宣佈其市政服務將接受數位影像的911和311呼叫。消費者將要求電話和相機共用影像。

下一步是利用什麼設備顯示這些影像。行動電話不斷強化儲存容量和處理能力,但顯示螢幕卻沒有任何擴大。WiMedia可使用適合的電視和PC,讓行動電話利用這些裝置的大顯示螢幕。

實現此一願景的協議究竟是藍牙3.0、認證無線USB或是WiNet尚未確定,但無論選擇何種協議和軟體堆疊,它們都將執行在WiMedia硬體上。

本文小結

基於超寬頻的WiMedia能充分利用現有的USB、藍牙和網際網路協議。WiMedia無線電可同時支援這些方案。利用擁有大眾市場的高效能低成本單晶片方案,WiMedia將大幅延伸行動電話的效能。

作者:Billy Brackenridge

產品系統架構師

billyb@staccatocommunications.com

Staccato Communications




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