超宽带的故事4：低延迟为王

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——Frederic Nabki & Dominic Deslandes

超宽带如何符合5G的需求？

在第3部分中，我们讨论了时频对偶性或时间和带宽如何互换。如果想及时压缩无线传输，就需要更多的频率带宽。正如我们在第3部分看到的那样，这个特性可以用来增加测距的精度。这种时频对偶性所支持的另一个非常有趣的功能是可以减少系统中的延迟。但首先，我们来了解一下延迟以及它如何影响无线连接。

作为工程师，我们将延迟理解为触发动作和响应之间的时间间隔。从无线链路的角度来看，这是发送数据帧和接收数据帧之间的时间延迟。但消费者对延迟有着本能的反应。玩家在玩游戏时，会经历从按下按钮到看到屏幕上预期动作之间的延迟。这种延迟可能会影响游戏中的生死存亡!显示器和外围设备正以降低延迟(例如，240赫兹刷新率游戏显示器)的方式积极推向市场，因此，有线外围设备在游戏圈中仍然无处不在。在人们的记忆中，电线是一个古老的装置，在延迟方面仍然是无可争议的。

随着对延迟更敏感的应用程序成为主流，对延迟的要求越来越高。例如，佩戴增强现实(AR)或虚拟现实(VR)头盔的设计师和玩家会体验到延迟，即他们的动作和视觉反应之间的延迟。AR和VR会让用户在最轻微的延迟开始时就容易晕车。此外，当用家庭影院播放视频是，如果角色的嘴唇与声音不同步，会严重影响观感，虽然录制的视频可以校准延迟，但需要现场干预的视频不能使用这种策略。这种接触实时交互的无线延迟问题很容易表现出来，就像你在智能手机上打字时，看到按键与通过无线耳机传来的按键音频反馈不同步一样。一些手机制造商将不通过无线耳机的键盘音频反馈来隐藏这一问题。然而，具有讽刺意味的是，在一个过时的电话上使用一个现在已经失效的音频插孔和一个裸有线耳机并不会造成延迟问题!这个问题更加严重，工业工程师在关键传感器和控制系统中体验到不可接受的延迟。总而言之，目前的无线技术无法提供可接受的游戏、AR/VR、现场视频或工业物联网体验，所以这些应用程序在2020年仍是有线化的。

大脑通常可以辨别出几十毫秒或更多的延迟，一些乐器演奏者能够“感觉”到3毫秒的延迟。无线延迟有多种原因。它首先是光速的结果，就像电线一样。然而，在人类范围内，光速并不是限制因素，因为100米的无线通信只会产生333奈斯的延迟。第二个原因是收发器的处理时间。但这通常不是限制因素，因为处理器通常可以在微秒内完成对帧的操作。第三个原因，也是最重要的原因之一是收发器传输数据的速度。在无线收发机中，每个数据帧必须完全接收后才能进行处理。这意味着数据传输和接收的速度是导致延迟的一个重要因素。例如，以1 Mbps的数据速率传输1000位帧将导致1毫秒的延迟。这就是所谓的广播时间。除了广播时间，还有媒体访问控制层(MAC-Time)所需的时间，这与协议使用的通信堆栈有关，可能包括用于载波感知、帧确认、帧重传、流控制等的时间。MAC时间的变化很大，取决于应用程序，可以从微不足道到成为主导因素相比，广播时间。最终，MAC时间通常与播音时间相关，例如，压缩播音时间的无线电能够提供更短的延迟。

综合所有这些因素，很难公平地比较不同无线电波的延迟。每种技术都有自己的目标应用，这意味着MAC层也相应得到了发展。要求99.999%可靠性的无线链路不会有与最佳努力广播系统相同的延迟。尽管如此，延迟总是有限的，并且来自广播的广播时间，这是一个很好的比较点。ZigBee规范背后的IEEE 802.15.4标准提供了250kbps的数据传输速率，而BLE 4.2支持1mbps和BLE 5 2mbps。这些数据速率为BLE提供数毫秒的传输时间，为IEEE 802.15.4提供数十毫秒的传输时间。这些时间被MAC层进一步“放大”，导致更长时间的整体延迟，可以超过100毫秒，很容易被用户注意到。

减少延迟的一个好方法是增加数据速率，这在Wi-Fi中得到了很好的应用。802.11标准现在支持在单个链路上传输数百Mbps的数据，我们现在可以看到单个帧的亚毫秒级延迟。然而，这种延迟是以功耗为代价的。Wi-Fi标准支持超过2000字节的大数据包，并使用需要耗电的复杂调制电路。

延迟实际上是5G网络发展的主要驱动因素之一。5G承诺几毫秒的延迟，将提供10倍于LTE的改进。然而，5G无线电与Wi-Fi有类似的缺点，即耗电量非常高，阻碍了其在大多数物联网设备中的使用。因此，我们可以在几毫秒内将数据传送到数百公里，但使用低功率的无线电将需要更多的时间来完成最后100米。

超宽带在长距离、高数据速率收发器(Wi-Fi和5G)和BLE和Zigbee等短程低数据速率解决方案之间架起了桥梁。超宽带使用快速的2 ns脉冲达到数十Mbps的数据速率。这提供了比BLE短一个数量级的通话时间，达到亚毫秒延迟。当与5G结合时，超宽带是提供最后100米低延迟连接的强大候选。

超宽带的子毫秒时延和相对较大的数据速率可以实现多种新的交互体验和应用，这是以前其他短程无线电无法实现的。然而，超宽带的一个非常重要的方面，物联网革命所需要的一个方面，还没有被讨论:低功耗操作。在下一部分中，我们将看到超宽带如何将功耗降低到任何其他无线收发器都无法达到的水平。

关于Frederic Nabki

Frederic Nabki博士是SPARK Microsystems的联合创始人和首席技术官，这是一家无线初创公司，为市场带来了一种新的超低功耗和低延迟超宽带无线连接技术。他指导SPARK微系统公司向市场引入的技术创新。他拥有17年的RFIC和MEMS研发经验。他于2010年获得麦吉尔大学电气工程博士学位。Nabki博士致力于为初创公司设定技术路线图的方向，协调先进技术的开发，并参与产品开发工作。他的技术专长包括模拟、射频和混合信号集成电路以及MEMS传感器和执行器。他是加拿大蒙特利尔École de Technologie Supérieure的电气工程教授。他发表了许多科学出版物，并拥有多项涉及微系统和集成电路的新设备和技术的专利。

关于Dominic Deslandes

Dominic Deslandes博士是SPARK Microsystems的联合创始人和CSO。他领导SPARK Microsystems的长期技术发展。Dominic在射频系统设计方面有20年的经验。在他的职业生涯中，他管理了几个研究和开发项目，涉及天线设计、射频系统集成和互连、传感器网络和超宽带通信系统。他与几家公司合作，为微波子系统开发创新解决方案。Deslandes博士拥有电气工程博士学位和蒙特利尔理工学院电气工程硕士学位，在那里他的研究重点是高频系统集成。他是加拿大蒙特利尔École de Technologie Supérieure的电气工程教授。

原文链接：https://semiwiki.com/5g/283738-the-story-of-ultra-wideband-part-4-short-latency-is-king/

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