面向嵌入系統的480Mb/s無線UWB鏈路

近年來，短程WPAN網絡(藍牙或Zigbee)開始流行。然而，對于某些應用，如無線視頻傳輸或與計算機的大容量數據交換，現有藍牙或Zigbee的數據傳輸速率還是達不到要求。另一方面，諸如WLAN之類的無線技術又存在數據吞吐量不確定，功耗高及電磁輻射大的缺點。相較之下，超寬帶(Ultra Wideband，UWB)適合依賴電池供電的手持設備，且電磁輻射非常低。

UWB是一種高帶寬(480～1320Mb/s)的短程(10～50m)無線傳輸技術，最初只作為一種軍事技術，直至1994年美國軍方解除限制后才開始發展其商業用途。本文將討論如何使用系統級芯片和極少的外設部件來實現UWB無線鏈路。

雙向無線對等傳送網絡
早期UWB芯片組的目標是在主流PC中替代USB電纜。采用這類芯片組，只需少量部件就可構建無線USB，但卻很難用于其他嵌入系統。通過繞經USB協議實現通信會產生額外的遲滯，而這對需要完成同步加工生產的工業自動化設備來說是致命的。傳輸大量的數據(高清視頻信號)要求與UWB媒體訪問層直接快速接口，而之前提及的MAC-IP就是通過AHB直接利訪問系統總線，不需繞過USB協議進行。

任何設備都可啟動通信通道，連接網絡中另一設備。連接嵌入系統常常需要建立一個網絡。在該網絡中，所有成員享有相同的權利，并可以任何方向在設備間傳輸數據。本文討論的架構中便容許建立一個實現雙向數據傳輸的媒體訪問層。

UWB MAC支持兩種通道訪問方式。一種是以太網絡協議采用的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision，CSMA)通道訪問方式，該方式可實現較短的訪問遲滯，但不保障數據吞吐量。第二種為帶有可保留時隙的時分多址(Time Division Multiplexing，TDMA)方式，該方式非常適合那些要求保障數據吞吐量的應用(視頻傳輸)。

某些數據傳輸(如高清視頻)要求確保400Mb/s的數據傳輸速率，而這是傳統技術無法實現的。

超寬帶無線技術
在傳統無線技術采用的無線訪問機制，吞吐量隨通道占用情況而改變。這樣，其他接收設備可能會暫時降低帶寬。而在UWB技術中，收發期間通道則可一直保留。

UWB技術協議開銷相當小，而這一點對減小傳輸延遲非常重要。由于信息分布在128個子載波上，因此可建立非常穩健的無線通道。下面將探討更多的優勢和細節。

1 USB無線通信層
與現在成熟應用的無線傳輸技術(如WLAN)不同，UWB每個通道占用528MHz頻帶；而WLAN通道頻帶最大只有20MHz。三個528MHz的頻帶構成一個頻帶群。UWB的整個頻率范圍為3.1～10.6GHz，分成5個頻帶群。目前已有工作在頻帶群1和3的先進的雙頻帶收發器。

圖1 UWB頻帶群，最新UWB物理層覆蓋頻帶群1和3

WiMedia-UWB采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調制技術。每個528MHz頻帶分為128個子載波；每個子載波的波峰處于相鄰子載波的零點(見圖2)。這也是“正交”名稱的由來。承載信息被分配在128個子載波中，每個528MHz通道的最大速率為480Mb/s。

圖2 每個子載波的波峰處于相鄰子載波的零點

由于子載波分布在528MHz的大帶寬范圍，因此就可使發送功率降得很低，如低至37μW(相比而言，WLAN發送功率則高于300mW)。528MHz的信息發送寬帶和非常低的發送功率，使得UWB易于與其他無線頻率應用共存。

盡管發送功率僅為37μW，但其傳輸距離卻達到10m，并可輕松穿過25cm磚墻。

2 媒體訪問控制層
UWB無線通信層負責射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負責管理UWB網絡和控制無線通信狀態。當數個UWB設備相距很近時，它們就構成所謂的點對點Ad Hoc網絡。Ad Hoc網絡不是一個預先規劃好的網絡，而是由相距很近的參與設備構建，參與設備可酌情加入和退出。

如圖3所示為由三個UWB設備構建的一個Ad Hoc網絡。其中，設備A對設備C來說是不可見的。設備A(圖中左邊的設備)即便不能“聽”到設備C，也有可能知道設備C的存在及其所占用的時隙，因為其可通過所謂的“信標”(beacon)來了解設備C。信標保存了鄰近設備的信息，因而設備可以彼此了解。在能夠相互接收信息的所有設備之間，可能在任何方向直接傳輸數據。