藍(lán)牙+UWB—高速無線通訊的未來發(fā)展

WiMedia超寬帶(UWB)技術(shù)將為現(xiàn)在的多媒體增強(qiáng)設(shè)備之間提供高速無線數(shù)據(jù)連接。該技術(shù)有望實現(xiàn)480Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而集合各種各樣高速移動的應(yīng)用。但是，UWB技術(shù)不是沒有缺點，它并不是像Wi-Fi和藍(lán)牙那樣的成熟技術(shù)，目前UWB仍處于開發(fā)階段。

就利潤型便攜設(shè)備市場而言，UWB本身的某些因素使它無法普及和被廣泛采用。缺乏信令技術(shù)、可靠的安全性、強(qiáng)大的匹配能力以及功率等問題，使得UWB不適用于以電池供電的便攜式設(shè)備，面臨作為小市場技術(shù)而落后的風(fēng)險。另一方面，像藍(lán)牙這樣成熟的技術(shù)可靠而且高效，能夠?qū)WB帶離其僅有的應(yīng)用而引入便攜式設(shè)備大眾市場。正因為如此，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)宣布將來頒布的藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范將支持WiMedia(UWB)。本文著重討論整合這兩種無線技術(shù)所存在的各種挑戰(zhàn)。

盡管有所不同，藍(lán)牙和UWB是兩種非?；パa的技術(shù)。藍(lán)牙一直以來提供低速率的數(shù)據(jù)傳輸，不過其成本和功耗很低。藍(lán)牙v2.0+EDR(增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率)當(dāng)前最大的應(yīng)用速率為3Mbit/s，同時在激活狀態(tài)下的功耗為25mA、在閑置狀態(tài)下的功耗僅為幾個微安。UWB在激活狀態(tài)下功耗達(dá)到藍(lán)牙的20倍，但提供的數(shù)據(jù)速率高達(dá)480Mbit/s，能夠滿足日益增長的大量數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。相對于藍(lán)牙來說，UWB的每比特功耗較低，使數(shù)據(jù)能夠迅速傳輸。但是，UWB僅在3米范圍內(nèi)有效，而藍(lán)牙的有效范圍超過100米。
至此我們知道，這兩種技術(shù)有著非常不同的特點：UWB有效范圍較小，但數(shù)據(jù)傳輸速率高，功率要求也高；而藍(lán)牙有效范圍較大，功率要求非常低，但數(shù)據(jù)傳輸速率差強(qiáng)人意。于是，通過整合藍(lán)牙和UWB，設(shè)備制造商便能夠通過“單一”的無線解決方案，實現(xiàn)低功耗、低成本和高數(shù)據(jù)速率傳輸，這些是通過一種技術(shù)無法實現(xiàn)的。

藍(lán)牙技術(shù)：促進(jìn)者

藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今各種便攜式設(shè)備的重要通訊連接，最初用于包括移動電話耳機(jī)在內(nèi)的各種音頻應(yīng)用，在這方面藍(lán)牙因其固有的低功耗性能而勝人一籌。不過，通訊協(xié)議包含的應(yīng)用更為廣泛。圖1顯示的是藍(lán)牙堆棧與ISO OSI堆棧的比較。盡管在分層和結(jié)構(gòu)方面有著重大的差異，藍(lán)牙技術(shù)的較低層和ISO的實例是相似的。這個實例顯示，WiMedia UWB技術(shù)目前還沒有超越最低層。

圖1 藍(lán)牙堆棧與WiMedia UWB比較

按照如今的標(biāo)準(zhǔn)來衡量的話，藍(lán)牙技術(shù)的速率也很低。Wi-Fi和802.11的標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)中，這兩個標(biāo)準(zhǔn)將使藍(lán)牙技術(shù)的速率超越120Mbit/s。目前，藍(lán)牙設(shè)備的最高速率為3Mbit/s。這個速率對于音頻流來說已算不錯，但對于視頻等數(shù)據(jù)型應(yīng)用還是不夠的。

藍(lán)牙與WiMedia的聯(lián)合

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟沒有放棄現(xiàn)有的藍(lán)牙技術(shù)以及近十億部配有藍(lán)牙裝置的設(shè)備，相反，目前它正在采用WiMedia (UWB)作為附加界面。這兩項技術(shù)的結(jié)合，可實現(xiàn)比從前單獨使用時更好的儲能效果，同時也為WiMedia提供了一個應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前正在開發(fā)的方法是：藍(lán)牙技術(shù)作為控制信道，利用其低功率的關(guān)聯(lián)機(jī)制建立應(yīng)用連接，只有當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)時才開啟UWB，待傳輸完成后再將其關(guān)閉。有關(guān)這兩種技術(shù)之間如何配合的細(xì)節(jié)問題仍在研究中?？偟膩碚f，藍(lán)牙將在物理層建立連接。然后，確定并向上層報告普通UWB設(shè)備的性能。當(dāng)同時建立低速和高速信道，藍(lán)牙的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)功能將決定是否執(zhí)行所要求的終端用戶功能(或應(yīng)用)。藍(lán)牙應(yīng)用框架還將定義應(yīng)用的數(shù)據(jù)路徑，或者由一種獨立于應(yīng)用之外的機(jī)制來確定最佳數(shù)據(jù)路徑。此時，UWB作為一個高速通道，在需要的時候打開，不用時關(guān)閉。這是最具成本效益的執(zhí)行方法，使低速藍(lán)牙鏈路能夠盡可能長時間地保持設(shè)備之間的連接。

圖2的協(xié)議堆棧顯示，數(shù)據(jù)路徑因應(yīng)用需求不同而略有區(qū)別。目前包括移動電話耳機(jī)在內(nèi)的音頻應(yīng)用不需要UWB的速率，這些應(yīng)用還將繼續(xù)采用功耗很低的V2.0+EDR甚至更早的藍(lán)牙版本。數(shù)據(jù)路徑用兩個箭頭表示：細(xì)箭頭表示低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，而粗箭頭表示新型大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。不管怎樣，提供命令和控制信息的數(shù)據(jù)包總是通過藍(lán)牙連接來傳輸。

圖2  藍(lán)牙-UWB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑
　　
藍(lán)牙+UWB架構(gòu)

UWB的最大不同之處在于它傳輸數(shù)據(jù)的信號水平比“噪聲層”(即正常背景噪聲)低得多。在無法覺察的信號層中傳輸數(shù)據(jù)比較便捷，而在這樣的層中正確接收信息卻很困難。這就需要UWB中先進(jìn)的接收器在這樣低的信號水平來探測信號。

在傳輸過程中，UWB技術(shù)提供令人難以置信的低功耗和高速率，支持?jǐn)?shù)百個同步信道，并有全球?qū)嵤┑臐摿?。這是因為UWB信號不與傳統(tǒng)的RF載波相互干擾，因此不存在共存的問題。盡管UWB信號在技術(shù)有效范圍之外難于探測，但是當(dāng)UWB技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)整合之后，卻能有所增值。消費品制造商將能夠充分利用藍(lán)牙的互操作性，這是無線技術(shù)獲得成功的基礎(chǔ)。

圖3說明了UWB技術(shù)如何移植到藍(lán)牙架構(gòu)上。藍(lán)色箭頭顯示的是當(dāng)前提供給用戶的數(shù)據(jù)路徑。標(biāo)注“藍(lán)牙v1.2”的箭頭是原始的1Mbit/s鏈路，而標(biāo)注“藍(lán)牙v2.0”的箭頭表示增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率(EDR)3Mbit/s。圖3中的綠色箭頭顯示的是UWB鏈路中的建議數(shù)據(jù)路徑。大多數(shù)藍(lán)牙堆棧都被利用，只有現(xiàn)有2.4GHz專用的部分被設(shè)為旁路。

中間層—如OBEX(對象交換協(xié)議)、BNEP(藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議——TCP/IP適配層)和A/V(音頻視頻支持)—無須知道可以提供480Mbit/s的鏈路。他們只知道服務(wù)質(zhì)量(QoS)請求中可提供更好的效能。

這些QoS請求是藍(lán)牙UWB系統(tǒng)如何確定使用哪個鏈路的關(guān)鍵。UWB技術(shù)的每比特功耗極低，但待機(jī)功耗相對較高。這就意味著必須做出選擇。如果需要大量的數(shù)據(jù)，如直播視頻，那么UWB鏈路就能夠充分利用便攜式設(shè)備有限的電池使用時間。而如果需要交換的數(shù)據(jù)只是某次會議的一組商務(wù)名片，那么QoS參數(shù)將表示只有少量對時間要求不高的數(shù)據(jù)需要交換。在這種情況下，UWB甚至無須打開。

圖3的上部還有一個標(biāo)為SDP的方框——服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用架構(gòu)。藍(lán)牙技術(shù)的本地設(shè)備使便攜式藍(lán)牙設(shè)備能夠明確知道它與其他藍(lán)牙設(shè)備間實現(xiàn)怎樣的功能和通訊。當(dāng)各設(shè)備間完成連接后，正是這個設(shè)備用來確定UWB的可用性。

當(dāng)省電性能變得不太重要時，這個藍(lán)牙架構(gòu)還支持被用來認(rèn)證無線USB、無線1394或WiMedia WiNet協(xié)議的UWB。開關(guān)該功能在藍(lán)牙控制范圍之外進(jìn)行，并且必須在UWB執(zhí)行過程中進(jìn)行。

整合了UWB技術(shù)的新版藍(lán)牙將使用戶能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)同速進(jìn)行和傳輸，并使便攜式設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更多先進(jìn)的視頻和音頻應(yīng)用。在藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范下，UWB技術(shù)在10米的有效范圍內(nèi)速率可達(dá)到480Mbit/s，行業(yè)研究顯示該效能超過了許多應(yīng)用中最高要求的200Mbit/s。將MP3播放器或高畫質(zhì)數(shù)碼相機(jī)的同速進(jìn)行即是此技術(shù)的應(yīng)用實例。這就為擴(kuò)展各種應(yīng)用保留了很大的空間。

兩項技術(shù)的整合

盡管藍(lán)牙+UWB仍處于開發(fā)階段，但藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟基本上完成了初步協(xié)議堆棧設(shè)計。WiMedia技術(shù)已為整合此項設(shè)計做好準(zhǔn)備，并開始商討如何為藍(lán)牙/UWB產(chǎn)品獲取相關(guān)資格。