一種藍(lán)牙與超寬帶無線通信技術(shù)的結(jié)合方案

摘要：闡述了藍(lán)牙與超寬帶無線通信的技術(shù)特點(diǎn)，提出了將藍(lán)牙與超寬帶無線通信技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)解決方案，說明了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；超寬帶；無線通信；高速傳輸

0 引言

微電子技術(shù)、無線電技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字通信技術(shù)的緊密結(jié)合，逐步形成了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的有線傳輸?shù)氖褂矛F(xiàn)狀，極大地減少了人們對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的依賴，省去了鋪設(shè)有線線路的麻煩，是無線通訊技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。在現(xiàn)代無線移動(dòng)終端設(shè)備中，藍(lán)牙技術(shù)成為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男聦櫍蝗欢S著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各種無線通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，使可利用的頻譜資源日趨飽和。但人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的要求仍在不斷提高，希望其提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、成本更低、功耗更小。在這樣的背景下，超寬帶技術(shù)引起了人們的重視，已逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究、開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于藍(lán)牙技術(shù)和超寬帶技術(shù)都適用于短距離無線通信，兩者也具有很多相似性，因此將兩者技術(shù)結(jié)合無不失為一種很好的現(xiàn)代無線通信解決方案。并且，Bluetooth SIG也在2005年5月公布了其與UWB團(tuán)體合作的意愿，以開發(fā)能夠使用UWB無線電的高速率Bluetooth規(guī)格。

本文首先闡述了藍(lán)牙與超寬帶無線通信的技術(shù)特點(diǎn)，之后提出了將藍(lán)牙與超寬帶無線通信技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)解決方案。方案既保留了藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)有的核心價(jià)值；又能夠支持需要更高數(shù)據(jù)流通量的應(yīng)用。實(shí)際上，對(duì)于傳輸文件這一目前典型的藍(lán)牙應(yīng)用，將來極有可能需要超寬帶技術(shù)的速度。在本文最后，說明了該方案的可行性。

1 藍(lán)牙和超寬帶技術(shù)特點(diǎn)

Bluetooth無線技術(shù)是—種短距離通信技術(shù)，旨在取代電纜來連接便攜式和，或固定設(shè)備，并保證高度安全性。Bluetooth技術(shù)的主要特點(diǎn)在于功能強(qiáng)大、耗電量低、成本低廉。Bluetooth規(guī)格為范圍廣泛的設(shè)備定義了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，以便于彼此之間進(jìn)行連接和通信。Bluetooth技術(shù)已獲得了全球認(rèn)可，世界各地的Bluetooth設(shè)備都可以與其鄰近的Bluetooth設(shè)備連接。Bluetooth電子設(shè)備可以通過短距離的即時(shí)網(wǎng)絡(luò)(稱為微微網(wǎng))進(jìn)行無線連接和通信。在微微網(wǎng)中每個(gè)設(shè)備同時(shí)可以與多達(dá)七個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。每個(gè)設(shè)備還可以同時(shí)屬于多個(gè)微微網(wǎng)。當(dāng)Bluetooth設(shè)備出入無線電鄰近區(qū)域時(shí)，微微網(wǎng)可在此期間自動(dòng)動(dòng)態(tài)建立和撤消。

UWB是具革命性的無線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以極低的功率通過頻段的寬頻譜傳輸數(shù)據(jù)。它可以極高的速率傳輸數(shù)據(jù)(適合無線局域網(wǎng)應(yīng)用)。理想情況下，UWB無線技術(shù)功耗小、價(jià)格低廉、高速、可使用范圍很寬的無線電頻譜、可穿透障礙物傳輸數(shù)據(jù)和具有廣泛的應(yīng)用范圍。UWB允許在2米范圍內(nèi)達(dá)到約0～500Mbps的數(shù)據(jù)率，在10米范圍內(nèi)則能達(dá)到約110Mbps。

2 利用藍(lán)牙和超寬帶技術(shù)相互配合實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸

2．1基本思路

從以上分析可知，藍(lán)牙在文件較小的數(shù)據(jù)傳輸方面比較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲募^小，若用超寬帶技術(shù)則浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，而用藍(lán)牙則可以得到較快的鏈路建立時(shí)間；而對(duì)于音頻、視頻等多媒體文件的傳輸則超寬帶技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸速率占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且，它的脈沖非常短，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也很難被截取，安全也得以保證。因此，可以設(shè)想：對(duì)于比較小的文件用藍(lán)牙進(jìn)行傳輸，而對(duì)于多媒體文件可以用超寬帶技術(shù)進(jìn)行傳輸；利用藍(lán)牙作為控制鏈路，負(fù)責(zé)傳遞網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的一些參數(shù)，而用超寬帶直接傳輸文件數(shù)據(jù)。以最簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為例(如圖l所示)，整個(gè)傳輸過程包括一個(gè)簡(jiǎn)化了的協(xié)議、自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制(ARQ)以及一個(gè)結(jié)束標(biāo)識(shí)。建立連接的過程類似于TCP協(xié)議的三次握手過程，而終止類似于TCP連接的改進(jìn)的三次握手協(xié)議，但這些信號(hào)是通過藍(lán)牙進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

2．2具體過程分析

在通訊雙方初始化過程中，發(fā)送端需要發(fā)送待傳輸文件大小數(shù)據(jù)，接收端接收該數(shù)據(jù)后需要檢驗(yàn)內(nèi)存是否有足夠空間可用，以保證傳輸文件的完整性。初始化階段要求雙方協(xié)定UWB鏈路的一些參數(shù)，比如一些調(diào)制參數(shù)、同步碼序列以及幀參數(shù)等。由于藍(lán)牙可提供可靠傳輸鏈接，UWB幀的發(fā)送信息可以通過藍(lán)牙接口來識(shí)別。

考慮到藍(lán)牙和超寬帶技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率相差懸殊以及藍(lán)牙傳輸?shù)目煽啃裕@里選用選擇性重傳策略(SRP)作為自動(dòng)重傳機(jī)制。當(dāng)使用了這種策略以后，接收到的壞幀被丟棄，但是壞幀后面的好幀繼續(xù)被緩存起來。當(dāng)發(fā)送方超時(shí)以后，它只重傳最早的未被確認(rèn)的那一幀。如果那一幀正確到達(dá)接收方的話，則接收方依次將它所緩存的幀遞交給網(wǎng)絡(luò)層。選擇性重傳策略通常也跟以下的策略結(jié)合起來使用：當(dāng)接收方檢測(cè)到錯(cuò)誤(例如，幀的校驗(yàn)和錯(cuò)誤或者序列號(hào)不正確)時(shí)，它發(fā)送一個(gè)否定的確認(rèn)(NAK)。NAK可以激發(fā)重傳操作，而不需要等到相應(yīng)的定時(shí)器過期，因此，NAK可以提高性能。

因此，在UWB通信系統(tǒng)中，接收端不必發(fā)送每一幀的確認(rèn)信息，只需接收緩存到一定量的數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個(gè)接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和就夠了。

另外，在兩者互通技術(shù)方面，目前尚未有可行的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，因此本文在此提出一種假設(shè)性的解決方案。

兩者的物理層標(biāo)準(zhǔn)并不相同，如果修改兩者的物理層標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)互通，但是工程可能相當(dāng)巨大，因此，可以在兩者的物理層之上都添加一層協(xié)議融合層。眾所周知，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制方式傳輸?shù)模虼丝梢栽诖齻鬏數(shù)臄?shù)據(jù)打包之前添加一位作為識(shí)別位。兩者都靠協(xié)議融合層發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。UWB的數(shù)據(jù)在第—位之前添加0，Bluetooth的數(shù)據(jù)在第一位之前添加1，之后數(shù)據(jù)打包，傳輸?shù)絽f(xié)議融合層發(fā)送數(shù)據(jù)。接受數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)議融合層首先判斷數(shù)據(jù)的第一位是0還是1，如果是0，則向下傳輸?shù)経WB的物理層；如果是1，則向下傳輸?shù)紹luetooth的物理層，之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如此，雖然協(xié)議融合層的編程可能有些復(fù)雜，但是可以不必修改雙方的物理層協(xié)議。

3 可行性分析

3．1二者技術(shù)的相似性

首先，從距離上考慮，藍(lán)牙和UWB技術(shù)同是短距離通信。一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在10m范圍內(nèi)感應(yīng)到另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，它們自動(dòng)在兩者之間建立連接，UWB的有效距離也是10m，屬于近距離多媒體通信，這一點(diǎn)上二者幾乎沒有任何差別。其次，藍(lán)牙使用了擴(kuò)譜通信中的跳頻方案，發(fā)射機(jī)每隔一段時(shí)間就從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率，不斷搜尋干擾比較小的信道，接收機(jī)以頻率跟蹤的方式進(jìn)行接收；而UWB的多脈沖調(diào)制過程中的第一步就是擴(kuò)譜，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置。第三，藍(lán)牙和UWB技術(shù)都是低成本和低功耗的。藍(lán)牙的市場(chǎng)目標(biāo)就是移動(dòng)設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備的外觀和功耗要求，使得藍(lán)牙必須是低成本低功耗的，藍(lán)牙的輸出功率只有1毫瓦，成本也只幾美元左右；而UWB是不使用載波傳輸?shù)臒o線通訊技術(shù)，又由于UWB直接采用二進(jìn)制的傳輸方式，可大大減少其零件組數(shù)，并且UWB的射頻收發(fā)器架構(gòu)簡(jiǎn)單，此外，芯片也可以使用CMOS結(jié)構(gòu)，使得成本進(jìn)一步降低，而當(dāng)超寬帶結(jié)合了藍(lán)牙之后，功耗還可以大幅度降低。

3.2超寬帶和藍(lán)牙相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

在目前的標(biāo)準(zhǔn)下，在同一環(huán)境中使用2．45GHz的頻段的WLAN(80Zllb)和藍(lán)牙，尤其當(dāng)二者相距較近常常會(huì)發(fā)生相互干擾使數(shù)據(jù)傳輸速度降低。藍(lán)牙信道經(jīng)常從不同的頻隙跳到802..11b信號(hào)上，干擾802.11b信號(hào)，并阻止信號(hào)包的發(fā)送。當(dāng)信號(hào)包被“破壞”后，發(fā)射系統(tǒng)因不能收到確認(rèn)消息，就會(huì)重新發(fā)送，這就導(dǎo)致信息吞吐量的下降。要消除這樣的干擾需要不斷完善藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于超寬帶的脈沖非常短，頻譜非常寬，能避免多路徑傳輸?shù)男盘?hào)干擾問題，因此采用超寬帶和藍(lán)牙相結(jié)合的技術(shù)與其他無線通信技術(shù)間產(chǎn)生干擾的可能性大大降低。另外，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸率只有1Mb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足將來的流媒體高速率的要求，而超寬帶就能滿足高容量的多媒體中流傳輸應(yīng)用。其次，藍(lán)牙提供短距離的對(duì)等通信，同其他技術(shù)比，藍(lán)牙信號(hào)很容易被竊取，而超寬帶的脈沖非常短，因此難以被偵測(cè)，同時(shí)其收發(fā)器之間由事先確認(rèn)的辨認(rèn)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接收端必須知道傳送端的脈沖序列才能正確收到信號(hào)，因此具備高度的安全性。藍(lán)牙在采用了超寬帶的物理層后，將更加安全地傳輸。第四，超寬帶最初是軍方用在雷達(dá)的偵測(cè)系統(tǒng)上的，因?yàn)槠渚邆渚_的測(cè)距能力與定位功能，如果和藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合，更能最大程度地提高連接性能和服務(wù)質(zhì)量。

3.3展望

藍(lán)牙特別興趣團(tuán)體(Bluetooth SIG)在2005年5月公布了其與UWB團(tuán)體合作的意愿，以綜合利用藍(lán)牙和超寬帶這兩種無線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)能夠使用UWB無線電的高速率Bluetooth規(guī)格。雖然新架構(gòu)尚未得到充分定義，但新架構(gòu)將使藍(lán)牙產(chǎn)品能夠利用超寬帶的高速數(shù)據(jù)率。這將滿足需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求，并可以使便攜產(chǎn)品能夠支持高質(zhì)量視頻應(yīng)用。

4 尚需解決的問題

由于藍(lán)牙和超寬帶的物理層并不相同，因此物理層互通是這項(xiàng)技術(shù)亟需解決的問題，這可以通過修改藍(lán)牙的物理層標(biāo)準(zhǔn)得以解決。另一種解決的辦法是在藍(lán)牙和超寬帶的物理層之上分別添加一層協(xié)議融合層，作為被選中的UWB MAC與藍(lán)牙的邏輯連接控制及應(yīng)用協(xié)議層之間接口的基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和超寬帶的物理層彼此互通。本文設(shè)想了一種解決辦法，但還沒有考慮協(xié)議融合層諸如安全等方面的問題，不過這些問題相信假以時(shí)日，都會(huì)得以解決。

5 結(jié)束語

人們對(duì)諸如移動(dòng)設(shè)備的傳輸速度要求不斷提高，期待移動(dòng)設(shè)備中如圖片、視頻和音頻等傳輸?shù)酶欤@樣的要求決定了必需有一種能在移動(dòng)終端之間更快更方便地傳輸大文件或數(shù)據(jù)流的無線傳輸方法。超寬帶作為一種最新的無線電技術(shù)，與其他無線電技術(shù)相比，其主要優(yōu)勢(shì)就在于它的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。本文通過比較藍(lán)牙和超寬帶技術(shù)數(shù)據(jù)通信的各自特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合兩者各自優(yōu)勢(shì)的新的無線數(shù)據(jù)傳輸方法，并分析了該方法的可行性。不過要修改藍(lán)牙的物理層標(biāo)準(zhǔn)，融合這兩項(xiàng)技術(shù)還需要時(shí)間，藍(lán)牙與超寬帶技術(shù)融合的新思想，以其絕對(duì)吸引人的特點(diǎn)正在被更多的人接受，相信在不久的將來，能成為無線傳輸數(shù)據(jù)的一種普遍采用的技術(shù)。