藍牙+UWB—高速無線通訊的未來發展

WiMedia超寬帶(UWB)技術將為現在的多媒體增強設備之間提供高速無線數據連接。該技術有望實現480Mbit/s的數據傳輸速率，從而集合各種各樣高速移動的應用。但是，UWB技術不是沒有缺點，它并不是像Wi-Fi和藍牙那樣的成熟技術，目前UWB仍處于開發階段。

就利潤型便攜設備市場而言，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、可靠的安全性、強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備，面臨作為小市場技術而落后的風險。另一方面，像藍牙這樣成熟的技術可靠而且高效，能夠將UWB帶離其僅有的應用而引入便攜式設備大眾市場。正因為如此，藍牙技術聯盟(SIG)宣布將來頒布的藍牙技術規范將支持WiMedia(UWB)。本文著重討論整合這兩種無線技術所存在的各種挑戰。

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

藍牙技術：促進者

藍牙技術已經成為當今各種便攜式設備的重要通訊連接，最初用于包括移動電話耳機在內的各種音頻應用，在這方面藍牙因其固有的低功耗性能而勝人一籌。不過，通訊協議包含的應用更為廣泛。圖1顯示的是藍牙堆棧與ISO OSI堆棧的比較。盡管在分層和結構方面有著重大的差異，藍牙技術的較低層和ISO的實例是相似的。這個實例顯示，WiMedia UWB技術目前還沒有超越最低層。

圖1 藍牙堆棧與WiMedia UWB比較

按照如今的標準來衡量的話，藍牙技術的速率也很低。Wi-Fi和802.11的標準正在開發中，這兩個標準將使藍牙技術的速率超越120Mbit/s。目前，藍牙設備的最高速率為3Mbit/s。這個速率對于音頻流來說已算不錯，但對于視頻等數據型應用還是不夠的。

藍牙與WiMedia的聯合

藍牙技術聯盟沒有放棄現有的藍牙技術以及近十億部配有藍牙裝置的設備，相反，目前它正在采用WiMedia (UWB)作為附加界面。這兩項技術的結合，可實現比從前單獨使用時更好的儲能效果，同時也為WiMedia提供了一個應用基礎。

目前正在開發的方法是：藍牙技術作為控制信道，利用其低功率的關聯機制建立應用連接，只有當設備需要發送大量數據時才開啟UWB，待傳輸完成后再將其關閉。有關這兩種技術之間如何配合的細節問題仍在研究中。總的來說，藍牙將在物理層建立連接。然后，確定并向上層報告普通UWB設備的性能。當同時建立低速和高速信道，藍牙的業務發現功能將決定是否執行所要求的終端用戶功能(或應用)。藍牙應用框架還將定義應用的數據路徑，或者由一種獨立于應用之外的機制來確定最佳數據路徑。此時，UWB作為一個高速通道，在需要的時候打開，不用時關閉。這是最具成本效益的執行方法，使低速藍牙鏈路能夠盡可能長時間地保持設備之間的連接。

圖2的協議堆棧顯示，數據路徑因應用需求不同而略有區別。目前包括移動電話耳機在內的音頻應用不需要UWB的速率，這些應用還將繼續采用功耗很低的V2.0+EDR甚至更早的藍牙版本。數據路徑用兩個箭頭表示：細箭頭表示低數據速率應用，而粗箭頭表示新型大數據量的應用。不管怎樣，提供命令和控制信息的數據包總是通過藍牙連接來傳輸。

圖2  藍牙-UWB系統的數據路徑
　　
藍牙+UWB架構

UWB的最大不同之處在于它傳輸數據的信號水平比“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據比較便捷，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技術提供令人難以置信的低功耗和高速率，支持數百個同步信道，并有全球實施的潛力。這是因為UWB信號不與傳統的RF載波相互干擾，因此不存在共存的問題。盡管UWB信號在技術有效范圍之外難于探測，但是當UWB技術與藍牙技術整合之后，卻能有所增值。消費品制造商將能夠充分利用藍牙的互操作性，這是無線技術獲得成功的基礎。

圖3說明了UWB技術如何移植到藍牙架構上。藍色箭頭顯示的是當前提供給用戶的數據路徑。標注“藍牙v1.2”的箭頭是原始的1Mbit/s鏈路，而標注“藍牙v2.0”的箭頭表示增強型數據速率(EDR)3Mbit/s。圖3中的綠色箭頭顯示的是UWB鏈路中的建議數據路徑。大多數藍牙堆棧都被利用，只有現有2.4GHz專用的部分被設為旁路。

中間層—如OBEX(對象交換協議)、BNEP(藍牙網絡封裝協議——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。他們只知道服務質量(QoS)請求中可提供更好的效能。

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

圖3的上部還有一個標為SDP的方框——服務發現應用架構。藍牙技術的本地設備使便攜式藍牙設備能夠明確知道它與其他藍牙設備間實現怎樣的功能和通訊。當各設備間完成連接后，正是這個設備用來確定UWB的可用性。

當省電性能變得不太重要時，這個藍牙架構還支持被用來認證無線USB、無線1394或WiMedia WiNet協議的UWB。開關該功能在藍牙控制范圍之外進行，并且必須在UWB執行過程中進行。

整合了UWB技術的新版藍牙將使用戶能夠對大量數據同速進行和傳輸，并使便攜式設備能夠實現更多先進的視頻和音頻應用。在藍牙技術規范下，UWB技術在10米的有效范圍內速率可達到480Mbit/s，行業研究顯示該效能超過了許多應用中最高要求的200Mbit/s。將MP3播放器或高畫質數碼相機的同速進行即是此技術的應用實例。這就為擴展各種應用保留了很大的空間。

兩項技術的整合

盡管藍牙+UWB仍處于開發階段，但藍牙技術聯盟基本上完成了初步協議堆棧設計。WiMedia技術已為整合此項設計做好準備，并開始商討如何為藍牙/UWB產品獲取相關資格。