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技术@基于系统级芯片实现UWB无线链路( 二 )


如图 3 所示为由三个 UWB 设备构建的一个 Ad Hoc 网络 。 其中 ， 设备 A 对设备 C 来说是不可见的 。 设备 A（图中左边的设备）即便不能“听”到设备 C ， 也有可能知道设备 C 的存在及其所占用的时隙 ， 因为其可通过所谓的“信标”（beacon）来了解设备 C 。 信标保存了邻近设备的信息 ， 因而设备可以彼此了解 。 在能够相互接收信息的所有设备之间 ， 可能在任何方向直接传输数据 。
图 3 设备 A 通过设备 B 知道设备 C 的存在
UWB 采用时分多址（Time Division Multiple Access ， TDMA）方式 ， 即按照时隙和帧来组织传输 。 UWB 传输时隙组合构成超帧（见图 4） 。 超帧分为信标段（BP）和数据传输段（DTP） 。 信标及有效数据占据超帧的 256 个媒体访问时隙 ， 一个媒体访问时隙持续 256μs ， 一个超帧持续 65.5ms 。 所有能相互“听”到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步 。 信标中的信息可视为网络成员的通信通道 。
图 4 UWB 数据超帧分为信标段和数据传输段
3、 采用信标和 TDMA 技术节能
由于按时隙组织通道 ， 因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据 。 一个设备每次只需被唤醒 65.5ms 收听信标；如果该设备没有任何任务 ， 将重新返回睡眠状态 。 这类似于手机延长电池寿命的睡眠模式 。
4 、无竞争大频带与通道访问
UWB 的无线接口很像电缆 。 如果有几个通信参与者而通道又有限 ， 就必须对访问权限进行管理 。 打算发送信息到某一通道的设备需要确定该通道是否已被别的设备占用 。 如果发现该通道空闲 ， 就发送信息 。 当然 ， 有可能两个设备同时在收听该通道 ， 都发现它是空闲的 ， 并同时向其发送信息 ， 这就是所谓的“碰撞” 。 发生“碰撞”时 ， 设备将尝试稍后再访问通道 。 这期间 ， 每个设备在重试前都等待一个随机时长 。 优先级较高的设备可能比优先级较低的设备先进行重试 。 这种“竞争访问”机制是 20 世纪 70 年代随以太网发明的 ， 也常用于 WLAN 。 显然 ， 如果要以最低延迟无中断地传输一段视频流 ， 这种方法就行不通了 。 为确保能无中断地传输视频流 ， UWB 采用了分布式驻留协议（DRP） 。 由于 UWB 基于 TDMA ， 为保障与另一设备通信 ， 网络成员可保留一些固定的时隙（媒体访问时隙） 。 保留通道占用时隙的相关信息在信标时段传送 。 如果某一时隙被标记为“硬保留” ， 任何第三方都不可占用该时隙 。 这是保障视频传输要求的确定性数据传输速率所必须的 。
除 DRP 访问机制外 ， UWB 还可使用“优先排序竞争访问”机制 。
实施方案
图 5 所示为使用爱特梅尔公司 CAP 可定制微控制器实现 UWB-MAC 的例子 。 该系统级芯片（SoC）利用 Atmel 微控制器外设 ， 如 USB 主机和设备、以太网 MAC 和外部存储控制器 。 这些设备可通过多层高级主机总线（Advanced Host Bus ，AHB）与 UWB-MAC 高速交换数据 ， 并借助 ARM 外设总线（Advanced Host Bus ，APB）控制数据 。
技术@基于系统级芯片实现UWB无线链路
本文插图
图 5 集成 UWB-MAC 的嵌入系统结构图
UWB 物理层（UWB-PHY）可以是 Wionics Research 公司的 RTU7012 双频物理层（Dual Band PHY） ， 该物理层符合 WiMedia PHY 1.1 和 PHY 1.2 技术规范 ， 可在 UWB 频带群 1 和 3 中工作 。
1、 低延迟 UWB 媒体访问控制器
UWB 标准的许多参数都由微控制器固件来控制 。 这样 ， 在需要增添其他高层协议如无线 USB 时 ， 无须任何硬件修改 。 使用固件实施方案 ， 还可降低规范变更的风险 ， 并提高了灵活性 。
MAC 可在 UWB 设备间按任何方向传输任何数据 。 例如 ， 一个无线发送视频信号的应用 ， 来自数字视频接口的数据通过 AHB 传送到与外部总线接口（External Bus Interface ， EBI）连接的 SDRAM 。 该 SDRAM 用作一个视频中间缓冲器（见图 6） 。 MAC 从该 SDRAM 提取视频数据 ， 并将其传送到 UWB 网络以完成传输 。 在相反的方向上 ， 则将 UWB 物理层接收到的数据传送到 SDRAM 。


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