藍牙技術的問題、前景與中國頻譜管理策略的考慮
關鍵詞:藍牙 高性能無線本地網 寬帶家用射頻 數字無繩 紅外線數據接入 共享無線接入協議 特設網絡 第三代及第四代移動通信 跳頻擴頻 個人無線局域網
??? 摘? 要:本文在簡要介紹藍牙誕生背景及其系統基本參數基礎上,重點論述其存在問題、應用前景及中國的頻譜管理等相應發展策略考慮。
1 引言
??? 涉及無線連線及無線個人接入藍牙技術的基本思想在上世紀80年代中期已萌發,但由于當時標準、技術及市場前景等諸多問題不明朗,未成氣候;近些年來,由于移動通信及Internet的迅速發展,給藍牙技術帶來了新的商機與市場前景,從而激活了藍牙技術的真正誕生。這首先應當歸功于Ericsson的工程師面對有線連線“剪不斷,理還亂”的困擾,1994年推出了解決無線連線問題的技術開發計劃,從而產生了推進無線連線與個人接入的實在想法。1997年Ericsson邀請IBM、Intel、NOKIA及TOSHIBA這5個世界著名的無線設備及計算機、半導體設備制造公司商議建立一種全球化的無線通信個人接入與無線連線新手段,后定名為“藍牙”(Bluetooth),并于1998年5月正式發起成立了“藍牙特別興趣組織”BSIG(Blueteooth Special Interest Group),簡稱藍牙SIG(亦有人稱此為“國際藍牙組織”、“藍牙技術同盟”,甚至稱之為“藍牙特殊利益集團”)。進而于1999年11月美國4家著名公司Motorola、Lucent、Microsoft及3Com加盟于上述5公司,成為BSIG的9個發起成員,使藍牙技術的發展獲得了更強有力的支持,并顯示出更明朗的前景。現在,BSIG的參加成員已達2491個,已論證通過的藍牙產品亦達250個左右,其發展勢頭令人觸目。由于其普及應用與普遍服務能力,藍牙技術不僅局限于信息通信世界,甚至超越了3C(計算機、通信與消費)產業界,可遍及房地產等多種產業領域。從而,藍牙這一名詞幾乎遍布全球每一角落、家喻戶曉,大家均認為可能是一個值得投入、并可能獲得未來豐厚回報的新技術領域。也許這就是未來藍牙技術發展的重要市場基礎。
??? “Bluetooth”此詞據稱源于歐洲中世紀(A.D.900)丹麥國王哈拉德二世(King Harald Blatand)的綽號“Bluetooth”,他面對當時處于四分五裂的丹麥、瑞典、挪威、芬蘭等北歐地區,建立了統一強大的丹麥王國,并將基督教引入了北歐地區,從而確立了為后人緬懷、頌揚的不朽功勛。由此,瑞典Ericsson公司領頭用其來命名此重要的一種無線通信與連線新技術,也期望建立一種開放性的、全球統一標準,一統“無線世界”天下,將這種新技術進行最廣泛普及的、全球性各行各業的普遍連接應用。
??? 在中國,亦往往稱“藍牙”為“藍芽”,一是避免“藍牙”這詞在中文含義上的費解,二是表示以藍色為象征的信息領域中一種重要的新技術的萌芽。但從“統一全球標準”之本意及與國際BSIG連接看,“藍牙”(Bluetooth)依然更為明確,從而運用“藍牙”這一詞者亦似乎為數更多些。兩者在中國可視為同一含義。
??? 近代,通用無線接入作為先進手段實施接入網的全部或部分功能,它已成為有線接入的有效支持、補充與延伸,是快速、靈活裝備與實現普遍服務的重要途徑。無線接入目前雖然大部分為窄帶,但中寬帶與寬帶(Wideband and Broadband)無線接入,包括2.5G/3G移動接入、不對稱IP接入及衛星接入已成為可能,而藍牙技術可視為一種最接近用戶的短距離、微功率、微微小區(Pico-cell)型無線接入手段,在構筑新世紀全球個人通信網絡及無線連接世界方面將發揮其獨特重要的作用。很明顯,由于通用無線接入可綜合包括宏大區、大區、小區、微小區、微微小區、移動、半移動(包括Nomadic游牧式)、可搬移(Transportable)及固定等多種接入覆蓋模式,可有效覆蓋三維物理空間的任何一角落及有效地在任何時候連接至任何個人用戶,它對未來全球個人通信的實際連接覆蓋的普遍化與重要性顯而易見,而且無線接入與Internet聯合運作的,所謂無線Internet/移動IP,以及更進一步以全球移動通信演進發展沿1G→2G→2G+(2.5G、2.75G)→3G→3G+→4G這一發展脈絡中,將及時大量嵌入Bluetooth之類新手段,進入所謂嵌入式(Embedded)世界,實現以Pico-cell小區個人接入為中心展開的無線個人局域網絡(WPAN)時代,這將成為未來全球個人通信世界中的最重要環節之一。因此,Bluetooth技術的戰略含義將不言而喻。
2 藍牙系統基本參數及指標要求
??? 工作頻段 ISM頻段2.402~2.480 GHz
??? 雙工方式 TDD
??? 業務類別 同時支持電路交換及分組交換業務
??? 數據標稱速率 1 Mbit/s
??? 異步信道速率 非對稱連接721/57.6kbit/s
??? 對稱連接432.6kbit/s(全雙工模式)
??? 同步信道速率 64kbit/s(3個全雙工信道)
??? 信道間隔 1MHz
??? 信道數 79
??? 發射功率 美國FCC要求<0dBm(1mW) 一些其他國家可擴展至20dBm(100 mW)
??? 跳頻頻點數 79個頻點/MHz[2402+k(MHz), k=0,1,2……78]
??? 跳頻速率 1600次/s
??? 工作模式 Active/Sniff/Hold/Park
??? 數據連接方式 面向連接業務SCO、無連接業務ACL
??? 糾錯方式 1/3FEC、2/3FEC、ARQ
??? 鑒權 反應邏輯算術方式
??? 密鑰 以8bits為單位增減,最長 128bits
??? 話音編碼方式 CVSD
??? 發射距離 一般10cm~10m,增加功率情況下可達100m
??? 網絡拓撲結構 Adhoc結構、Piconet及Scatternet
3 藍牙技術存在的問題與應用前景
3.1 存在問題
??? (1)2.4GHzISM頻段使用的電磁兼容與頻率共用問題
??? 由于2.4GHz ISM頻段對所有工、科、醫無線電設備全部開放,亦有不少其他短距離(微功率)無執照運行無線電設備,甚至像中國的情況還有相應已發放臺站執照的SS(包括一些相關的WLAN)設備在同時工作。由此,微波爐(2.45GHz,數千瓦至數百千瓦高功率運行)、家電、無繩電話、SS及WLAN系統和其他處于該頻段的ISM及無執照短距離運行的無線電設備均可能是其干擾源,需要小心處理其共存問題。即使來用高速自適應跳頻技術,亦必須檢驗其實際共存的可靠性與可行性,以及管理規則的協調配合問題,為藍牙的商用創造出盡可能現實可行的共存環境。為此積極參與IEEE802.15的共存問題的研究及取得實際有效的進展非常重要。
??? (2)互操作與兼容性問題
??? 如上所述,由于藍牙軟件結構受限于廣泛普及運用需要的約束,帶來對藍牙互操作能力與兼容性的負面影響,要特別小心其實際兼容性與互操作能力的檢驗與改進。
??? (3)保密安全問題
??? 盡管藍牙系統的保密安全機制已制定得較為嚴格,除跳頻技術提供了一定安全保障外,還有用戶個人標識、鏈路密鑰論證和保密密鑰加密之三重處理,但鑒于藍牙系統的移動性、普遍性與無執照全面開放性,使得其安全保密問題顯得尤為敏感與重要,而且很大程度上還決定于應用目標范疇。保密安全問題依然是其需要倍加小心考慮與處理的重要問題。
??? (4)與其它相關技術的競爭問題
??? 重要的競爭對手如上所述,主要是與紅外線接入、IEEE802.11系列及Home RF系列技術速率、價位現實性與共存可靠性及可用性方面的競爭。藍牙依然應加速努力,積極保持與發揚目前已持有的綜合主導優勢。
??? (5)價格、可靠性等綜合吸引力問題
??? 藍牙要想取得大面積普及,必須有效地解決其芯片價格與實際運行可靠性問題。曾熱心支持藍牙技術發展的9位BSIG發起者之一的Microsoft公司,于2001年4月4日正式宣布放棄在新一代視窗Windows XP中引入藍牙技術;固然,暫時放棄不等于永遠不做,但這也多少反映出對目前水平的藍牙產品的可靠性、兼容性及性能價格方面的不放心程度。
3.2 應用前景
??? 如上所述,藍牙技術的終極目標就是要建立一種全球統一的無線連接(連線與接入)標準,使不同廠家生產的各種移動、便攜設備和固定終端,在近距離內不用線纜即可自動彼此連接,實現互操作與資料共享。凡嵌入藍牙模塊的設備之間均能自動聯絡、識別與確認,利用相應的控制軟件,不需用戶作任何人工干預,即可自動建立連接與數據傳送和交流共享。
??? 藍牙的可能應用模式之廣泛可能是目前所見到新技術應用中最觸目者,幾乎可滲透至全球各行各業。一些明顯的重要應用模式如下。
??? (1)一機多用電話模式
??? 可作蜂窩移動電話,內含WAP/GPRS、多頻、HSCSD等兼容功能,同時可作不計費電話或公用接入普通電話等多種功能應用。一些已有產品如Ericsson T36m/mc、R520m手機,Nokia 9110、6210手機及Alcatel One Touch 700及500系列手機等均為實例。
??? (2)頭戴(盔)式耳機/聽筒設備模式
??? 可作頭戴、免提蜂窩電話、無線電話及個人微機的音頻輸入、輸出接口設備,此時話音數據流可不經L2CAP層而直接進入基帶協議層,可直接收發處理AT集命令。
??? (3)互聯網網橋模式
??? 此時可由手機或無線Modem直接向PC提供撥號上網及傳真等功能。
??? (4)局域網訪問模式
??? 此時,多功能數據終端(DT)可經LAN訪問點(LAP)無線接入局域網。現今已有大量藍牙嵌入的計算機及相關藍牙接口和插卡。
??? (5)文件傳送模式
??? 可提供兩DT間傳送.XLS、.PPT、.WAV、.JPG和.DOC等各種格式文件及完整活頁夾、目錄或多媒體數據流,并可提供遠程瀏覽功能。
??? (6)同步運行模式
??? 可提供各種設備與設備間的同步個人數據管理(PIM)功能,各電話簿、日歷、通知、記錄及名片處理等。
??? (7)數字影像模式
??? 可用兼容藍牙技術的數碼相機拍攝相片后,傳送給其他數碼相機以及移動電話終端,或臺式機、便攜機和PDA等。
??? (8)智能汽車系統模式
??? 通過車載音響實現免提電話及鎖車、防盜、報警等各種汽車智能需求功能。此外,藍牙2.0版技術規范的數據速率可達5.0Mbit/s左右,可作音效和視頻傳輸的運用。
??? (9)家庭信息網絡模式
??? 家庭互聯網雖可有多種技術標準與產品,然而最具代表性的兩類產品技術標準即為HomeRF及Bluetooth。目前,HomeRF可實施較高速率的家庭信息網絡設備互聯,而Bluetooth則主要側重便攜移動計算設備、手持通信設備等家庭信息網絡設備互聯,并進而與Internet互聯,實施無線雙向傳送。
??? (10)流動辦公與電子商務模式
??? 實現計算機與Internet、PSDN、ISDN、LAN/MAN/WAN及xDSL等各種設備間互聯工作,形成流動型辦公室,并可實施電子付賬、藍牙賓館電子登記及藍牙餐廳點菜、付賬等服務。
??? 如上所述,至今已有250種以上各種已認證通過的藍牙產品,而這僅為藍牙應用的起步。目前,一般藍牙設備由2~3個芯片(9mm×9mm)組成,價格已可低達8美元/片,并逐步向5美元/片邁進;同時,2001年3月中旬,Alcatel公司已推出真正的藍牙單片芯片,該芯片集成了收發藍牙信號所需的RF收發電路、基帶處理電路和微控制器以及收容固件的快閃EEPROM,包括語音多媒體、數字信號編譯碼等。估計真正的藍牙大規模較成熟應用需至2005年之后,此時藍牙設備產量估計可達14億件左右。而且對中國而言,那時的移動用戶數、家電數、固定用戶數,甚至Internet網戶及上網手機量均可能居全球榜首。因此,中國的藍牙應用市場潛力無疑最誘人,何況藍牙的應用模式還遠不止上述10種典型模式,甚至可以說,借助藍牙技術真正可實現“手機電話遙控一切”,其他應用模式還可進一步被想象、開發與創造。其應用領域,不僅僅涉及通信、計算機和家電消費領域,還可涉足汽車、電力、房地產……各行各業。因此,藍牙前景一片光明。
4 中國發展藍牙技術的頻譜管理等有關策略考慮
4.1 ISM頻段問題
??? 鑒于藍牙技術應用目標的廣泛性,如上所述,首選此2.4GHzISM頻段進行無執照運行,看來是相對最可行的途徑。目前藍牙的最高運行速率為1Mbit/s標稱速率,隨著進一步擴展至視頻多媒體業務連接的運行,還需更高的速率與可進行更寬頻帶操作的頻段;5.8GHz之類更高的ISM頻段為其可能的進一步考慮對象。根據ITU RR(無線電規則)確定的ISM各類使用頻段見表1。
?
??? 對這些ISM頻段的電磁兼容性:要注意其相應頻段內有執照的SS之類業務、WLAN業務,甚至高效率高功率譜密度無線接入運行業務,以及無執照ISM、SS及U-NII業務等彼此兼容共存的電磁兼容分析與頻率規劃考慮。
4.2 2.4GHz頻段藍牙發展的電磁兼容性能測試調查與建議
??? 信息產業部無線電管理局結合多次與國際BSIG相關負責人和成員的研討與商談基礎上,于2001年4月23日在北京組織召開了一次涉及藍牙產品在2.4GHz頻段的“電磁兼容共用測試方案討論會”,與會代表一致認為藍牙技術日益成熟、應用豐富,并有形成高密度應用的發展趨勢。雖然藍牙產品的使用目標與使用方式決定了其用戶不可能到無線電管理部門辦理電臺執照,但也應保證用戶使用藍牙產品時能獲得基本的可用性與使用要求。因此,共用測試中不僅要測試藍牙產品對已有業務的干擾情況,還要測試現有業務對藍牙產品的干擾程度及藍牙產品的抗干擾能力。為科學地規劃藍牙產品的使用頻段以為及其業務共存提供技術依據,實際測試在2001年5月9日~6月11日于國家無線電管理機構大樓及安源大廈北京世紀異同通信服務有限公司擴頻通信設備現場和一個合適的10m法電波暗室中進行。進行了如下4類具體測試:
??? 1)按藍牙規范對藍牙設備的發射及接收指標進行測試;
??? 2)以我國對2.4GHz頻段擴頻設備的管理規定作參考,對藍牙設備進行核準性測試;
??? 3)在全電波暗室中測試直擴通信設備與藍牙設備的電磁兼容性;
??? 4)在擴頻通信現場實測直擴和跳頻設備與藍牙設備的電磁兼容性。
??? 參加測試的相應設備有:
??? · Ericsson公司藍牙耳機HBH-10、藍牙手機R520mc及藍牙數據通信終端DBA-10;
??? · NOKIA公司藍牙數據通信終端FLA-15、藍牙手機LRW-1及符合IEEE 802.11b要求的無線局域網網卡C110;
??? · 北京雷波泰克信息技術有限公司的直擴通信設備RT2400;
??? · 北京世紀異同通信服務有限公司使用的直擴通信設備P-Com384、Wi-LAN4524及跳頻通信設備TAL Sub Space 2002;
??? · 測試設備包括R/S CMU200藍牙設備測試儀、FSEK頻譜分析儀及相應信號源R/S SMIQ03、SMR 20和Agilent 4436B,以及HP8922 GSM手機測試儀等。
??? 通過上述實際測試及直擴系統對藍牙與無線局域網系統的干擾與電磁兼容分析,包括藍牙在內的跳頻系統間的干擾與電磁兼容分析,以及藍牙系統與直擴無線局域網系統間的彼此干擾與電磁兼容分析,獲得下述主要結論:
??? a) 在一定條件下,3種系統可兼容共存。
??? b) 為保護現有2.4GHz擴頻通信業務,其收發天線需在控制滿足發射功率譜密度要求前提下盡量采用高增益、收發旁瓣及前后向隔離比優良的天線,并具有架設高度的基本保證,同時,作為城域網的運用,擴頻系統的通信距離應控制在10km左右,以保證其接收信號強度為-60dBm~-70dBm。
??? c) 現有擴頻通信設備的EIRP≤27dBm(包括天線增益在內)為較合理的值,并應采取嚴格的監管措施,防止運營商再擅自抬高發射功率,以保護其他運營商利益,并有利于藍牙和無線局域網設備在我國的普及使用。
??? d) 為提高藍牙設備對擴頻設備的抗干擾能力,建議藍牙設備采用自適應跳頻技術及其他進一步提高其抗干擾能力的對抗措施,以獲得較好的運行可用性。
??? e) 為給藍牙創造更好跳頻工作環境,建議與國際接軌,分配給藍牙79個信道運作,并希望在條件成熟時盡快公布藍牙設備在中國使用的頻率規劃。
??? f) 無線電管理部門對使用相應ISM頻段的工、科、醫設備的電磁泄漏輻射應進行嚴格的控制監管,以創造盡可能良好的共存環境。
??? 目前,無線電管理局相關部門正結合此實際測試結果與建議,加速進行相應頻率規劃工作。
4.3 中國發展藍牙技術的有關策略考慮
??? 1) 結合2.4GHz ISM頻段的我國現有設備與業務運行的實際國情,以及上述電磁兼容性實測與分析結論和國外在這些方面處理ISM、SS、WLAN、U-NII以及Bluetooth的共存經驗,加速頻率規劃與相關應用的試驗進程,為藍牙技術在中國的應用創造盡可能合理與良好的運行環境,使藍牙技術在全球最大潛在用戶的國家中能獲得快速、穩定、健康、有序的發展。
??? 2) 由于藍牙的軟件體系是一個獨立的操作系統,不與任何操作系統捆綁,但又期望充分利用現有系統規范,因此應設計其兼容操作規范協議。需要小心檢驗藍牙與現有協議的融合與各種應用間的互操作性,同時,在其協議棧的不同層面將會存在較多的創造與改進空間,以更好完善藍牙的技術規范與在ISM頻段的電磁兼容共存的能力與頑強性。例如以接入控制為例,目前藍牙規范中定義了主站控制的輪詢(Polling)無線接入協議,但其接入控制頻道資源利用效率及管理效益仍有待進一步改進,可望開發更有效的MAC方案與排程(Schedulig)方法及結合IP聯網經驗進一步改進其Ad hoc最優搜索路由(Routing)的傳送協議。對進一步的多媒體通信應用,如何提高運行速率及適應不同QoS要求,如何進行帶寬按需等自適應控制,等等,均有較多創造、改進的余地。綜合我國在發展VCD/SVCD/DVD產業的有關經驗與模式,促進我國藍牙產業的適合國情的創造性發展,應該進行最大限度的鼓勵與支持。
??? 3) 集中有限的研發力量與投入,團結一致,以一種聲音與統一有效的行動加強多方位國際合作及與BSIG的聯系和合作,包括積極關注和參與IEEE 802.15的研究工作及BSIG的標準化工作,為中國與國際藍牙的標準化工作貢獻力量。
??? 4) 隨著我國半導體芯片制造的軟硬件基礎產業實力的發展,在加強國際合作的基礎上,相關產業發展管理部門應有計劃地組織開發適合我國國情的優良性能/價格比的藍牙芯片,以適應藍牙技術的潛在廣闊市場應用需求和發展我國民族產業。
??? 5) 充分利用我國的巨大藍牙市場潛力進行技術創造與發展。藍牙技術的應用對象既包括移動,亦包括半移動與固定的各類終端應用,但從最有活力的與個人相連接的網絡含義而言,移動及半移動終端將成為份額與應用活力最大的藍牙應用對象。預計今后3年左右,固定電話、移動電話及互聯網用戶將形成三分天下的基本格局;而未來5~8年內,移動電話用戶和固定電話用戶將平分秋色,各占“半壁江山”。相應地,2005年以后,藍牙的普及應用估計會形成一種較好的勢頭而進入所謂嵌入式時代,那時全球移動電話用戶將達14億左右,預計上網的手機用戶數量將達10億左右,而那時中國的移動電話用戶估計可達3億左右,接近全球總數的1/5;預計2003年左右,全球上網手機數即可達3億以上,將超過可接入互聯網的PC數量;到2005年左右,中國的移動電話用戶量、家電量、固定電話用戶量甚至Internet用戶及上網手機量,均可能居全球榜首。因此,藍牙在中國的市場潛力在全世界最為誘人。為此,中國如此驚人的巨大市場潛力應該也必然是技術創新與知識革命的源動力。同時,為適應即將加入WTO后的國際、國內環境競爭的需要,中國的制造商、操作運營者、科研部門及投資商必須建立緊密的戰略合作伙伴關系,并與外國朋友緊密聯系和合作,快速發展中國的民族產業以滿足中國市場的巨大需求,銳意創新并加強自主知識產權,為增強我國綜合國力,并走出國門、走向海外,為全球合作與全球技術進步,積極貢獻我們的力量。
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