（通信与信息系统专业论文）穿戴式网络mac层协议中关键部分的软件实现.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，穿戴式信息技术得到迅猛的发展，具有非常大的商业潜力。本论文研究 的是u w b 穿戴式信息网络中媒体接入控制层关键技术。i e e e 8 0 2 1 5 3 和e c m a 3 6 8 协议是u w b 系统m a c 层的候补方案，本文基于这两个方案作出了研究和改进。全文的主要内容分为三个部分： 第一部分是相关背景第二部分是软件实现，第三部分是算法改进。 论文首先介绍了穿戴式信息网络的发展及应用。根据系统需求，选择u w b 技术做为物理层技 术体制。参考i e e e 8 0 2 1 5 - 3 和e c m a 3 6 8 协议，经过分析与比较，选择了合适的m a c 层协议。 接着根据应用中的特殊需求，提出了m a c 层的整体设计方案，重点介绍了m a c 层的结构设计 和超帧，分析了时间保护间隔对同步捕获中的作用。介绍了开发的软硬件环境和所采用的交叉开发 模式，分析了m a c 层与上下层的接口，按照发送、接收、定时三个部分的次序，分别对重要的子 模块进行了研究，其中接收部分分为中心节点、设备节点两种情况来讨论。在介绍各个模块时，为 了更清楚的阐述，列出了相应的流程图和注解，并对重要步骤及相关代码进行详细的分析。 最后，本文还针对实现中的效率问题，在资源分配和退避算法方面做出了改进。对动态时隙资 源分配进行了讨论；比较并优化了二进制指数退避算法和指数增长线性下降的退避算法。 关键词：u w b 系统，m a c 层，嵌入式，资源分配，退避算法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w e a r a b l en e t w o r k sa r ep r o v i d e dw i t hv e r yl a r g e c o m m e r c i a lp o t e n t i a l t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e s0 1 1u w bw e a r a b l ei n f o r m a t i o nn e t w o r km e d i aa c c e s s c o n t r o ll a y e r i t sw e l l - k n o w nt h a ti e e e s 0 2 15 3a n de c m a - 3 6 8a l et w oa l t e r n a t ep r o g r a m so nm a cl a y e r o fu w b s y s t e m s ，a n dt h e yh a v eb e e ns t u d i e da n di m p r o v e dh e r e t h ec o n t e n t i sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： t h ef i r s to n ei sr e l a t e dt ot h eb a c k g r o u n d ，t h es e c o n dp a r to f t h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h et h i r dp a r t i st oi m p r o v et h ea l g o r i t h m f i r s t l y , w e a r a b l ei n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n sa lei n t r o d u c e d u w ba r ec h o s e na st h e p h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g y b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 15 3a n de c m a 3 6 8p r o t o c o l ，a n a l y s i s ，c o m p a r i s o na n d s e l e c t i o na r eg i v e n t h e nd e p e n d i n go nt h ea p p l i c a t i o no f t h es p e c i a ln e e d so f t h em a c l a y e rt ot h eo v e r a l ld e s i g no f t h e p r o g r a m ，f o c u s e so nt h em a cl a y e rd e s i g na n ds u p e r - f r a m es t r u c t u r e ，a n a l y s i so f t i m ei n t e r v a lo nt h e s i m u l t a n e o u sp r o t e c t i o no f t h er o l eo f c a p t u r e i n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n du s e di nc r o s s - d e v e l o p m e n tm o d e l ，a n a l y s i so ft h em a c l a y e ra n du p p e ra n dl o w e r i n t e r f a c e s ，i na c c o r d a n c ew i t ht h es e n d ，r e c e i v e ，r e g u l a rt h r e e - p a r ts e q u e n c e ，r e s p e c t i v e l y , o ft h ei m p o r t a n t s u b - m o d u l e sw e r es t u d i e d ，o n eo ft h er e c e i v i n gp a r td i v i d e di n t oc e n t r a ln o d e ，d e v i c en o d et od i s c u s sb o t h c a s e s i n t r o d u c t i o na tt h et i m eo f e a c hm o d u l e ，i no r d e rt om o r ec l e a r l ys e to 此s h o w st h ec o r r e s p o n d i n g f l o wc h a r ta n de x p l a n a t o r yn o t e s ，a n di m p o r t a n ts t e p sa n dt h ea s s o c i a t e dc o d et oc o n d u c tad e t a i l e d a n a l y s i s f i n a l l y , t h i sa r t i c l ea l s op a y sa na t t e n t i o no nt h ee f f i c i e n c yo fi m p l e m e n t a t i o n d y n a m i cs l o ta l l o c a t i o n o fr e s o u r c e sa n db a c k o f fa l g o r i t h mi ss t u d i e d k e y w o r d - uw bn e t w o r k ，m a cl a y e rd e s i g n ，em b e d d e ds y s t e m sd e s i g n 。d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ， b a c k o f fa l g o r i t h m 目录 英文缩略语表 m a cm e d i aa c c c s sc o n t r o l 媒体接入控制 u 、糯u l t r aw i d eb a n d 超宽带 p n cp i c o n e tc o o r d i n a t o r 微微网协调器、控制中心 d e vd e v i c e 设备、节点 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 c a p c o m p e t i t i v ea c c e s sp e r i o d 竞争接入期 c 1 a p c h a n n e lt i m ea l l o c a t i o np e r i o d 信道时隙分配周期 s a p s e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务接入点 p l m e p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y物理层管理实体 m l m e m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t ym a c 层管理实体 d m 匣d e v i c em a n a g e m e n te n t i t y 设备管理实体 b p s tb e a c o np e r i o ds t a r tt i m e 信标起始时间。 “ 田d u m a cp r o t o c o ld a t au n i tm a c 协议数据单元 c s i c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 b p o i eb po c c u p a n c yi n f o r m a t i o ne l e m e n t 信标占用信元 二 b e b b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f二进制指数退避 m i l d m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s el i n e a rd e c r e a s e 指数增长线性下降 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究：髓导师躲【铃宾胁舡i 第1 章绪论 第1 章绪论 本文的主要任务是实现u w b 系统的m a c 层软件部分设计。本章主要介绍“穿戴式信息网络” 系统的基本概念及发展状况，并介绍论文的主要内容。 1 1 穿戴式信息网络简介 在4 0 多年以前，e c l y n e s 和n a t h a ns k l i n e 在“c y b o r g sa n ds p a c e ”中提出了“人一机系统”，目 前，在微电子、无线通信和人类计算机交互，特别是用来扩展人的实际应用方面，这些技术共存的 可行性已经得到了进一步的研究。消费者可以在任何范围和任何时间，在更宽的范围内通信共享 信息和计算资源。 随着信息技术的发展，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务越来越关注，需要一种高速 率、低辐射的无线个域网技术。 穿戴式信息网络是一类超微型、可穿戴的移动信息系统，它利用现代通信及信息处理技术，将 人体穿戴的各种设备有机地组合起来。实现“入机最佳结合与协同”，随着穿戴式计算机的出现，穿 戴式信息网络技术得到迅猛的发展，成为非常有发展潜力的领域之一。 索尼公司将在本届c e s 上展示新产品w a l k m a nw 系列的可穿戴式数字音乐播放器，该产品的 设计是史无前例的。专门为那些看中性价比的用户设计。根据介绍，这款w a l k m a n w 系列数字音乐 播放器容量为2 g b ，售价在5 0 美元到7 5 美元之间。环绕型的耳机采用了磁铁进行连接固定，不用 时可以呈现心型。 美国麻省理工学院媒体实验室近日就研发出一种可穿戴计算机系统，佩带该系统的人可以随意 利用虚拟装置。收集网络数据。这项研究的目的是为人类创造一种新型的数字“第六感”。 近年来，穿戴式网络在医学测试领域也引起人们的重视而迅速发展。穿戴式生理检测技术能够 实现对使用者生理参数和健康状况信息的长期、持续动态检测，通过实时传输、显示、分析和报警 等。有利于改善监护条件。也为社区医疗与保健服务提供了更好的手段。由于蓝牙等无线通信技术 的采用，减少了对使用者活动的限制和医护人员的干预，有利于获得自然状况下生理信息，其发展 和应用前景广阔。穿戴式生理检测技术将向着标准化、智能化、多功能化、个性化、微型化、网络 化的方向发展，有关技术将与日常电子产品紧密结合，融入为社区、家庭和个人的医疗健康服务。 在一些发达国家，可穿戴机已经被广泛应用在危险事件的处理中。例如：大楼起火，烟雾迷漫， 消防员随身佩戴的可穿戴机。可以将信息整合后可以迅速提示其在整个楼房中的位置、楼内哪里还 有幸存的生命，从而救出被困人员；灾情突然发生，受伤人员急需现场手术，救护人员通过可穿戴 东南大学硕士学位论文 机进行远程会诊，成功实施手术；进行飞机紧急维修的维修工人通过可穿戴机边阅读存储器中的维 修手册，边与总部沟通，边自如地进行维修。 在可穿戴机可预见的未来里，孩子背着书包出门，父母通过孩子随身佩戴的可穿戴机看见他所 处的环境，随时与他面对面通话；商店里，面对琳琅满目的商品不知所措的丈夫经由妻子的“远程” 参考后买回了满意的商品；年迈的父母无法纵情山水，通过在旅游胜地的儿女的眼睛“看旅游”。 穿戴式信息网络对资源占用及复杂性提出了更高的要求。我们希望通过软件技术来突破物理限 制或降低对硬件的要求，协同达到具有更强大的信息传输处理能力、彻底摆脱连接线的约束、更小 的体积与更低的功耗的目标。在无线电通讯方面，它要求有长距离绕射能力，使电波可以绕过障碍 物，同时又要求有快速度和宽频带，这些都是相互矛盾的；软件方面，适用于p c 机的w i n 9 8 等操 作系统对于可穿戴机来说太大了，可穿戴机必须开发自己的嵌入式操作系统。 我们的穿戴式系统要求有八个节点，可以传输话音、视频等业务，数据速率达到1 0 0 m b i t s 。 1 2 论文主要工作 第一章主要介绍了穿戴式信息网络背景和发展现状，并且预测了今后的发展方向。 第二章主要阐述了关键物理层技术u w b 体制，并对相关的i e e e s 0 2 1 5 3 和e c m a 3 6 8 的m a c 层协议做了详细介绍。通过分析比较后选取适合的m a c 层协议。 第三章实现对m a c 层整体方案设计，对节点的m a c 层提出了分层实现的思想，对其中的重要 部分进行了深入的分析。 第四章重点进行m a c 层协议的软件设计，具体完成了收发机功能模块的设计和软件实现，并 对开发中遇到的问题进行了反思和总结。 第五章主要对整个m a c 的资源分配进行优化，首先分析了资源的动态分配问题，接着详尽分 析比较了三种不同的退避算法 第六章是论文的总结与展望。 2 第2 章相关m a c 层协议的介绍 第2 章相关m a c 层协议的介绍 在本章中，结合项目内容对物理层技术体制进行了简洁的分析，并针对性地比较了相关的m a c 层体制。 2 1 物理层技术体制 2 1 1 物理层技术的选取 目前广泛应用于无线个域网的无线通信技术主要有：b l u e t o o t h 、z i g b e a 、w i - f i 、i r d a 、u w b 技术等。下面将这几种技术进行比较 4 1 ，如表2 1 所示： 技术名称i 肿 b l u e t o o t h z i g b e e w i f i i r d a 8 6 8 m 明 z 。 3 i g h z 2 4 g h z 8 5 0 n m - x ) 0 0 n m 工作频段 9 0 2 m h z 母2 8 n z2 4 g h z 1 0 6 g h z2 4 8 g h z 的红外频谱 2 4 g h z 2 4 8 g h z 最大工作范 1 0 m1 0 m1 0 0 m1 0 0 m3 m 围 n l o s 可传 可传可传可传不可传 是否可传 最大传输速 2 0 k b p s 、4 0 k b p s 率 1 g b p s3 m b p sl l m b p s1 6 m b p s 2 5 0 k b p s 是否高速是否否否否 表2 1 物理层技术体制比较表 由上表可知。i r d a ( 红外) 需要有直达径，在穿戴式网络中不适合。从使用频段范围来看， b l u e t o o t h 。z i g b e e ，w i f i 都是窄带传输，工作在i s m 公用频段下，极易受到干扰：而u w b 的传输 带宽很宽。产生干扰和受到干扰的机率较小。从传输距离来看，只有b l u e t o o t h 和u w b 技术更能适 合穿戴式网络中遍布全身的要求。从传输速率来看，在穿戴式网络中要求能够高速传输数据，达到 1 0 0 m b p s 以上，b l u e t o o t h ，z i g b e e ，w i f i 都不能实现，只有u w b 才能符合高速传输的要求。综合 分析，u w b 技术比较适合于穿戴式网络系统。 除此之外，u w b 技术还有以下几个很重要的优点： 保密性比较好。u w b 技术起源于军工，由于u w b 信号的功率谱密度很低，很难被截获破 译； 3 东南大学硕士学位论文 可以通过接收机的分集合并，对抗多径衰落问题； 空间容量较大。由于u w b 系统有很高的抗干扰处理增益和很强的多径分辨能力，空间容 量比其它的无线系统高。 功耗，超宽带是一种低功耗的传输技术。 综合分析考虑后，我们认为u w b 技术最能符合穿戴式信息网络的要求，是所有技术中的最佳 选择。目前u w b 有两大标准：一是以i n t e l 公司为首提交的多带正交频分复用( m b o f d m ) 方案； 另一个是以f r e e s c a l e 公司为首提交的直扩码分多址( d s c d ) 方案。而m b o f d m 方案已成为 m b o a 联盟事实上的标准，而我们选取的就是m b o f d mu 、b 。 2 1 2u w b 技术简介 超宽带u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无载波通信技术。在高速通信的同时，u w b 设备的发射 功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一。所以u w b 是一种高速而又低功耗的数据通信方式， 是构建高速无线个域网的理想选择，被视为下一代无线通信的关键技术之一。 u w b ( u l t r aw i d c b a n d ) 是一种高速短距离的数据传输方式。起初被用于军事雷达和定位设备， 2 0 0 2 年2 月首次获得了美国联邦通信委员会( f c c ) 的批准用于民用通信。超宽带信号有两种定义： 一种是指相对带宽大于o 2 的信号，所谓相对带宽是指 r = f h f l ( 厶+ f z ) 2 ，厶和无表示信号的1 0 d b 频带的最高和最低频率。另一种含义是指带宽超过5 0 0 m h z 的信号。使用频段是3 1 g h z 1 0 6 g h z 。 u w b 系统可以在较低的信噪比条件下，实现高达i g b p s 的无线传输速率。目前，u w b 有两种技术 体制：多子带正交频分复用的超宽带技术( m b o f d mu w b ) 和直接序列超宽带技术( d s u w b ) 。 超宽带无线通信系统具有高速率、低功耗等诸多优势，它利用频谱重叠技术去充分分享目前正 在使用的频谱资源，它为下一代网络实现无缝覆盖提供了高质量的无线传输方案选择，同时节省了 有限的频谱资源。2 0 0 5 年1 2 月w i m e d i a 联盟发布了行业第一个商用u w b 标准e c m a 3 6 8 。 此标准定义了基于m b - - o f d m 的物理层和分布式架构的媒体接入控制层。 2 0 0 5 年1 2 月份的e c m a 3 6 8 标准是首次公开的超宽带标准文件，有望成为超宽带技术统一的 国际行业标准，对推进超宽带的市场化进程有重要的意义。 u w b 有关技术标准的制定，首先在美国的i e e e8 0 2 标准化组织中进行。其中于2 0 0 2 年1 1 月 启动的i e e e 8 0 2 1 5t g 3 a 任务组进行的高速w p a np h y 层，增强型替代传输协议的标准化工作，当 时成为全球业界参与和关注的焦点，掀起了一股热潮。但不幸的是很快陷入了众所周知的两个体制 ( m b o f d m 和d s u w b ) 两年多的相争，最后只好不欢而散，0 6 年1 月i e e e8 0 2 1 5t g 3 a 宣布停 止工作。w i m e d i a 联盟2 0 0 5 年开始与欧洲的行业协会和标准化组织e c m ai n t c m a t i o n a l 合作，推进 m b o f d m 方案成为统一的国际行业标准。通过并发布该标准，包括如下两部分 4 1 ： 4 第2 章相关m a c 层协议的介绍 ( 1 ) e c m a 3 6 8 标准，定义p h y 和分布式的m a c 层，采用未授权的3 1 到1 0 6 g h zu w b 频谱，强制支持至少5 3 3 m b p s 、1 0 6 7 m b p s 和2 0 0 m b p s 数据速率； ( 2 ) e c m a 3 6 9 标准，规定了m a c p h y 接口。 e c m a 3 6 8 标准基于超宽带高速短距离无线网络( 即无线个域网w p a n ) ，详细规定了物理层 ( p h 和媒体接入控制层( m a c ) ，使用的频谱范围为3 1 g h z i o 6 0 0 g h z ，支持的最高速率可达 4 8 0 m b p s 。 这个标准将频谱范围划分成1 4 个频段，每个频段带宽为5 2 8 m h z 。前面的1 2 个频段又分成4 组， 每组由3 个频段组成，而最后两个频段组成第5 组。标准采用多带o f d m ( m b o f d m ) 调制技术， 每个频带使用l l o 个子载波，其中1 0 0 个数据载波。1 0 个保护载波。除此之外，1 2 个导频载波允许 同时用于探测。并且，可以根据信道特性分别使用频域、时域扩展码和前向纠错( f e c ) 编码。 2 2 相关的m a c 层协议概述 在无线自组织网络中，存在隐式终端( h i d d e nt e r m i n a l 和显式终端( e x p o s e dt e r m i n a l ) i h - 题西隐式 终端是指位于接收者的通信范围之内，而在发送者的通信范围之外的终端：显式终端是指位于发送者 的通信范围内而在接收者的通信范围之外的终端。图2 1 说明了隐式终端和显式终端的问题。 图2 1 隐式终端及显式终端问题 如图2 1 所示，左图中有a 、b 、c 三个节点，若a 向b 发送，c 收不到a 的信号，但b 能收 到c 的信号，则节点c 称为a 的隐式终端。因为不知道a 在向b 发送，c 有可能也向b 发送，引 起b 附近信号的冲突。 右图有a 、b 、c 、d 四个节点，若b 向a 发送，c 可以收到b 的信号，且c 发送信号时不受 到a 的影响，则节点c 称为a 的显式终端。因为检测到b 在向a 发送，c 停止了本来可以进行的 向d 的发送，引起网络资源的浪费。 综上所述，可以得出以下结论：两个节点在通信时。接收者的周围不能有其它节点在发送( 否则 接收者会受到干扰) ：发送者的周围不能有其它节点在接收( 否则发送者会干扰它们) 。如果穿戴式网 络中一个节点如果只根据检测到的自己周围信道的情况，决定是否发送，就会产生错误的判断，引 起隐式终端和显式终端问题。这两种终端的存在严重影响了信道接入协议的性能，必须设法解决， 5 东南大学硕士学位论文 以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。许多无线网络的m a c 层协议都是从如 何克服这两种终端的思想出发，研究高性能m a c 层协议的。本章将介绍、比较常用的几种相关的 m a c 机制。 2 2 1i e e e8 0 2 1 5 3 i e e e 8 0 2 1 5 3 4 1 是第一个u w bm a c 协议，面向无线个域网，它将几个节点( d e v ) 组成一个 微微网( p i c o n e t ) 。按照原理划分，无线网络的m a c 层协议可分为：分布控制m a c 协议和局部集 中控制m a c 协议，前者包括a l o h a 协议、c s m a 协议等。后者则以i e e e8 0 2 1 5 3 协议标准为代 表。 作为一个t d m a 系统，所有的微微网都是由一个微微网协调器( p n c ) 控制的。p n c 采用周期 性的信标和其他节点同步。每个d e v 按照p n c 分配的时隙利用同一频段无冲突的接入p n c ，利用 信标向微微网提供基本的定时信息，处理微微网的q o s 需求，控制其功耗。 微微网基于超帧( s u p e f f r a m e ) 格式安排系统资源，超帧由三部分组成，如图2 2 ： 图2 2i e e e 80 2 1 5 3w p a nm a c 超帧 每个超帧都是由信标( b e a c o n ) 开始的。节点在进行任何帧传输前都要进行信标扫描并且同步 于信标，信标包含了当前超帧传输的资源分配和同步相关信息。 我们将超帧分成两部分。竞争接入期( c a p ) 用来传输当前的命令和或异步数据。竞争接入期 的接入方式与无线局域网的接入方式相同，都采用载波侦听胂突避免( c s m a c a ) 方式，区别是 在8 0 2 1 5 3 中没有虚拟载波侦听，退避算法也略有不同。 信道时间分配期( c t a p ) 包括管理信道时间分配( m c t a s ) 和一般数据信道时间分配( c t a ) 。 命令、同步流和异步数据都可以使用信道时间分配期来传输，其中m c t a s 只用来进行d e v s 和p n c 之间的通信在开放的管理信道时间分配中，可能会有多个d e v 同时与p n c 通信，此时采用时隙 ( s l o t t e d ) 和a l o h a 方式接入。 通过以上的对比和讨论，在穿戴式信息网络中，物理层我们采用u w b 方案。但是在m a c 层方 面，基于本系统特殊的应用模型考虑，现有的m a c 层协议均不能很好地满足系统需要，我们需在 6 第2 章相关m a c 层协议的介绍 现有的基于中心控制协议的基础上，提出一个新的精简高效m a c 层方案以适应穿戴式信息网络的 实际应用需求。 2 2 2e c m a - 3 6 8 e c m a 3 6 8m a c 层支持设备( d e v ) 的移动性，所以当某个d e v 与其他d e v s 合并或分离时 仍可以继续保持通信。为实现最大程度的灵活性。m a c 层的功能分布在各个d e v 中。这些功能包 括：分配协调信道资源使得不同d e v s 正常使用而避免冲突，以及分布式的媒体预留机制来保证服 务质量。m a c 层还提供了优先访问机制以便同步的和异步的数据传输，并采用了c s m a 和t d m a 的联合来实现这一目的。分布式预留协议( d f u p ) 就是用预留信道来实现t d m a 机制，以便同步传输 和其他数据交换，为了充分利用网络资源，标准提出了基于c s m a 的竞争访问机制，并制定相关协 议来确保d e v s 公平享用信道资源。 本节和后续部分定义了m a c 层的服务和协议。如图2 3 所示，m a c 子层结构符合i s o ，o s i 的 i e e e 8 0 2 协议系列的参考模型，服务也是通过m a c 服务接入点( m a cs e r v i c ea c c e s sp o i n t ，ma c s a p ) 提供的。在e c m a 3 6 8 标准中，一个设备地址代表一个m a c 子层。p h y 层通过p h y 服务接 入( p h ys e r v i c ea c c e s sp o i n t ，p h ys a p ) 依次向各个m a c 子层提供服务。同样，m a c 协议也只 是在对等层间应用。 s q o s i - i e e e8 0 2 r e f e r e n c am o d e i 图2 - 3i e e e 8 0 2 系列参考模型 每个设备的m a c 层本身带有一个唯一的4 8 b i t 的地址，此外还与一个可变的较短的地址相联系。 这个地址被称为d e v a d d r 。每个单播帧都携带有一个标识目的设备m a c 层的d e v a d d r 。d e v a d d r 7 东南大学硕士学位论文 有1 6 b i t ，由本地分配，而不是由中心协调节点产生的，所以在无线个域网内并不是唯一。本标准提 供了解决d e v a d d r 冲突的机制。m a c 的寻址机制包括多播和广播。多播向一组m a c 实体发送帧， 广播则向所有实体发送。 m a c 层主要功能有以下几个方面：只要在对方无线收发范围内，协同操作的设备之间就可以使 用物理层在一个单独信道内通信：基于信道预留的分布式接入机制；基于信道竞争的优先接入机制； 便于实现协调应用的同步设备；利用加密算法以保证数据的安全传输。 e c m a 3 6 8m a c 服务结构是完全分布式的。所有d e v 能提供必需的m a c 功能和其可选择的 功能，并且没有中心协调点，即各个d e v 都是平等的。 2 3e c m a 3 6 8m a c 层详细介绍 在无线通信范围内，d e v s 的协调通过交换信标帧实现。周期性地发送信标帧能实现以下功能： 发现新的d e v ，支持网络的动态结构及其移动性。此外，信标帧可为网络提供基本定时，并且为接 入信道提供预留和安排信息。 在该协议的第1 5 章中规定了每个m a c 层通过p h ys a p 和p h y 层相关联。此外，m a c 层要求p h y 层具有以下特征： 支持单播帧和突发帧的传输； 单播帧和突发帧的接收； 适用于p h y 和m a c 报头结构的p l c p 报头错误指示： 用于媒介活动性评估的纯信道评估； 在m a c 范围测量支持下，则对其进行标记。 p h y 层帧结构模式如图2 4 所示。 f r a m ec h e c kt 酬p a d p r e a n i 3 1 e p l c ph e a d e rf r a m ep a y l o a d s e q u e n c e b i t s b 鸱j 一一、 p h yt 硼m a e c s t a i i r e e d - s o k ) m o nt a i l h e a d e rb i t s h e a d e rb 陋 p a r i t yb y l e s b i l s 图2 - 4 p h y 层帧结构 有两种类型的前导符：标准型和突发型。 p l c p 报头包括m a c 和p h y 报头，并受到报头校验序歹u 0 a e a d e rc h e c ks e q u e n c e ，h c s ) 的保护。 帧的有效负载帧校验序3 i t l ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，f c s ) 之前。 帧以比特流( 恒定的比特顺序) 的形式通过p 从源设备发往目的设备。在本地天线中，p h y g 第2 章相关m a c 层协议的介绍 层帧的第一个符号的边缘代表个帧的开始传输，而最后一个符号边沿表示帧结束。通过交换m a c 和p h y 间的参数设置来实现帧的收发。这些参数允许m a c 层控制和获知帧的传输模式，帧负载 数据率和长度，帧前导符。p h y 层信道以及相关的p h y 参数。在发送单播帧时，m a c 层完全控制 帧的定时；在突发模式下，m a c 层只控制第一帧的定时，p h y 则负责剩余帧的准确定时。 该协议中还出现了逻辑组、控制算法、信道选择、超帧等重要的概念。 逻辑组 每个d e v 都有自己的邻域，m a c 协议可以根据个别的d e v 进行说明。并且在这个区域内实现。 网络是基于分布式的访问控制方式。如果通信范围跨越不同的空间范围。相邻的d e v 就构成了逻辑 组，使得在无竞争时段帧传输更容易。不同的逻辑组可以属于一个信标群b g ( b e a c o ng r o u p ) ，也可 以联合一个扩展信标群，属于哪种信标群取决于各个d e v 自身。 控制算法 m a c 层协议的控制算法尽力确保在扩展信标群里只能有一个d e v 传输数据帧。信标帧中包含的 信息保证了一个d e v 在c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 发送或接收帧时，其他相邻d e v 不能传输或接收数 据。为确保帧的正确接收，协议还指明每个d e v 的d e v a d d r 在扩展信标群中是唯一的。 信道选择 当一个d e v 进入使能状态，它将扫描一个或多个信道，搜寻信标并选择一个信道。如臬在选择 的信道中没有检测到信标，这个d e v 就发送一个信标来产生自己的b p ( b e a c o np e r i o d ) 。 如果在所选择的信道中检测到一个或多个信标，d e v 将把自己的b p 和所选信道中已经存在的 信标同步起来，这样，d e v 将在此信道中和自己所在b g 中的其他设备进行通信。 由于无线网络信道特性的复杂性，每个设备都在动态的环境及未授权的工作规则下工作，因此， 设备会在自己的信道中受到来自授权用户、其他网络、及其他未授权无线实体的影响，为确保某个 d e v 在相同环境下的正常收发数据，因此要求设备能够动态改变信道，并且在此过程中不和其他对 等体失去联系。一旦d e v 发现所选择信道发生变动，就自行调用信道动态选择程序进入另一可用信 道。 超帧 在e c m a 标准中，使用超帧实现设备间的通信。超帧的持续时间即超帧的长度，定义为 m s u p e r f f a m e l e n g t h 。由2 5 6 个媒体接入时隙( m e d i u ma c c e s ss l o t s - m a s s ) 组成，每个m a s 长 m m a s l e n g t h 。超帧分为两个部分：信标期( b p ) 和数据传输期( d t p ) ，b p 可能跨越一个或多个 连续的m a s s ，b p 中第一个m a s 的开端或超帧中第一个m a s 的开端称为b p s t ( b e a c o np e r i o ds t a r t t i m e ) 。 信标期( b p ) 占用一个或多个m a s ，b p 又被分为长为8 5 a s 的信标时隙。每个设备选择一个信标 时隙来传送它的信标帧。因为分布式架构没有全局b p 。每个设备都可发起自己的b p ，具有自己的 9 东南大学硕士学位论文 b p s t ( b e a c o np e r i o ds t a r tt i m e ) 和b p 长度( 由其作用范围内的设备数量决定，规定有上限值) 。为了 避免相邻的设备有多个重叠的b p ，在发起一个新的b p 前，设备应当在邻近的信道中扫描信标，扫 描时间至少为一个超帧周期。如果在扫描期间收到信标，设备将在已存b p 的可用信标时隙中发送 信标；否则设备发起b p ，并在初始扫描后发送信标帧。 超帧的结构如下图2 5 所示。 ( v a r i a b l et e a g h ) 图2 5e c m a 3 6 8m a c 的超帧结构 ( v a r i a b l el e n g 扔) 信道访问机制 在e c m a 3 6 8 标准中，有以下三种信道访问机制： ( 1 ) d e v 在b p 只发送信标帧： ( 2 ) d e v 可以预约信道进行收发数据( d i 心) ： ( 3 ) 基于竞争的优先访问方式( p c a ) 。 确认机制 数据可以在m a c 子层和其在m a c 服务数据单元( m a cs e r v i c ed a t au n i t - m s d u ) 中的用户传 输( 可以通过参数设定授权部分用户收发数据) ，m s d u 可以通过数据帧在d e v 间传输。一个数据帧 可以拆分成数个片段，各片段分配一个m s d u 序列号和片段号，并在接收端进行重组来减少帧的错 误率。 如果发送端希望确认帧的成功传输，那么可以启用帧的确认机制。标准中针对不同的应用情况 提供了三种确认机制： ( 1 ) n o a c k 当数据帧不要求保证成功投递。或是当对帧的传播时延比较高时，接收端不需要发 送a c k ： ( 2 ) i m m a c k 接收端每收到一个数据帧都要向发送端发送a c k ； ( 3 ) d l y - a c k 发送端向接收端发送一组数据帧，当要求确认时，接收端会将各个帧的a c k 一起发 给发送端；当接收端没有收到a c k ，就会重传所发的数据帧或是丢弃这个帧，重传或是丢帧取 决于所发数据或命令的类型，或是接收端能重传的最大次数和时间等其他因素。 下面我们给出本设计方案下的n o a c k 传输和i m m a c k 传输情况下的解决方案，d l y a c k 传 1 0 第2 章相关m a c 层协议的介绍 输类似于i m m a c k 传输的解决方案。分别为图2 - 6 和图2 7 所示： ；一s t a r to f r e s e r v a t i o nb l o c k e n do f r e s e r v a t i o nb l o c k 叫 s i f ss i f s 哪h i f r a m e1 0 r f r a m e 2 0 f f r a m e k l m i f sm 】f s ；卜一s t a r to f r e s e r v a t i o nb l o c k 图2 - 6n o a c k 传输方案 e n do f r e s e r v a t i o nb l o c k 一 f 一-酬裂n 2p i s s i 劁i a i s i lf k 酬罴 图2 7i m m a c k 传输方案 信标帧包含e c m a 3 6 8m a c 所需的控制和管理信息，信息编码为信息单元( i e ) 。每种i e 都有 不同的定义和用途，其中b p o i e ( b po c c u p a n c yi e ) 是最重要的i e 。b p o i e 包含设备所属信标群( 定义 为具有同样b p s t 的设备群) 的所有设各列表，用于更新设备的b p 长度和检测信标冲突( 当信标群中 两个或多个设备在同一个信标时隙发送信标时就产生信标冲突) 。 2 4m a c 层协议的选取 在i e e e8 0 2 1 5 3m a c 中，无线个域网的基本单元是微微网，由微微网协调器和若干个独立的 可以互相通信的节点组成。微微网协调器完成微微网的全部控制功能，包括通过信标实现整个匹克 网的定时、通信控制、服务质量控制、节能模式选择和微微网的接入控制等。 i e e e8 0 2 1 5 3m a c 集中式架构易于微微网的管理，而且是的微微网的行为具有可预测性，保 证了一般操作的q o s ，但是这种集中式架构应用于超宽带场合导致了潜在的问题：这种构架高度依 赖微微网协调器p n c 。节点之间通信或激活只能通过p n c ，如果p n c 消失，则网内的其他设备需 要再选出新的p n c 。在此期间，由于没有p n c ，设备节点问的通信中断。 针对i e e e8 0 2 。1 5 3m a c 集中式构架存在的问题。e c m a 3 6 8 协议进行了补充和改进。 e c m a 3 6 8m a c 是一种完全分布式的m a c 协议，设备间相互协作，以维护微微网正常工作。 e c m a 3 6 8 中每个设备节点都要发送自己信标，以宣布自己存在；并通过检测其他节点的信标，以 知道它们的存在和动作。 纵上所述，e c m a 标准中规定的m a c 层能更好地适用于高速、便携的和固定的电子设备之间 的通信中，适合于设备节点。i e e e8 0 2 1 5 3 标准中的p n c 部分更适合系统中的中心节点。此标准的 选取对穿戴式网络的研究具有重要的意义。 l l 东南大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章在考虑物理层采用u w b 技术的前提下，简单介绍了相关的i e e e 8 0 2 1 5 3 和e