《電子技術應用》
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用于可穿戴AR設備的高速低延時無線MAC協議
2020年電子技術應用第10期
汪 健,丁福建,劉海波,劉文文,林慶毫,林 敏
上海大學 通信與信息工程學院,上海200444
摘要: 針對消費級AR眼鏡與智能手機的無線通信場景需求,提出一種超高速、低功耗、低時延、短距離的定制化無線MAC協議。首先從應用場景的需求出發,對有效吞吐率、時延等指標進行定量分析,再通過指標進行協議的設計。與現有的ECMA-398協議相比,有效吞吐率標準從71%提高到86%,通過引入數據優先級機制來減少延時,使得關鍵數據的最大幀傳輸延時相比同類的ECMA-398協議降低了一個量級(小于1 ms);然后根據指標完成系統級模型的搭建與仿真、RTL級的編碼與驗證;最后通過FPGA平臺進行測試。仿真和測試結果表明,所設計的定制化MAC協議可以較好地滿足場景需求。
中圖分類號: TN92
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200156
中文引用格式: 汪健,丁福建,劉海波,等. 用于可穿戴AR設備的高速低延時無線MAC協議[J].電子技術應用,2020,46(10):73-78.
英文引用格式: Wang Jian,Ding Fujian,Liu Haibo,et al. High-speed,low-latency wireless MAC protocol for wearable AR devices[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(10):73-78.
High-speed,low-latency wireless MAC protocol for wearable AR devices
Wang Jian,Ding Fujian,Liu Haibo,Liu Wenwen,Lin Qinghao,Lin Min
School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China
Abstract: For the application scenario of short-range, high speed wireless communication between consumer AR glasses terminal and smart phones, a customized wireless MAC protocol with ultra-high speed, low power, low latency characteristics is presented. Firstly, based on the requirements of the application scenario, quantitative analysis of specifications such as effective throughput and latency are presented, which is followed by detailed protocol design with the target of specifications above. Compared to the existing ECMA-398 protocol, the effective throughput standard increases from 71% to 86%. By introducing priority mechanism for various type of data transmission, the maximum frame transmission latency of critical data is reduced by an order of magnitude, which is less than 1 ms. This paper completed the construction and simulation of system-level models, RTL-level coding and verification according to the analysis above. Finally, the protocol was tested through the FPGA platform. Simulation and test results show that the customized MAC protocol designed in this paper can fulfill the requirement of the scenario much better.
Key words : AR;MAC protocol;short-range wireless;effective throughput;latency

0 引言

    隨著5G移動通信技術的發展和成熟,增強移動寬帶(Enhance Mobile Broadband,EMBB)成為了下一代移動互聯網應用的核心技術。增強現實(Augmented Reality,AR)設備由于高速率、大流量、低延時的要求,使其成為了EMBB技術中的核心應用。

    智能手機作為移動互聯網時代生態系統和技術發展最成熟最完善的移動計算設備,如果能夠在手機和AR眼鏡間通過一種高速低功耗的無線連接技術實現連接,將智能手機作為移動計算平臺,而AR眼鏡被定義為提供內容顯示和環境感知的衍生設備,就可以使得AR眼鏡充分利用智能手機的生態和內容。例如用戶可以用AR眼鏡來看電影、玩3D游戲,與親友實現遠距離第一視角的場景共享等。但目前并沒有完全適合該應用場景的近距離的無線技術標準,2.4 GHz和5 GHz WiFi技術雖然成本較低,應用很廣,但其在延時、抗干擾性、功耗等方面的內生技術缺陷,使得該方案無法滿足前述場景的核心技術需求。另一個新興的無線技術802.11ad使用了60 GHz的超高頻段,功耗大幅度提升,無法滿足可穿戴設備對低功耗的嚴苛要求,加上60 GHz無線電波在路徑損耗和穿透損耗方面的弱點,其傳輸性能極不穩定,傳輸距離基本上在厘米的量級[1]。此外,還有一些定制化的適用于點對點傳輸的無線協議,如ECMA-398等,由于其幀結構的設計效率較低導致有效吞吐率不足,以及缺乏數據優先級劃分等設計缺陷,也難以滿足上述場景對協議超高速和低延時的需求[2]

    因此,本文從AR眼鏡與智能手機通信的應用場景對各核心指標(有效吞吐率、延時)的要求出發,提出了一種點到點的超高速、低功耗、低延時無線傳輸MAC協議,從MAC層面為AR眼鏡和手機端的無線交互通信提供高效可靠的協議機制設計。




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作者信息:

汪  健,丁福建,劉海波,劉文文,林慶毫,林  敏

(上海大學 通信與信息工程學院,上海200444)

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