面向嵌入系統(tǒng)的480Mb/s無線UWB鏈路

圖3 設(shè)備A通過設(shè)備B知道設(shè)備C的存在

UWB采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時隙和幀來組織傳輸。UWB傳輸時隙組合構(gòu)成超幀(見圖4)。超幀分為信標段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個媒體訪問時隙，一個媒體訪問時隙持續(xù)256μs，一個超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“聽”到的網(wǎng)絡(luò)成員都通過收聽到的信標來與超幀同步。信標中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

圖4 UWB數(shù)據(jù)超幀分為信標段和數(shù)據(jù)傳輸段

3 采用信標和TDMA技術(shù)節(jié)能
由于按時隙組織通道，因此并不需要每個設(shè)備每時每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個設(shè)備每次只需被喚醒65.5ms收聽信標；如果該設(shè)備沒有任何任務(wù)，將重新返回睡眠狀態(tài)。這類似于手機延長電池壽命的睡眠模式。

4 無競爭大頻帶與通道訪問
UWB的無線接口很像電纜。如果有幾個通信參與者而通道又有限，就必須對訪問權(quán)限進行管理。打算發(fā)送信息到某一通道的設(shè)備需要確定該通道是否已被別的設(shè)備占用。如果發(fā)現(xiàn)該通道空閑，就發(fā)送信息。當然，有可能兩個設(shè)備同時在收聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時向其發(fā)送信息，這就是所謂的“碰撞”。發(fā)生“碰撞”時，設(shè)備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個設(shè)備在重試前都等待一個隨機時長。優(yōu)先級較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級較低的設(shè)備先進行重試。這種“競爭訪問”機制是20世紀70年代隨以太網(wǎng)發(fā)明的，也常用于WLAN。顯然，如果要以最低延遲無中斷地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。為確保能無中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協(xié)議(DRP)。由于UWB基于TDMA，為保障與另一設(shè)備通信，網(wǎng)絡(luò)成員可保留一些固定的時隙(媒體訪問時隙)。保留通道占用時隙的相關(guān)信息在信標時段傳送。如果某一時隙被標記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。

除DRP訪問機制外，UWB還可使用“優(yōu)先排序競爭訪問”機制。

實施方案
圖5所示為使用愛特梅爾公司CAP可定制微控制器實現(xiàn)UWB-MAC的例子。該系統(tǒng)級芯片(SoC)利用Atmel微控制器外設(shè)，如USB主機和設(shè)備、以太網(wǎng)MAC和外部存儲控制器。這些設(shè)備可通過多層高級主機總線(Advanced Host Bus, AHB)與UWB-MAC高速交換數(shù)據(jù)，并借助ARM外設(shè)總線(Advanced Host Bus, APB)控制數(shù)據(jù)。

圖5 集成UWB-MAC的嵌入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

UWB物理層(UWB-PHY)可以是Wionics Research公司的RTU7012雙頻物理層(Dual Band PHY)，該物理層符合WiMedia PHY 1.1和 PHY 1.2技術(shù)規(guī)范，可在UWB頻帶群1和3中工作。

1 低延遲UWB媒體訪問控制器
UWB標準的許多參數(shù)都由微控制器固件來控制。這樣，在需要增添其他高層協(xié)議如無線USB時，無須任何硬件修改。使用固件實施方案，還可降低規(guī)范變更的風險，并提高了靈活性。

MAC可在UWB設(shè)備間按任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)。例如，一個無線發(fā)送視頻信號的應(yīng)用，來自數(shù)字視頻接口的數(shù)據(jù)通過AHB傳送到與外部總線接口(External Bus Interface，EBI)連接的SDRAM。該SDRAM用作一個視頻中間緩沖器(見圖6)。MAC從該SDRAM提取視頻數(shù)據(jù)，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡(luò)以完成傳輸。在相反的方向上，則將UWB物理層接收到的數(shù)據(jù)傳送到SDRAM。

圖6 UWB-MAC用作總線主控

在UWB網(wǎng)絡(luò)和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時，MAC用作AHB總線，無須處理器核進行干預(yù)。這意味著處理器不會被數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)占用，因而可用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設(shè)置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設(shè)備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕嘶蛟?，無論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。對于UWB無線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標準。