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。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)哪繕嘶蛟矗瑹o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。
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