面向嵌入系统的480Mb/s无线UWB链路

近年来，短程WPAN网络(蓝牙或ZigBee)开始流行。然而，对于某些应用，如无线视频传输或与计算机的大容量数据交换，现有蓝牙或 Zigbee的数据传输速率还是达不到要求。另一方面，诸如WLAN之类的无线技术又存在数据吞吐量不确定，功耗高及电磁辐射大的缺点。相较之下，超宽带 (Ultra Wideband，UWB)适合依赖电池供电的手持设备，且电磁辐射非常低。

　　UWB是一种高带宽(480～1320Mb/s)的短程(10～50m)无线传输技术，最初只作为一种军事技术，直至1994年美国军方解除限制后才开始发展其商业用途。本文将讨论如何使用系统级芯片和极少的外设部件来实现UWB无线链路。

　　双向无线对等传送网络

　　早期UWB芯片组的目标是在主流PC中替代USB电缆。采用这类芯片组，只需少量部件就可构建无线USB，但却很难用于其他嵌入系统。通过绕经USB协议实现通信会产生额外的迟滞，而这对需要完成同步加工生产的工业自动化设备来说是致命的。传输大量的数据(高清视频信号)要求与UWB媒体访问层直接快速接口，而之前提及的MAC-IP就是通过AHB直接利访问系统总线，不需绕过USB协议进行。

　　任何设备都可启动通信通道，连接网络中另一设备。连接嵌入系统常常需要建立一个网络。在该网络中，所有成员享有相同的权利，并可以任何方向在设备间传输数据。本文讨论的架构中便容许建立一个实现双向数据传输的媒体访问层。

　　UWB MAC支持两种通道访问方式。一种是以太网络协议采用的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision，CSMA)通道访问方式，该方式可实现较短的访问迟滞，但不保障数据吞吐量。第二种为带有可保留时隙的时分多址(Time Division Multiplexing，TDMA)方式，该方式非常适合那些要求保障数据吞吐量的应用(视频传输)。

　　某些数据传输(如高清视频)要求确保400Mb/s的数据传输速率，而这是传统技术无法实现的。

　　超宽带无线技术

　　在传统无线技术采用的无线访问机制，吞吐量随通道占用情况而改变。这样，其他接收设备可能会暂时降低带宽。而在UWB技术中，收发期间通道则可一直保留。

　　UWB技术协议开销相当小，而这一点对减小传输延迟非常重要。由于信息分布在128个子载波上，因此可建立非常稳健的无线通道。下面将探讨更多的优势和细节。

　　1 USB无线通信层

　　与现在成熟应用的无线传输技术(如WLAN)不同，UWB每个通道占用528MHz频带；而WLAN通道频带最大只有20MHz。三个528MHz的频带构成一个频带群。UWB的整个频率范围为3.1～10.6GHz，分成5个频带群。目前已有工作在频带群1 和3的先进的双频带收发器。

图1 UWB频带群，最新UWB物理层覆盖频带群1和3

　　WiMedia-UWB采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制技术。每个528MHz频带分为128个子载波；每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点(见图2)。这也是"正交"名称的由来。承载信息被分配在128个子载波中，每个528MHz通道的最大速率为480Mb/s。

图2 每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点

　　由于子载波分布在528MHz的大带宽范围，因此就可使发送功率降得很低，如低至37μW(相比而言，WLAN发送功率则高于300mW)。528MHz的信息发送宽带和非常低的发送功率，使得UWB易于与其他无线频率应用共存。

　　尽管发送功率仅为37μW，但其传输距离却达到10m，并可轻松穿过25cm砖墙。

　　2 媒体访问控制层

　　UWB无线通信层负责射频(RF)处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个 UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点Ad Hoc网络。Ad Hoc网络不是一个预先规划好的网络，而是由相距很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。

　　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