UWB应用于Bluetooth的可行性分析

admin

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。