Bluetooth攜手UWB　打造未來高速無線通訊技術

WiMedia超寬頻(Ultra Wideband, UWB)技術，為現今強調多媒體的裝置間提供了高速無線資料的傳輸。這項技術預計可發揮高達480Mbit/s資料傳輸率，協助實現多樣化的超行動應用。然而，UWB目前尚處於開發階段，還不如無線區域網路(WiFi)和藍牙(Bluetooth)技術成熟。  

受限於本身的一些技術特性--包括在訊令技術(Signaling Technology)、安全性和可靠配對(Pairing)能力上的欠缺，以及功率效益問題等，使UWB並不適合被廣泛應用於以電池供電的可攜式裝置市場，因而成為一項寡占型的利基技術。另一方面，像藍牙這種已通過驗證且具備高效率的成熟技術，在上述技術特性反能發揮長處，有助將UWB帶離利基應用、投入大眾化可攜式裝置市場。為此，藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group; Bluetooth SIG)宣布未來的藍牙規範將支援WiMedia UWB。本文所要探討的就是這兩種無線技術的結合將面對那些挑戰。  

藍牙與UWB在技術上互補  

藍牙和UWB具有高度互補效益。藍牙傳統上提供較低的資料傳輸率，優勢在於低成本和節省功耗。目前Bluetooth v2.0+EDR (Enhanced Data Rate)的最高速度為3Mbit/s，操作中的功耗僅有25毫安培(mA)，待機狀態更僅須耗費數個微安培(μA)；而UWB射頻於作業狀態使用的功率約比藍牙高二十倍，但好處是可提供高達480Mbit/s的資料傳輸速率，符合資料量日益繁重的應用要求。再從傳輸距離來看，UWB雖可讓資料以低於藍牙的單位位元功率進行快速傳輸，但它的有效作業範圍僅3公尺，無法達到藍牙具備的100公尺以上的潛能。  

在此看到擁有截然不同特性的兩種技術：UWB有效距離非常短、資料速率高且需要較高功率；藍牙有效距離長且功率需求非常低但是資料傳輸率相當緩慢。因此藍牙與UWB的結合將讓裝置製造商建立一個「單一」無線方案，於大部分的作業狀態下維持低功耗和低成本，並於有需要時以較低的單位位元功率提供高資料傳輸率。若僅仰賴單一技術，就無法實現這樣的功能組合。  

藍牙技術發展至今，已在可攜式裝置市場中建立了關鍵通訊鏈的穩固地位。初期藍牙技術用於行動電話耳機的音訊應用，因為低功耗特性而深獲肯定。然而，其通訊協定在設計上是要支援更廣大的應用。圖1顯示藍牙堆疊(Stack)和ISO OSI堆疊之間的比較。雖然兩者在分層和結構上有顯著差異，但是藍牙技術的較低層則類似以ISO為導向的例子。在這個例子中，WiMedia UWB技術顯示其目前並沒有延伸超越最低層。

資料來源：作者整理 圖1　藍牙堆疊與WiMedia UWB比較

以今天的標準來看，藍牙技術的速度相當緩慢。WiFi和802.11都還屬於開發中的標準，卻已可以達到120Mbit/s以上，但目前最快速的藍牙裝置只有3Mbit/s；這樣的傳輸率對於音訊串流環境雖是不錯的水準，但仍不足以支援視訊等大量資料傳輸應用。  

應用需求決定資料路徑  

與其放棄數以十億計的既有藍牙裝置基礎，Bluetooth SIG現正逐步採納WiMedia UWB做為一種額外實體媒介。兩者的結合甚至將提供比任一種單獨技術更好的省功耗優勢，並且為WiMedia擴大應用基礎。目前正在研發中的方法是要將藍牙技術當成一個控制通道，以低功率建立應用連接，只有當裝置須傳送大量資料時才開啟UWB射頻。  

藍牙與UWB之間的協同作業細節目前仍在研發階段。但初步規畫上，藍牙將在實體層(PHY Layer)上建立連接，而共用的UWB功能一旦被偵測到就會發訊號至較上層的協定。這樣的架構將包含低速和高速兩個通道，而藍牙的服務查找(Service Discovery)功能將決定是否執行提出請求的終端使用者功能或應用。藍牙檔案類別(Profiles)也將定義應用的資料路徑，或透過一個獨立於應用的機制找出最佳資料路徑。在這樣的設計下，UWB射頻就被當成一個高速通道來使用，只有在需要時才會開啟，其他時間就維持在關閉的狀態。由低速藍牙鏈路負責維持長時間的裝置連接是最具成本效益的建置方法。  

由圖2的通訊協定堆疊顯示，資料路徑依照應用需求的不同而略有差別。目前如行動電話耳機的音訊應用，並不需要UWB的速度，因此會繼續由較低功率的V2.0+EDR甚至更早期版本的藍牙來提供支援。圖中使用兩種箭頭顯示資料路徑：較細的路徑用於較低資料速率的應用，較粗的路徑則支援較新的大量資料應用。不管低速或高速，在任何應用情形中，載有命令和控制資訊的封包都是經由藍牙連接傳輸。

資料來源：作者整理 圖2　Bluetooth-UWB系統資料路徑

新藍牙版本便於使用者同步化和傳輸大量資料  

UWB和藍牙的主要差別在於它以比背景雜訊還低的訊號進行傳輸。其實，要在幾乎無法偵測的訊號強度中發訊並不難，困難的是如何在這種強度中正確接收資訊。為了偵測如此微弱的訊號，將須在UWB射頻內仰賴複雜的接收器。  

UWB技術在傳輸期間提供極低的功率和極高的速度，並且支援數百個同時並行的通道，具備全球作業潛能。這是因為UWB訊號不會與傳統射頻載波互相干擾，因此並存(Co-existence)問題可以減至最低。雖然UWB訊號在該技術的範圍外很難偵測，但是當UWB技術整合到藍牙之後，所產生的效益將會非常顯著。而且，兩者的結合也讓消費性電子產品製造商能利用藍牙連接性，奠定無線技術成功的礎石。  

圖3顯示UWB技術如何結合到藍牙架構。左起第一、二個箭頭代表目前使用者可用的資料路徑。其中標示「Bluetooth v1.2」的箭頭是原始1Mbit/s傳輸鏈，而標示「Bluetooth v2.0」則是3Mbit/s的強化資料傳輸率(EDR)。

資料來源：作者整理 圖3　藍牙與整合式UWB架構

圖3的左起第三個箭頭是UWB傳輸鏈的建議路徑。值得注意的是，它使用了大多數藍牙堆疊，而僅繞過既有2.4GHz射頻的專用部分。在中介軟體層部分，例如物件交換(Object EXchange, OBEX)協定、藍牙網路包封協定(Bluetooth Network Encapsulation Protocol, BNEP)--位於TCP/IP協定適應層(Adaptation Layer)和影音支援(Audio Visual Support, A/V)等，並不須知道是否存在一個480Mbit/s鏈路，只有在服務品質請求(QoS Requests)下，所提供的性能提升才會被查覺。  

這些QoS Requests要求將是Bluetooth UWB系統如何決定採用何種鏈路的關鍵。UWB技術提供極低的單位位元功耗，但是待機功耗相對較高。這時決策機制更顯重要。如果須傳輸像實況視訊串流般的大量資料，UWB傳輸鏈就可以讓一台可攜式裝置的有限電池電力發揮最大效用。相反的，如果只須交換一組名片，QoS參數就會顯示僅有少量的非即時資料(Non-time-critical Data)需要進行交換。在這種情形下，甚至不須開啟UWB射頻。  

圖3的另一個上層區塊標示為SDP(Service Discovery Profile)。這是藍牙技術的原生協定，藍牙裝置透過它以確認自己可以執行那些工作，然後和其他藍牙裝置進行工作協商。裝置初始連接時，就是透過這項協定決定UWB是否存在。  

當電力的維護不是很重要時，這個藍牙架構也可支援UWB射頻搭配認證Wireless USB、Wireless 1394或WiMedia的WiNet作業。但這種功能的切換超出藍牙控制範疇，因此必須建置在UWB內。  

資料來源：藍牙技術聯盟 圖4　當傳送視訊串流時，需要UWB的協助。

整合UWB技術的這個新藍牙版本，將讓使用者同步化和傳輸大量資料，以及為可攜式裝置提供更先進的影音應用支援(圖4)。在藍牙規範之下的UWB技術提供480Mbit/s和10公尺有效範圍。業界分析師認為這已超出許多應用的200Mbit/s最大需求。目前的應用範圍包括MP3播放器同步化或高品質影像數位相機，但因為這項整合技術提供了很好的餘裕，未來更有望能大幅擴充至其他的應用。  

雖然目前Bluetooth+UWB仍在開發中，但Bluetooth SIG已接近完成初始協定堆疊設計。同時，WiMedia也準備展開設計整合，並已開始研商如何提供Bluetooth/UWB產品認證。  

(本文作者任職於CSR全球標準架構部門)