面向嵌入系統(tǒng)的480Mb/s無(wú)線UWB鏈路

圖3 設(shè)備A通過(guò)設(shè)備B知道設(shè)備C的存在

UWB采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時(shí)隙和幀來(lái)組織傳輸。UWB傳輸時(shí)隙組合構(gòu)成超幀(見(jiàn)圖4)。超幀分為信標(biāo)段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標(biāo)及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙，一個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙持續(xù)256μs，一個(gè)超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“聽”到的網(wǎng)絡(luò)成員都通過(guò)收聽到的信標(biāo)來(lái)與超幀同步。信標(biāo)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(biāo)段和數(shù)據(jù)傳輸段

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

4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)大頻帶與通道訪問(wèn)
UWB的無(wú)線接口很像電纜。如果有幾個(gè)通信參與者而通道又有限，就必須對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)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(dāng)然，有可能兩個(gè)設(shè)備同時(shí)在收聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時(shí)向其發(fā)送信息，這就是所謂的“碰撞”。發(fā)生“碰撞”時(shí)，設(shè)備將嘗試稍后再訪問(wèn)通道。這期間，每個(gè)設(shè)備在重試前都等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)長(zhǎng)。優(yōu)先級(jí)較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備先進(jìn)行重試。這種“競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)”機(jī)制是20世紀(jì)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(wú)中斷地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。為確保能無(wú)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(shí)隙(媒體訪問(wèn)時(shí)隙)。保留通道占用時(shí)隙的相關(guān)信息在信標(biāo)時(shí)段傳送。如果某一時(shí)隙被標(biāo)記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時(shí)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(wèn)機(jī)制外，UWB還可使用“優(yōu)先排序競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)”機(jī)制。

實(shí)施方案
圖5所示為使用愛(ài)特梅爾公司CAP可定制微控制器實(shí)現(xiàn)UWB-MAC的例子。該系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)利用Atmel微控制器外設(shè)，如USB主機(jī)和設(shè)備、以太網(wǎng)MAC和外部存儲(chǔ)控制器。這些設(shè)備可通過(guò)多層高級(jí)主機(jī)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(wèn)控制器
UWB標(biāo)準(zhǔn)的許多參數(shù)都由微控制器固件來(lái)控制。這樣，在需要增添其他高層協(xié)議如無(wú)線USB時(shí)，無(wú)須任何硬件修改。使用固件實(shí)施方案，還可降低規(guī)范變更的風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)無(wú)線發(fā)送視頻信號(hào)的應(yīng)用，來(lái)自數(shù)字視頻接口的數(shù)據(jù)通過(guò)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(gè)視頻中間緩沖器(見(jiàn)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(shí)，MAC用作AHB總線，無(wú)須處理器核進(jìn)行干預(yù)。這意味著處理器不會(huì)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?biāo)或源，無(wú)論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。對(duì)于UWB無(wú)線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標(biāo)準(zhǔn)。