前言

无线生活（Life Without Wires）已不是概念，而是正在落实的科技，无线生活可以解决今日在一般消费或是办公环境中所遭遇的问题。在办公室里，人们几乎被USB缆线所淹没，从打印机、硬盘到数字相机等终端设备，都必须用缆线连接，桌上型个人计算机通常有8个USB埠，而一般的笔记本电脑最起码也有4 个USB埠。在一般居家环境中，电视、机顶盒、影音接收设备等等也以错综复杂的线路相互连接，即便有众多线路，用户还是无法从机顶盒直接将影音下载到个人媒体播放器上。

近几年无线短距传输科技不断日新月异，渐成为联网的主要方式之一。由于Wi-Fi 成本逐渐下降，用户迅速掌握应用无线系统的契机，直接提升无线产业的发展，不过在互连手机、数字相机、mp3播放器等个人设备上，Wi-Fi相关应用却有重重的局限。

Wi-Fi 的传输速度慢、功耗大，对于一般消费者而言并不容易使用，特别是在用户需要频繁联机却断线的问题更多。重要的是欲藉由Wi-Fi将相机连接到个人计算机上并不可行，速度也不够快，也无法确保传输安全。因此，USB设计者论坛（USB Implementers Forum）的认证无线 USB（Certified Wireless USB）便成为备有业界瞩目的替代方案。

无线USB内容与应用简介

无线USB是一项可取代USB缆线的无线科技。有线USB之所以能在办公环境里成为主流传输接口，是因为简单易用，而无线USB更具备这项优势。无线USB还可与Wi-Fi并存，主要运用于短距离、便利、低耗能的行动装置连接，Wi-Fi可在网络连接和网络骨干扮演重要角色，两者相辅相成。运用这项科技，相机连接到个人计算机，或用50吋电浆电视播放数字相机内的照片，都可用无线链接方式完成；用户还可把数字电视节目迅速地从机顶盒转到行动装置上，大大提高了便利性。

无线USB是以WiMedia联盟共同无线电平台（WiMedia Alliance Common Radio Platform）为基础、第一个使用超宽带（Ultra Wideband；UWB）通讯技术的消费科技；超宽带UWB并非新技术，无线USB则是第一个在消费电子领域运用此项技术的应用。

有几个原因导致UWB现在才进入市场，其中原因之一即在定义全球法规过程花费不少时间，必须更仔细观察无线科技对电波频道的种种影响；新科技都会对特定地区目前的无线电频谱（radio spectrum）有所影响，超宽带也不例外。目前WiMedia联盟的共同无线电平台，可于3公尺范围内以480Mbps速率传输，于10公尺内以110 Mbps速率传输，此平台设计用于3.1～10.6GHz间之频率。

革新干扰健全规范

超宽带UWB技术近来引起众多讨论，主要在探讨这项科技是否会对相同或邻近频带的用户造成不可接受的干扰，特别是在3～5GHz的范围内。以目前的规范看来，UWB业界必须与现有的用户合作实施一般称为侦测与回避（Detect and Avoid；DAA）的降低干扰技术，超宽带UWB产品很快将会采用6GHz 以上的频带，可避免任何的干扰问题。此外芯片大厂设计出能横跨3.1～10.6GHz 的超宽带芯片组，不过对于RF ASIC设计人员来说也是莫大的挑战。

UWB涵盖带宽范围甚广，与既有WiMAX等标准共存兼容的能力便很重要，美国以外的国家还将其视为是否通过法规批准的前提之一。共存（coexistence）表示能在某信心水平上侦测到现有讯号的能力，然后采用技术回避受害者讯号（victim signal），以尽量减少干扰。舍弃某WiMedia频段、切换至另一频段或创造谱陷波（spectral notches）等，皆被建议用来回避现有的系统。DAA看来是个得以解决共存问题的好方法，但单单一般个人计算机周围的宽带噪声，就足以使 WiMedia接收器无法在法规单位要求的功率下侦测到WiMAX讯号。

频谱规范

UWB原本的概念是使用低调波谱（spectral underlay），换言之，UWB讯号的功率谱密度（power spectral density） 低到用户可忽略其干扰。在FCC于2002 年2月14日发出的文件中有相关规定授权UWB的内容，其中订定Part 15法规类的UWB设备不得造成有害干扰，然而，有害干扰一直没有明确的定义。为在UWB频段中保护现有服务，同时容许小于10公尺个人局域网络的弹性使用，FCC 选择让UWB以和B类非意愿辐射（Class B unintentional radiation）相同的位准 -41.3dBm／MHz功率谱密度辐射，对消费者电子设备而言，此功率位准仅被视为背景噪声（background noise）。

到2007年中，全球各地的UWB规范各有不同，美欧日等地的频外极限（out of band；OOB）、可使用频率和其它限制等差异甚大。唯有WiMedia PHY规格中约从7.4～9GHz的9～11频组，其中的6频组可在全球通用而无须DAA。

就在UWB产业正与世界各地无线通信标准单位合作取得美国以外的批准之际，关于什么算是有害干扰的争议也越演越烈，特别是在欧洲。其主要议题并不在于争论UWB是否会造成干扰，因为UWB的使用模型确可与其它系统间产生干扰。争论重点在于这些使用模型是否相关，同时干扰是否会严重到必须保护可能受害的其它服务项目。美国以外的所有国家和管辖区域，皆须使用一些称为侦测与回避（DAA）的缓和技术，DAA主要设计用来保护WiMAX，提供一个机制让UWB系统搜寻一特定且非属于UWB的讯号，并采取行动把受害系统（victim system）的干扰降至最低。

从功率和路径衰减角度看干扰问题

在仔细分析这两种状况之前，我们先来分析可以耦合到另个无线电从UWB接收器接收到的功率量。由于FCC将UWB功率定为谱密度（spectral density），只要UWB传输器在现有接收器带宽上有不变的功率谱密度（constant power spectral density），我们就可检视现有接收器的有效带宽，判别耦合到接收链 （receive chain）中的总功率。其公式如下：

《公式一 》

不过，可耦合到现有接收器的可用功率较为复杂。随着Peff 的增加，噪声位准（noise floor）也会增加。现有接收器在带宽中的噪声功率（noise power）是因电子活动产生的热噪声（thermal noise），可以下列公式计算：

《公式二 》

一般会使用一些特定的N0 值以求方便，比如室温下27°C或300°K的1Hz带宽中，N0＝-174dBm，所以在UWB功率谱密度受到定义的1MHz带宽中，N0＝?114dBm。

此外，我们须估计UWB传输器与可能的接收器间的路径衰减。根据IEEE 802.15.3a 的一些研究，我们可以假设自由空间衰减（FSPL）和路径远场传播（far field propagation），以估计UWB连接中的路径衰减。路径衰减可如下计算：

《公式三 》

以上因素可共同用以估计UWB传输对一个现有接收器造成的可能干扰。一般而言WiMAX规格需要最大7dB的噪声指数，如果我们假设现有服务的噪声指数（noise figure）为 6dB，且位于UWB传输器的可视范围内，路径衰减可用(公式三)计算，我们即可为超宽带系统中特定接收器功率，计算出在何种距离下接收到的功率会等于现有接收器的噪声位准。举例来说，如果UWB系统以固定功率-10dBm于528 MHz的带宽上传输，而现有系统的带宽为27MHz，则用(公式一)计算，可用的有效功率位准（effective power level）为-27dBm。27 MHz 接收器的N0 为?100dBm，使用公式一我们可计算出在假设的接受器噪声指数条件下，UWB讯号在N0 为6dB时，距离为12.6 公尺。所以，在任何超过12.6公尺的距离，现有接收器会发现UWB接收器等于或低于其噪声位准（noise floor），就算假设为自由空间传播也是如此。

如果我们仔细看公式一到公式三，即可发现只要UWB系统在现有服务的带宽上有固定功率谱密度，距离只会与功率位准有关，而与带宽无关。(图一)所示即此噪声位准距离为UWB功率谱密度的函式，这点清楚指出UWB讯号会与现有接收器相互作用的距离，会随着UWB讯号功率的减少而大幅缩减。

《图一 UWB 噪声位准与现有接受器一致时的距离示意图 》 假设接收器的噪声指数为6dB的条件下

以此为起点，我们可以检视包括频内与频外的几个现有服务，判断在何种距离下UWB系统会开始与现有服务相互作用。由于UWB的频内、频外频谱屏蔽（spectral mask）相当不同，我们将分别检视这两种状况。

WIMEDIA UWB PHY的频外效能

为了保护GSM／GPRS、GPS、WLAN、蓝牙和其它在3～5GHz频带外将受初期UWB产品使用的其它服务，全球法规单位都很关切频外（OOB）发射此议题。针对这些OOB的现象，法规单位指定了谱屏蔽 (spectral mask) 来评估 UWB造成干扰的倾向。(图二)表示了目前2007年中被允许的传输屏蔽（transmission mask），可看出对960～1610 MHz此范围的要求最为严格，此范围中UWB系统必须符合功率谱密度为?90dBm／MHz的规定。这些对OOB发射的要求很具挑战性，但也可从中看出法规单位欲保护移动电话服务和GPS的态度。

《图二 UWB谱屏蔽》

我们可以用上述的等式和方法检验图一中与OOB发射相关的部分。图三 放大了图一中-70到-90dBm／MHz的部分，以表示出OOB发射在何种距离下会达噪声位准，这包括6dB现有接收器的噪声指数。本图中指出了几个议题：

由于UWB会很接近WLAN 或蓝牙等系统的灵敏度极限（sensitivity limit），所以它们不大可能受到此功率位准（power level）的影响。举例而言，蓝牙规格在1MHz带宽上需要-70 dBm的灵敏度，因此WiMedia UWB系统可以在距离蓝牙系统数公分处传输，而讯号不会有可测得的衰减。举例而言，Alereon曾使用WCDMA讯号产生器进行测试，发现手持设备于2.1GHz WCDMA／UMTS频带运作时，并未因UWB OOB发射造成BER增加。

《图三 WiMedia UWB频外讯号在何种距离下会干扰现有讯号》

频内共存

WiMedia UWB系统的频外发射所造成的干扰，小到可以忽略，但频内3～5GHz的传输位准（transmission level）为-41.3dBm／MHz，所以需要另外分析。一般而言，此频带内有两种系统可视为既有服务。

纯下行接收系统

纯下行接收系统如C频段卫星与无线电天文学卫星等，对「共存」造成很特殊的问题，因为目前并无可行方式侦测到接收器的存在。但幸好UWB的功率位准极低，所以造成干扰的可能性也低。更重要的是，这两个系统皆需要高度指向性天线，天线必须指向天空，也须安装在室外。由于全球无线电望远镜的数量只有数百台，而且为了避免受其它位准比UWB高的电磁干扰，这些望远镜也都架设在相当偏远的地区，因此我们只须讨论C频段的电视接收。

C频段卫星

亦称电视单收系统（TVRO）的C频段卫星已问世多年，通常使用3.7～4.2GHz的频率。C频段卫星虽在全球某些区域仍常见，但已快速被Ku频段 （10.7～12.75GHz）所取代。Ku 频段可用较小的天线、提供更多频道，同时与 UWB 在完全不同的频段。根据美国卫星广播传播协会的数据，到2005年12月止美国境内有14万4000名C频段用户，但使用Dish Network或DirectTV这样的Ku频段卫星系统，用户数却高达2700万。

可忽略C卫星干扰

C频段卫星接收器一般使用宽3.5公尺、波束宽度（beam width）1.5度的碟型天线，天线必须指向赤道上方的同步卫星。由于以上这些实体限制，有研究显示要耦合到C频带接收器的旁瓣，几乎不可能发生，而且超过6公尺时就无法侦测耦合到天线或接受器前瓣的干扰。这些较大型且设于户外的天线，在实际使用 UWB上所造成干扰的可能性，便可忽略不管。

收发器系统

在3～5 GHz的收发器系统，例如WiMAX，是可用来分析干扰的有趣案例。另称宽带固定无线接取（Broadband Fixed Wireless Access）的WiMAX系统和蜂巢式移动电话系统的相似点，在于发射塔上也有个中继站，用以与分散于蜂巢周围的客户端通讯。因此讯号到达客户端时，下行讯号相对上行较为微弱，而本地环境中的上行讯号则相当强。

上、下行讯号可以处于分开的频率，亦即分频双工FDD，或于不同时间处于同一个频率，亦即分时双工TDD。WiMAX的一份报告中曾详细检验WiMAX上行讯号的影响，不过干扰问题还是出自于近距离之故。

干扰解决方案

在UWB和WiMAX可作用的距离内，至少可采用两种解决方案：侦测与回避（DAA）和协同共存（collaborative coexistence）。在WiMAX设备与UWB设备相距数公尺时可采用DAA，其主要概念是用WiMedia UWB PHY执行本地环境的波谱分析（spectral analysis）。

针对此问题已有多篇报告出炉，显示WiMAX讯号于-70dBm以上的功率位准时可被侦测到，而WiMedia PHY可舍弃某频段，或在深度约为15～20dB的频段内创造一个陷波（notch），使用深度更大的陷波则仍在研究当中。

解决WiMAX与UWB频内共存

有个困难点是因WiMAX系统开发者而起，他们正在进行游说，希望UWB 系统去侦测-80dBm或以下的WiMAX下行讯号，其中南韩已经提议DAA规范中使用-80dBm的侦测限制。理论上此举可行，但是一般计算机周围的环境噪声在1MHz带宽时为-75dBm或以上，如TDK提供的(图四)所示。

《图四 在3公尺距离内个人计算机周围含屏幕与打印机的背景噪声位准》

为解释此过程的运作，(图五)举例说明DAA系统于3～5GHz间取样，计算WiMedia各频带的功率，并寻找成该功率位准倍数的能量作为阈值（threshold），表示侦测到WiMAX上行或下行讯号。干扰功率超过此阈值时，UWB 系统会创造一个比侦测到讯号更宽的陷波，以保护WiMAX系统的接收器。

从法规角度来看，以上的参数仍尚待定义，所以目前这些例子仅属于概念阶段。初步研究显示，阈值可能将被设为低于-80dBm。如(图四)所示，此侦测位准几乎可以说有100％的机率，会引起假警报而导致频段无用，因为这些位准于各频段都大略相同。所以唯一真正可解决问题的方法，便是在不需要DAA的频段操作 UWB。

《图五 DAA实例：3800MHz的陷波（2频段）与环境噪声位准》

对于并置的WiMAX设备和UWB设备来说，在时域（time domain）内控制，对无线媒介的接取能更有效地管理干扰现象：换言之，在WiMAX 与UWB间执行仲裁便可防止冲突发生。这些技术已受到广泛的研究，让Wi-Fi和蓝牙于IEEE 802.15.2与IEEE 802.19共存，同样的技术可直接用以帮助WiMedia UWB与 WiMAX的共存，不过并非在所有的状况中都可使用这些技术，所以这些技术并未能彻底消除问题。

未来的发展方向

无线连接时代已翩然到来，Wi-Fi热点随处可见，商店里许多消费电子产品也都使用蓝牙科技。现在，无论消费者身在办公室或自家中，皆可享有无线科技的便利。而无线USB自然地从当前的无线科技衍生而出，提供其它无线科技无法提供的价值，这包括使用便利、以无线又低功耗的方式提供等同有线USB的效能。在过去，手持设备和接口设备仅能以USB线路连接，如今消费者将轻松快速地在办公室或娱乐环境中，以无线连接这些设备，同时不会干扰既有的无线科技。

我们看到WiMedia UWB传输器的频外发射，对现有系统UMTS／WCDMA、Wi-Fi、Bluetooth、GPS和移动电话系统所造成的影响非常小，可以忽略不谈。对和WiMedia UWB分享3～5GHz频带的现有系统如WiMAX而言，在多数使用模型中对现有服务的影响也非常微小。而对于像WiMAX这样的系统，法规单位提出的侦测与回避（DAA）技术，可能会将侦测位准订得过低，使UWB系统无法回避此位准以上所有侦测到的讯号和噪声，进一步导致频带无用。长远来看，最佳的解决方案是采用6GHz以上的频段，这些频段不但无须使用DAA，还可以产生更多的频道。

我们看到WiMedia UWB传输器的频外发射，对现有系统UMTS／WCDMA、Wi-Fi、Bluetooth、GPS和移动电话系统所造成的影响非常小，可以忽略不谈。对和WiMedia UWB分享3～5GHz频带的现有系统如WiMAX而言，在多数使用模型中对现有服务的影响也非常微小。而对于像WiMAX这样的系统，法规单位提出的侦测与回避（DAA）技术，可能会将侦测位准订得过低，使UWB系统无法回避此位准以上所有侦测到的讯号和噪声，进一步导致频带无用。