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蓝牙UWB高速无线通讯的未来发展

发布时间:2020-07-21 18:19:57 阅读: 来源:金属穿线管厂家

WiMedia超宽带(UWB)技术将为现在的多媒体增强设备之间提供高速无线数据连接。该技术有望实现480Mbit/s的数据传输速率,从而集合各种各样高速移动的应用。但是,UWB技术不是没有缺点,它并不是像Wi-Fi和蓝牙那样的成熟技术,目前UWB仍处于开发阶段。就利润型便携设备市场而言,UWB本身的某些因素使它无法普及和被广泛采用。缺乏信令技术、可靠的安全性、强大的匹配能力以及功率等问题,使得UWB不适用于以电池供电的便携式设备,面临作为小市场技术而落后的风险。另一方面,像蓝牙这样成熟的技术可靠而且高效,能够将UWB带离其仅有的应用而引入便携式设备大众市场。正因为如此,蓝牙技术联盟(SIG)宣布将来颁布的蓝牙技术规范将支持WiMedia(UWB)。本文着重讨论整合这两种无线技术所存在的各种挑战。尽管有所不同,蓝牙和UWB是两种非常互补的技术。蓝牙一直以来提供低速率的数据传输,不过其成本和功耗很低。蓝牙v2.0+EDR(增强型数据速率)当前最大的应用速率为3Mbit/s,同时在激活状态下的功耗为25mA、在闲置状态下的功耗仅为几个微安。UWB在激活状态下功耗达到蓝牙的20倍,但提供的数据速率高达480Mbit/s,能够满足日益增长的大量数据应用需求。相对于蓝牙来说,UWB的每比特功耗较低,使数据能够迅速传输。但是,UWB仅在3米范围内有效,而蓝牙的有效范围超过100米。至此我们知道,这两种技术有着非常不同的特点:UWB有效范围较小,但数据传输速率高,功率要求也高;而蓝牙有效范围较大,功率要求非常低,但数据传输速率差强人意。于是,通过整合蓝牙和UWB,设备制造商便能够通过“单一”的无线解决方案,实现低功耗、低成本和高数据速率传输,这些是通过一种技术无法实现的。

蓝牙技术:促进者蓝牙技术已经成为当今各种便携式设备的重要通讯连接,最初用于包括移动电话耳机在内的各种音频应用,在这方面蓝牙因其固有的低功耗性能而胜人一筹。不过,通讯协议包含的应用更为广泛。图1显示的是蓝牙堆栈与ISO OSI堆栈的比较。尽管在分层和结构方面有着重大的差异,蓝牙技术的较低层和ISO的实例是相似的。这个实例显示,WiMedia UWB技术目前还没有超越最低层。

图1 蓝牙堆栈与WiMedia UWB比较按照如今的标准来衡量的话,蓝牙技术的速率也很低。Wi-Fi和802.11的标准正在开发中,这两个标准将使蓝牙技术的速率超越120Mbit/s。目前,蓝牙设备的最高速率为3Mbit/s。这个速率对于音频流来说已算不错,但对于视频等数据型应用还是不够的。

蓝牙与WiMedia的联合蓝牙技术联盟没有放弃现有的蓝牙技术以及近十亿部配有蓝牙装置的设备,相反,目前它正在采用WiMedia (UWB)作为附加界面。这两项技术的结合,可实现比从前单独使用时更好的储能效果,同时也为WiMedia提供了一个应用基础。目前正在开发的方法是:蓝牙技术作为控制信道,利用其低功率的关联机制建立应用连接,只有当设备需要发送大量数据时才开启UWB,待传输完成后再将其关闭。有关这两种技术之间如何配合的细节问题仍在研究中。总的来说,蓝牙将在物理层建立连接。然后,确定并向上层报告普通UWB设备的性能。当同时建立低速和高速信道,蓝牙的业务发现功能将决定是否执行所要求的终端用户功能(或应用)。蓝牙应用框架还将定义应用的数据路径,或者由一种独立于应用之外的机制来确定最佳数据路径。此时,UWB作为一个高速通道,在需要的时候打开,不用时关闭。这是最具成本效益的执行方法,使低速蓝牙链路能够尽可能长时间地保持设备之间的连接。图2的协议堆栈显示,数据路径因应用需求不同而略有区别。目前包括移动电话耳机在内的音频应用不需要UWB的速率,这些应用还将继续采用功耗很低的V2.0+EDR甚至更早的蓝牙版本。数据路径用两个箭头表示:细箭头表示低数据速率应用,而粗箭头表示新型大数据量的应用。不管怎样,提供命令和控制信息的数据包总是通过蓝牙连接来传输。

图2 蓝牙-UWB系统的数据路径蓝牙+UWB架构UWB的最大不同之处在于它传输数据的信号水平比“噪声层”(即正常背景噪声)低得多。在无法觉察的信号层中传输数据比较便捷,而在这样的层中正确接收信息却很困难。这就需要UWB中先进的接收器在这样低的信号水平来探测信号。在传输过程中,UWB技术提供令人难以置信的低功耗和高速率,支持数百个同步信道,并有全球实施的潜力。这是因为UWB信号不与传统的RF载波相互干扰,因此不存在共存的问题。尽管UWB信号在技术有效范围之外难于探测,但是当UWB技术与蓝牙技术整合之后,却能有所增值。消费品制造商将能够充分利用蓝牙的互操作性,这是无线技术获得成功的基础。图3说明了UWB技术如何移植到蓝牙架构上。蓝色箭头显示的是当前提供给用户的数据路径。标注“蓝牙v1.2”的箭头是原始的1Mbit/s链路,而标注“蓝牙v2.0”的箭头表示增强型数据速率(EDR)3Mbit/s。图3中的绿色箭头显示的是UWB链路中的建议数据路径。大多数蓝牙堆栈都被利用,只有现有2.4GHz专用的部分被设为旁路。

中间层—如OBEX(对象交换协议)、BNEP(蓝牙网络封装协议——TCP/IP适配层)和A/V(音频视频支持)—无须知道可以提供480Mbit/s的链路。他们只知道服务质量(QoS)请求中可提供更好的效能。这些QoS请求是蓝牙UWB系统如何确定使用哪个链路的关键。UWB技术的每比特功耗极低,但待机功耗相对较高。这就意味着必须做出选择。如果需要大量的数据,如直播视频,那么UWB链路就能够充分利用便携式设备有限的电池使用时间。而如果需要交换的数据只是某次会议的一组商务名片,那么QoS参数将表示只有少量对时间要求不高的数据需要交换。在这种情况下,UWB甚至无须打开。图3的上部还有一个标为SDP的方框——服务发现应用架构。蓝牙技术的本地设备使便携式蓝牙设备能够明确知道它与其他蓝牙设备间实现怎样的功能和通讯。当各设备间完成连接后,正是这个设备用来确定UWB的可用性。当省电性能变得不太重要时,这个蓝牙架构还支持被用来认证无线USB、无线1394或WiMedia WiNet协议的UWB。开关该功能在蓝牙控制范围之外进行,并且必须在UWB执行过程中进行。整合了UWB技术的新版蓝牙将使用户能够对大量数据同速进行和传输,并使便携式设备能够实现更多先进的视频和音频应用。在蓝牙技术规范下,UWB技术在10米的有效范围内速率可达到480Mbit/s,行业研究显示该效能超过了许多应用中最高要求的200Mbit/s。将MP3播放器或高画质数码相机的同速进行即是此技术的应用实例。这就为扩展各种应用保留了很大的空间。

两项技术的整合尽管蓝牙+UWB仍处于开发阶段,但蓝牙技术联盟基本上完成了初步协议堆栈设计。WiMedia技术已为整合此项设计做好准备,并开始商讨如何为蓝牙/UWB产品获取相关资格。

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