一種藍牙與超寬帶無線通信技術的結合方案

摘要：闡述了藍牙與超寬帶無線通信的技術特點，提出了將藍牙與超寬帶無線通信技術相結合的一個解決方案，說明了該方案的可行性。

關鍵詞：藍牙；超寬帶；無線通信；高速傳輸

0 引言

微電子技術、無線電技術的發展和數字通信技術的緊密結合，逐步形成了無線數據傳輸技術。它的出現改變了傳統的有線傳輸的使用現狀，極大地減少了人們對有線網絡的依賴，省去了鋪設有線線路的麻煩，是無線通訊技術的一個重要發展方向。在現代無線移動終端設備中，藍牙技術成為了數據傳輸的新寵；然而，隨著無線通信技術的發展，各種無線通信系統相繼出現，使可利用的頻譜資源日趨飽和。但人們對無線通信系統的要求仍在不斷提高，希望其提供更高的數據傳輸速率、成本更低、功耗更小。在這樣的背景下，超寬帶技術引起了人們的重視，已逐漸成為無線通信領域研究、開發的一個熱點，并被視為下一代無線通信的關鍵技術之一。由于藍牙技術和超寬帶技術都適用于短距離無線通信，兩者也具有很多相似性，因此將兩者技術結合無不失為一種很好的現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團體合作的意愿，以開發能夠使用UWB無線電的高速率Bluetooth規格。

本文首先闡述了藍牙與超寬帶無線通信的技術特點，之后提出了將藍牙與超寬帶無線通信技術相結合的一個解決方案。方案既保留了藍牙技術現有的核心價值；又能夠支持需要更高數據流通量的應用。實際上，對于傳輸文件這一目前典型的藍牙應用，將來極有可能需要超寬帶技術的速度。在本文最后，說明了該方案的可行性。

1 藍牙和超寬帶技術特點

Bluetooth無線技術是—種短距離通信技術，旨在取代電纜來連接便攜式和，或固定設備，并保證高度安全性。Bluetooth技術的主要特點在于功能強大、耗電量低、成本低廉。Bluetooth規格為范圍廣泛的設備定義了統一的結構，以便于彼此之間進行連接和通信。Bluetooth技術已獲得了全球認可，世界各地的Bluetooth設備都可以與其鄰近的Bluetooth設備連接。Bluetooth電子設備可以通過短距離的即時網絡(稱為微微網)進行無線連接和通信。在微微網中每個設備同時可以與多達七個設備進行通信。每個設備還可以同時屬于多個微微網。當Bluetooth設備出入無線電鄰近區域時，微微網可在此期間自動動態建立和撤消。

UWB是具革命性的無線數字數據傳輸技術，以極低的功率通過頻段的寬頻譜傳輸數據。它可以極高的速率傳輸數據(適合無線局域網應用)。理想情況下，UWB無線技術功耗小、價格低廉、高速、可使用范圍很寬的無線電頻譜、可穿透障礙物傳輸數據和具有廣泛的應用范圍。UWB允許在2米范圍內達到約0～500Mbps的數據率，在10米范圍內則能達到約110Mbps。

2 利用藍牙和超寬帶技術相互配合實現無線數據傳輸

2．1基本思路

從以上分析可知，藍牙在文件較小的數據傳輸方面比較有優勢，因為文件較小，若用超寬帶技術則浪費網絡帶寬，而用藍牙則可以得到較快的鏈路建立時間；而對于音頻、視頻等多媒體文件的傳輸則超寬帶技術以其數據傳輸速率占絕對優勢，并且，它的脈沖非常短，傳輸的數據也很難被截取，安全也得以保證。因此，可以設想：對于比較小的文件用藍牙進行傳輸，而對于多媒體文件可以用超寬帶技術進行傳輸；利用藍牙作為控制鏈路，負責傳遞網絡協議的一些參數，而用超寬帶直接傳輸文件數據。以最簡單的點對點網絡為例(如圖l所示)，整個傳輸過程包括一個簡化了的協議、自動重傳請求機制(ARQ)以及一個結束標識。建立連接的過程類似于TCP協議的三次握手過程，而終止類似于TCP連接的改進的三次握手協議，但這些信號是通過藍牙進行傳輸的。

2．2具體過程分析

在通訊雙方初始化過程中，發送端需要發送待傳輸文件大小數據，接收端接收該數據后需要檢驗內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定UWB鏈路的一些參數，比如一些調制參數、同步碼序列以及幀參數等。由于藍牙可提供可靠傳輸鏈接，UWB幀的發送信息可以通過藍牙接口來識別。

考慮到藍牙和超寬帶技術的數據傳輸率相差懸殊以及藍牙傳輸的可靠性，這里選用選擇性重傳策略(SRP)作為自動重傳機制。當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被緩存起來。當發送方超時以后，它只重傳最早的未被確認的那一幀。如果那一幀正確到達接收方的話，則接收方依次將它所緩存的幀遞交給網絡層。選擇性重傳策略通常也跟以下的策略結合起來使用：當接收方檢測到錯誤(例如，幀的校驗和錯誤或者序列號不正確)時，它發送一個否定的確認(NAK)。NAK可以激發重傳操作，而不需要等到相應的定時器過期，因此，NAK可以提高性能。

因此，在UWB通信系統中，接收端不必發送每一幀的確認信息，只需接收緩存到一定量的數據后，發送一個接收數據的校驗和就夠了。

另外，在兩者互通技術方面，目前尚未有可行的標準出臺，因此本文在此提出一種假設性的解決方案。

兩者的物理層標準并不相同，如果修改兩者的物理層標準可以實現互通，但是工程可能相當巨大，因此，可以在兩者的物理層之上都添加一層協議融合層。眾所周知，數據是以二進制方式傳輸的，因此可以在待傳輸的數據打包之前添加一位作為識別位。兩者都靠協議融合層發送和接受數據。UWB的數據在第—位之前添加0，Bluetooth的數據在第一位之前添加1，之后數據打包，傳輸到協議融合層發送數據。接受數據時，協議融合層首先判斷數據的第一位是0還是1，如果是0，則向下傳輸到UWB的物理層；如果是1，則向下傳輸到Bluetooth的物理層，之后再進行數據處理。如此，雖然協議融合層的編程可能有些復雜，但是可以不必修改雙方的物理層協議。

3 可行性分析

3．1二者技術的相似性

首先，從距離上考慮，藍牙和UWB技術同是短距離通信。一個藍牙設備在10m范圍內感應到另一個藍牙設備時，它們自動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，這一點上二者幾乎沒有任何差別。其次，藍牙使用了擴譜通信中的跳頻方案，發射機每隔一段時間就從一個頻率跳到另一個頻率，不斷搜尋干擾比較小的信道，接收機以頻率跟蹤的方式進行接收；而UWB的多脈沖調制過程中的第一步就是擴譜，即每組脈沖內部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置。第三，藍牙和UWB技術都是低成本和低功耗的。藍牙的市場目標就是移動設備，移動設備的外觀和功耗要求，使得藍牙必須是低成本低功耗的，藍牙的輸出功率只有1毫瓦，成本也只幾美元左右；而UWB是不使用載波傳輸的無線通訊技術，又由于UWB直接采用二進制的傳輸方式，可大大減少其零件組數，并且UWB的射頻收發器架構簡單，此外，芯片也可以使用CMOS結構，使得成本進一步降低，而當超寬帶結合了藍牙之后，功耗還可以大幅度降低。

3.2超寬帶和藍牙相結合的優勢

在目前的標準下，在同一環境中使用2．45GHz的頻段的WLAN(80Zllb)和藍牙，尤其當二者相距較近常常會發生相互干擾使數據傳輸速度降低。藍牙信道經常從不同的頻隙跳到802..11b信號上，干擾802.11b信號，并阻止信號包的發送。當信號包被“破壞”后，發射系統因不能收到確認消息，就會重新發送，這就導致信息吞吐量的下降。要消除這樣的干擾需要不斷完善藍牙協議標準。由于超寬帶的脈沖非常短，頻譜非常寬，能避免多路徑傳輸的信號干擾問題，因此采用超寬帶和藍牙相結合的技術與其他無線通信技術間產生干擾的可能性大大降低。另外，藍牙的數據傳輸率只有1Mb/s，遠遠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用。其次，藍牙提供短距離的對等通信，同其他技術比，藍牙信號很容易被竊取，而超寬帶的脈沖非常短，因此難以被偵測，同時其收發器之間由事先確認的辨認方法進行轉換，接收端必須知道傳送端的脈沖序列才能正確收到信號，因此具備高度的安全性。藍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的偵測系統上的，因為其具備精確的測距能力與定位功能，如果和藍牙技術相結合，更能最大程度地提高連接性能和服務質量。

3.3展望

藍牙特別興趣團體(Bluetooth SIG)在2005年5月公布了其與UWB團體合作的意愿，以綜合利用藍牙和超寬帶這兩種無線技術的優點，開發能夠使用UWB無線電的高速率Bluetooth規格。雖然新架構尚未得到充分定義，但新架構將使藍牙產品能夠利用超寬帶的高速數據率。這將滿足需要高速數據傳輸的應用需求，并可以使便攜產品能夠支持高質量視頻應用。

4 尚需解決的問題

由于藍牙和超寬帶的物理層并不相同，因此物理層互通是這項技術亟需解決的問題，這可以通過修改藍牙的物理層標準得以解決。另一種解決的辦法是在藍牙和超寬帶的物理層之上分別添加一層協議融合層，作為被選中的UWB MAC與藍牙的邏輯連接控制及應用協議層之間接口的基礎，以實現藍牙和超寬帶的物理層彼此互通。本文設想了一種解決辦法，但還沒有考慮協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日，都會得以解決。

5 結束語

人們對諸如移動設備的傳輸速度要求不斷提高，期待移動設備中如圖片、視頻和音頻等傳輸得更快，這樣的要求決定了必需有一種能在移動終端之間更快更方便地傳輸大文件或數據流的無線傳輸方法。超寬帶作為一種最新的無線電技術，與其他無線電技術相比，其主要優勢就在于它的高速數據傳輸能力。本文通過比較藍牙和超寬帶技術數據通信的各自特點，提出了一種結合兩者各自優勢的新的無線數據傳輸方法，并分析了該方法的可行性。不過要修改藍牙的物理層標準，融合這兩項技術還需要時間，藍牙與超寬帶技術融合的新思想，以其絕對吸引人的特點正在被更多的人接受，相信在不久的將來，能成為無線傳輸數據的一種普遍采用的技術。