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UWB应用于Bluetooth的可行性分析

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摘要 依据UWB和Bluetooth有许多技术的相似,从不同的角度分析了UWB应用于下一代Bluetooth技术的可能。文章得出了一个结论,即采用UWB的Bluetooth在下一代网络中会有更出色的表现和用途。

1、引言

  UWB(超宽带)技术是1993年提出来的全新无线电技术,被认为是无线电技术的革命性发展。它与其他技术比有很大的不同,不需要使用载波。依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号传输数据,因此占用的频带很宽达到了几个GHz,现在正成为无线通信研究的热点。Bluetooth(蓝牙技术)是1985年爱立信、IBM、英特尔、诺基亚等几家公司联合制定的近距离无线通信技术标准。Bluetooth自提出以来,在几年之内风靡全球。目前,全球已有2000多家商用企业推出了Bluetooth芯片、Bluetooth平台、应用程序、测试设备等产品。随着通信技术的进一步发展,WB应用于下一代Bluetooth将成为一大亮点,下面就简要阐述其可行性。

2、二者技术的相似性

  2.1 同是短距离通信

  Bluetooth是一种微型网络,一个Bluetooth设备在10m的范围内感应到另一个Bluetooth设备时。它们自动在两者之间建立连接。这个连接被称为微网(Piconet),更具体地说是一种个人区域网(PAN)。在微网中,一个Bluetooth设备被认定为主设备,另一个设备或者是任何后续设备(最多八个设备)被认定为从设备。主设备控制通信,包括两个设备之间任何所需要的数据传输。UWB的有效传输距离是10m,属于近距离多媒体通信,这一点上二者几乎没有任何差别。

  2.2 同是扩谱通信

  Bluetooth使用了扩谱通信中的跳频方案,发射机每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率,不断搜寻干扰比较小的信道,接收机以频率跟踪的方式进行接收。跳领的频率根据发射机内部产生的伪随机数而定。在UWB中,当采用多脉冲调制时,把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲,多脉冲调制过程可以分两步:第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制;第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中,每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM(脉冲位置)调制;在第二步中,每组脉冲作为整体通常可以采用PAM(脉冲幅度)、PPM调制。一般把第一步称为扩谱,而把第二步称为信息调制。在第一步中,把PPM称为跳时扩谱(TH-SS),即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性,但具有不同的时间位置;在第二步中,根据需要传输的信息比特,PAM同时改变每组脉冲的幅度,PPM同时调节每组脉冲的时间位置。这样,把第一步和第二步组合起来就可以得到多脉冲调制技术如DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM等。

  2.3 同是低成本、低功耗

  Bluetooth在定义时以轻、薄、小为目标,发展用于互连小型设备及其外设,它的市场目标就是移动笔记本、移动电话、小形的PDA以及他们的外设,因而要求Bluetooth芯片小体积、低功耗,以便集成到小型便携设备中。它的输出功率有1毫瓦,成本也在几美元左右。

  UWB是不使用载波传输的无线通讯技术,又由于UWB直接采用二进制的传输方式,因此可将零组件大幅减少为四个(射频、基频、天线、内建的轫体与通讯协议),而且UWB的射频收发器架构很简单,UWB的芯片不需经过RF/IF的转换步骤,不需要本地振荡源、混波器,以及802.11x常用的超外差所需额外的表面声波滤波器。除此之外,也可将射频设计成不需要功率放大器,同时也可以使用CMOS制成,因此具备低成本的芯片结构。也正是UWB有这些结构上的特点,一般来说它的功耗都不超过200微瓦,即可进行高速传输,甚至还有厂商宣称其UWB芯片耗电量仅50~100微瓦,极为省电。因此二者都符合低成本、低功耗的特点。而Bluetooth采用了UWB技术之后,功耗还可以大幅度降低。

3、UWB弥补Bluetooth不足

  3.1 增强抗干扰

  目前,业界的趋势转向在无线个人局域网(WPAN)中采用Bluetooth1.O标准,为诸如打印和PDA同步这样的低速率应用定义了最有效率的短程信令机制。Bluetooth1.O标准和802.11b可能将首先在用于企业和家庭网络环境的笔记本电脑上得到实现。但在目前的标准下,在同一环境中使用2.45GHz频段的WLAN(802.11b)和Bluetooth,尤其当二者相距较近常常会发生相互干扰使数据传输速度降低。Bluetooth信道经常从不同的频隙跳到802.11b信号上,干扰802.11b信号,并阻止信息包的发送。当信息包被“破坏”后,发射系统因不能收到确认信息,就会重新发送,这就导致信息吞吐量的下降。如果802.11b信号特别弱,而Bluetooth信号又特别强,802.11b信号上的噪声可能会导致连接中断。Bluetooth对802.11b的干扰强于802.11b对它的干扰。现在要消除这样的干扰得不断完善Bluetooth协议标准。

  由于UWB的脉冲非常短(0.1ns~1.5ns),频谱非常宽(数GHz,可超过10GHz),能避免多路径传输的讯号干扰问题,因此采用UWB的Bluetooth与其它无线通讯技术(移动电话、802.11x、微波等等)间产生干扰的可能性大幅降低。

  3.2 提高传输数率

  目前,Bluetooth只能达到数据传输率1Mb/s,实现了语音和数据的传输,远远不能满足将来的流媒体高速率的要求。而现在许多UWB厂商的第一代技术都可达到100Mbps的速率,已开始研发的第二代UWB可达数百Mbps甚至可以达到更高的速率,采用UWB的下一代Bluetooth,到时就可满足高容量的多媒体串流传输应用。

  3.3 增加安全性

  Bluetooth提供短距离的对等通信,同其他技术比,Bluetooth信号很容易被窃取,所以需要Bluetooth协议提供的认证和加密。UWB的脉冲非常短(通常不超过十亿分之一秒),因此在极广的频段间传输时,非常难以被侦测。同时其收发器之间由事先确认的辨识方式进行转换,接收端必须知道传送端的脉冲序列(Pulse Sequence),方能正确收到讯号,因此具备高度的安全性。Bluetooth在采用UWB的物理层后,它将更加安全地传输。

  3.4 提高QoS

  UWB系统具备良好的时间解析能力,使其能发展出精确的测距能力与定位功能,因此过去军方即将其用在雷达的侦测系统上。而定位能力精确为UWB独到之处,使其可以将通讯与距离侦测进行结合。在商业用途上,精准的定位功能应用于Bluetooth追踪定位,更能最大程度地提高连接性能和服务质量(QoS)。

4、频段分析

  从频段上看,UWB的可用频段为3.1GHz~10.6GHz,Bluetooth使用的是2.4 GHz~2.4835 GHz的工业、科研、医疗(ISM)全球通自由频段,在世界上绝大部分国家无需申请无线电执照或许可证,使旅行者随时随地毫无障碍地使用Bluetooth设备。二者频段相隔还有一定差距,将来Bluetooth把UWB作为的物理层其频段可能还有进一步的改动和扩展空间。

5、结语

  从以上分析得知,UWB应用于下一代Bluetooth是切实可行的。但是要修改Bluetooth技术的物理层标准,不过融合这两项技术还需要时间。另外,UWB也面临着许多挑战,还有许多技术问题要研究解决:诸如需要更好地理解UWB传播信道的特点,建立信道模型,解决多经传播等问题;需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术;还有高速脉冲收发电路的设计与实现,如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理等;研究新的调制技术,进一步降低收发机结构的复杂度,等等。

  参考文献:

  1 David G.LeeperSingapore Ultrawideband Programme.http://www.ida.gov.sg/idaweb/doc/download/12887/UWB,OFDM and Cognitive Radio.pdfl May 24,2004

  2 朱刚 谈振辉 周贤伟编著.蓝牙技术原理与协议2002年8月第1版。

  3 马建仓 罗亚军 赵玉亭编著.蓝牙核心技术及应用2003年01月第1版。

  4 [美]米勒(Miller,M.)著.李纯 周开波译.蓝牙技术起跳2002年1月第1版。
来源:中国联通网站

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