資訊科技

寬頻無線傳輸,發射!

一種新的「超寬頻」無線傳輸技術,每秒可達500Mb!

撰文/利珀(David G. Leeper,美國賓州大學電機工程博士)
翻譯/江坤山(曾任資訊類叢書主編)

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寬頻無線傳輸,發射!

一種新的「超寬頻」無線傳輸技術,每秒可達500Mb!

撰文/利珀(David G. Leeper,美國賓州大學電機工程博士)
翻譯/江坤山(曾任資訊類叢書主編)

無線電系統開枝散葉

隨著一聲煎蛋似的爆裂聲,一絲波浪狀的藍白色強光躍過了兩個金屬棒尖的狹窄空間。德國卡斯魯大學燈光昏暗的教室裡,一位溫文儒雅的物理學教授,利用火花放電發送機,向學生示範電磁現象。這是1887年,31歲的赫茲正在製造無線電波。七年後,一位年輕的義大利人馬可尼在阿爾卑斯山度假時,讀到了赫茲在期刊上發表的文章,腦中突然浮現了無線電報的景象,於是他火速趕回家。不久,馬可尼自製的火花放電發送機,就能以無線的方式在實驗室裡傳送摩斯電碼脈衝流了。1901年,這位無線電先鋒在放大功率和建造更大的天線之後,終於能利用那裝置將編碼的無線訊號傳送至大西洋彼岸。


一世紀飛快過去,研究人員又開始在實驗室裡發射短電磁脈衝,不過技術已大不相同。赫茲和馬可尼的大堆線圈與電容器,已經由小巧的積體電路與穿隧二極體所取代。同樣,早期發送機所傳送粗糙而不穩定的火花束,現在也已改良成時間精準、型態特別的脈衝序列,每個脈衝只持續幾百兆分之一秒。當初馬可尼的設備每秒只能傳送相當於10位元的資料,而這項原始的火花放電系統的後代,也就是短距、低功率的超寬頻(ultrawideband, UWB)無線技術,在同樣的時間裡卻可以傳送一億位元以上的數位資訊。


插上插頭就可無線上網!


超寬頻系統的高速資料傳輸能力,刺激了一群發明家與企業家競相投入。他們宣稱這項短距離無線傳輸技術是一種幾近完美的方法,可以處理可攜式電子設備網路之間快速成長的無線資訊傳輸。這些獨立的網路可能包括個人數位助理(PDA)、數位相機、數位攝影機、視聽設備、行動電話、筆記型電腦,以及其他的行動電子設備。這些設備為了交換大量的數位檔案以支援逐漸成熟的寬頻應用,需要高頻寬的無線通訊來加以連結。


短距無線傳輸技術發展的另一個驅力,是網際網路有線連結日漸增多。在已開發國家,很多人一天大部分活動範圍的10公尺內,都有某種網際網路有線連結。這樣的短距離,讓可攜式電子產品與網際網路之間有可能透過短距無線技術進行溝通。因此,產業界已經作出反應,開發出「插上插頭就可無線上網」的窄頻通訊技術。其中包括IEEE 802.11b、藍芽標準(運作的頻帶是無需授權的2.400~2.483GHz),以及IEEE 802.11a(以5.150~5.350GHz的頻率在室內運作)。


藍芽技術是一般稱為「無線個人區域網路」(wireless PANs)中最為人所知的一種。無線個人區域網路是設計來取代實體的串列線和USB線,這些纜線的功能是在位置鄰近的電子設備之間傳送資料。雖然各家的施行細節不同,但一般期望低功率的藍芽標準提供給使用者的服務,應能以最快約每秒700Kb的速度,在最遠約10公尺的距離之間傳輸資料。


IEEE 802.11a和802.11b標準的建立是針對無線區域網路(LANs),強調更快的速度和更長的距離,但需要消耗較高的功率。通常,無線區域網路是透過存取點讓筆記型電腦連結到有線區域網路。IEEE 802.11b用戶可享有的最高傳輸速度大約是每秒5.5Mb,開放空間裡的傳輸距離最遠可達100公尺。而同類的標準IEEE 802.11a,在開放空間裡能提供使用者的最遠傳輸距離則約為50公尺,最高傳輸速率每秒大約24~35Mb。實際上,所有的短距無線電系統為了補償距離、牆壁、人員和其他阻礙,速度都會下降。


目前看來,採用半導體的超寬頻收發機,將可提供非常高的資料傳輸速度,在5~10公尺的距離內每秒可達100~500Mb。在這樣高的位元速率之下,以今天的無線標準所無法達成的應用,也將隨之出現。尤有甚者,工程師期望這些超寬頻元件,能比今天的窄頻無線電設備更便宜、更小、更不耗電。(右圖為短波無線技術的空間容量比較。「空間容量」是一種判斷運作效率的標準,也是比較短距無線系統的重要指標。以這個標準來看,超寬頻技術是比較有利的。空間容量不只強調資料傳輸的位元速率,還注重短傳輸距離內的可取得的位元速率。)


比起其他的短距離無線架構,超寬頻還有另一項優勢。由於人們不斷要求更大的無線資料容量,再加上受管制的無線電頻譜已趨飽和,受到青睞的系統不僅要能提供高位元速率,而且必須集中在較小實體區域內,這樣的衡量標準稱為空間容量。這個「資料強度」的測量規格,以每平方公尺每秒的位元數作為單位,就像每平方公尺的流明決定了燈具的照明強度。隨著愈來愈多的寬頻用戶聚集在擁擠空間,像是機場、飯店、會議中心與辦公室,無線系統最關鍵的一項參數將是空間容量,而超寬頻技術在這項能力上的表現獨占鰲頭。




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