基于IR-UWB的高吞吐量、低延時MAC協議硬件設計
電子技術應用
劉灝，林敏，鄭立寅，于澤
上海大學 通信與信息工程學院
摘要： 針對IEEE 802.15.4高速數據傳輸的應用場景，提出一種具有高吞吐量和低延時特性的定制化MAC協議。基于HRP UWB PHY對數據傳輸模型和吞吐量深入分析，并結合MAC協議的沖突避免載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA-CA）和保障時隙（Guaranteed Timeslot，GTS）實時傳輸的特性，設計了該機制有效的管理流程。最后在Vivado中使用Verilog HDL對MAC控制器進行硬件設計和驗證。仿真結果表明，與經典IEEE 802.15.4 MAC協議相比，該MAC控制器的吞吐量提高了26%，同時數據傳輸時延降低了17%。
中圖分類號：TN92 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245170
中文引用格式： 劉灝，林敏，鄭立寅，等. 基于IR-UWB的高吞吐量、低延時MAC協議硬件設計[J]. 電子技術應用，2024，50(10)：44-50.
英文引用格式： Liu Hao，Lin Min，Zheng Liyin，et al. Hardware design for high throughput, low latency MAC protocol based on IR-UWB[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(10)：44-50.
中文引用格式： 劉灝，林敏，鄭立寅，等. 基于IR-UWB的高吞吐量、低延時MAC協議硬件設計[J]. 電子技術應用，2024，50(10)：44-50.
英文引用格式： Liu Hao，Lin Min，Zheng Liyin，et al. Hardware design for high throughput, low latency MAC protocol based on IR-UWB[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(10)：44-50.
Hardware design for high throughput， low latency MAC protocol based on IR-UWB
Liu Hao，Lin Min，Zheng Liyin，Yu Ze
School of Communication and Information Engineering， Shanghai University
Abstract： For high-speed data transmission in IEEE 802.15.4, a customized MAC protocol with high-throughput and low-latency characteristic is proposed. It is concluded with in-depth analysis of the data transmission model and throughput of HRP UWB PHY, combined with the characteristics of MAC protocol’s Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) and Guaranteed Timeslot (GTS) for real-time transmission, then the effective management process of the mechanism is designed. Finally, hardware design and verification of the MAC controller is conducted using Verilog HDL in Vivado. Simulation results demonstrate that compared to the classic IEEE 802.15.4 MAC protocol, the proposed MAC controller improves its throughput by 26% and reduces data transmission latency by 17%.
Key words : IEEE 802.15.4；high-speed data transmission；high-throughput；low-latency；MAC protocol；UWB；Verilog
引言
脈沖無線電超寬帶（Impulse Radio Ultra-Wideband，IR-UWB）是一種直接利用納秒脈沖作為載體進行無線電傳輸的技術，因此UWB信號的持續時間很短，導致超過500 MHz的瞬時帶寬和低功率譜密度，使UWB技術相對于傳統通信系統在密集多徑環境和高數據速率條件下具有顯著優勢[1-2]。
IEEE 802.15.4標準是一種常見的IR-UWB媒體接入控制（Media Access Control，MAC）協議。信道接入時延是MAC層時延的重要組成部分，由于IEEE 802.15.4 MAC協議采用TDMA與CSMA-CA混合的信道接入方式，會增加時間開銷，尤其是在傳輸大數據量業務時，頻繁退避競爭信道產生的時延不能忽略，難以滿足低時延需求[3-4]。時隙空閑時間無法被有效利用，還將導致MAC層吞吐量不足。
本文針對大數據量無線傳輸的應用場景，在IEEE 802.15.4 MAC協議的基礎上，通過CSMA-CA算法為傳輸MAC命令幀競爭信道，利用確認幀快速響應，收發節點切換數據傳輸速率，從而建立點對點高效直連，為節點傳輸減少了競爭信道的次數和數據傳輸時延，利用時隙空閑時間傳輸增加數據幀數量，從而增加MAC層吞吐量。
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作者信息：
劉灝，林敏，鄭立寅，于澤
（上海大學 通信與信息工程學院，上海 200444）
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