3. UWB MAC层机制：超帧结构、时隙分配、接入机制
MAC层，说白了就是管“谁在什么时候说话”的。UWB物理层虽然能发纳秒级脉冲，但如果MAC层调度不好，大家一窝蜂抢信道，吞吐量照样崩。我这些年调过不少UWB设备，踩坑最多的反而不是天线，而是MAC参数没配对。
这一节，我们重点拆解三个东西：超帧结构、时隙分配、接入机制。搞懂了它们，你才算真正入了UWB MAC的门。
3.1 超帧结构：时间轴怎么切？
UWB MAC的时间轴不是连续的，而是被切成了一个个超帧。每个超帧是固定长度的周期，里面再细分出更小的单元。
我个人习惯把超帧想象成“一节火车”：
- 超帧 = 整列火车
- 帧 = 每节车厢
- 时隙 = 车厢里的座位
IEEE 802.15.4a/z标准里，超帧结构大致长这样：
超帧 (Superframe)
├── 信标时隙 (Beacon Slot) —— 同步用
├── 竞争接入期 (CAP) —— CSMA/CA 随机抢
└── 非竞争期 (CFP) —— TDMA 固定分配
├── 保证时隙 1 (GTS 1)
├── 保证时隙 2 (GTS 2)
└── ...信标时隙在最前面，协调器会在这里广播同步帧。所有设备收到信标后，就知道当前超帧的起始时间、时隙分配情况。嗯，这里要注意：如果信标丢了，整个超帧的同步就乱了。我在项目中遇到过，某次测试时一台设备始终连不上，查了半天发现是信标功率设得太低，被干扰吞掉了。
核心要点：超帧长度决定了系统的延迟上限。超帧越短，延迟越低，但信标开销占比越大；超帧越长，有效数据吞吐越高，但同步精度会下降。一般室内定位场景用 10-50ms 的超帧，数据吞吐场景可以拉到 100ms 以上。
下面这张图，是我自己画的一个超帧结构示意，方便你理解时间轴怎么切：
3.2 时隙分配：谁在哪个座位？
时隙分配，就是决定每个设备在哪个时间段发送数据。UWB MAC支持两种分配方式：
| 分配方式 | 特点 | 适用场景 | 我踩过的坑 |
|---|---|---|---|
| 静态分配 | 超帧开始时固定好，整个周期不变 | 节点数量固定、流量稳定的场景 | 节点掉线后时隙空转，浪费带宽 |
| 动态分配 | 设备按需申请，协调器实时调整 | 节点数量变化、突发流量场景 | 申请信令交互增加延迟 |
我个人更倾向动态分配，尤其是做工业传感器网络时。你想想看，现场几十个节点，有的每秒发一次数据，有的十分钟才报一次警。如果都用静态分配，大部分时隙都在空转，吞吐利用率低得可怜。
动态分配的核心流程是这样的：
- 设备在CAP阶段发送时隙请求帧
- 协调器收到后，在下一个信标里广播分配结果
- 设备根据分配结果，在指定的GTS里发送数据
- 数据发完后，可以主动释放时隙，也可以等超时回收
实战技巧：我曾经在测试中发现，动态分配时如果设备数量超过16个，信标帧会变得很大，导致CAP阶段被压缩。后来我把信标间隔从20ms改成50ms，给CAP留出足够窗口，问题就解决了。所以，超帧长度和节点数量要一起调。
3.3 接入机制：CSMA/CA vs TDMA
UWB MAC支持两种接入机制，它们各有各的脾气。
3.3.1 CSMA/CA — 先听后说，随机退避
CSMA/CA，全称是载波侦听多路访问/冲突避免。说白了就是：发之前先听一下信道，没人用就发，有人用就等一会儿再试。
退避算法用的是二进制指数退避：
退避时间 = random(0, 2^BE - 1) × aUnitBackoffPeriod
其中：
BE = Backoff Exponent，初始值 macMinBE（通常3）
每次冲突后 BE 加1，直到 macMaxBE（通常5）
aUnitBackoffPeriod = 20 symbols（约 0.32ms @ 6.8Mbps）为什么UWB要用CSMA/CA？因为UWB信号功率极低（< -41.3 dBm/MHz），传统能量检测很难判断信道是否空闲。所以UWB用的是前导码检测——侦听有没有其他设备在发前导码，而不是检测信号能量。
注意：CSMA/CA在设备密集时性能会急剧下降。我做过一个测试，当同频段设备超过10个时，碰撞率飙升到30%以上，有效吞吐直接腰斩。所以，高密度场景慎用CSMA/CA。
3.3.2 TDMA — 排好队，一个一个来
TDMA就简单粗暴了：每个设备分一个固定时隙，到点就发，不用抢。
它的优势很明显：
- 无碰撞：只要时隙分配不重叠，就不会冲突
- 确定性延迟：每个设备的最大等待时间 = 超帧长度
- 高吞吐利用率：没有退避开销，信道利用率接近100%
但TDMA也有代价：
- 需要精确的时间同步（UWB本身精度够，但信标丢失会出问题）
- 时隙分配不灵活，突发流量不好处理
- 节点加入/离开需要重新协商
3.3.3 怎么选？
| 对比维度 | CSMA/CA | TDMA |
|---|---|---|
| 信道利用率 | 低（退避开销） | 高（无竞争） |
| 延迟抖动 | 大（随机退避） | 小（固定时隙） |
| 扩展性 | 好（即插即用） | 差（需集中调度） |
| 实现复杂度 | 低 | 高（需同步） |
| 典型场景 | 低密度、低负载 | 高密度、高负载、实时性要求高 |
我个人建议：混合使用。CAP阶段用CSMA/CA做控制信令和低优先级数据，CFP阶段用TDMA做高优先级数据。很多商用UWB芯片（比如DW3000系列）默认就支持这种混合模式。
3.4 实战：MAC参数对吞吐的影响
讲完理论，我们看一组实测数据。这是我之前在实验室测的，环境是8个设备，超帧长度50ms：
| MAC配置 | CAP占比 | CFP占比 | 有效吞吐 (Mbps) | 丢包率 |
|---|---|---|---|---|
| 纯CSMA/CA | 100% | 0% | 1.2 | 8.5% |
| 纯TDMA | 0% | 100% | 2.8 | 0.2% |
| 混合 (30% CAP + 70% CFP) | 30% | 70% | 2.1 | 1.1% |
看到了吧？纯CSMA/CA的吞吐只有TDMA的一半不到，丢包率还高了一个数量级。但纯TDMA的灵活性差，新设备加入要等下一个超帧。混合模式是个不错的折中。
我的建议：如果你的应用场景节点数固定、流量稳定，直接上纯TDMA，吞吐最高。如果节点经常变动，用混合模式，CAP留10%-20%就够了，别超过30%，否则TDMA的优势会被稀释。
嗯，MAC层的东西就这些。超帧结构决定了时间轴怎么切，时隙分配决定了谁在哪个位置，接入机制决定了怎么抢或者怎么排。下一层，我们就要看物理层怎么把这些数据真正发出去——那就是调制和编码的事了。