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北京邮电大学硕士学位论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 高速无线个域网m a c 层协议的研究 摘要 随着个人通信理念的发展，无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 已成为备受人们关注的热点，它以个人为通信中心，将周围所有无线电子设备组成 一个自组织的网络，满足个人随时随地通信的需要。i e e e8 0 2 1 5 3 标准定义了相应 的高速无线个域网的物理层和m a c 规范，但并没有制定具体的调度算法，保证了 标准的灵活性和兼容性。本文首先介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 标准m a c 层协议的具体内 容，包括超帧的结构、信道的接入、信道时间管理和设备间数据通信过程等。 本文的第三部分分析了在i e e e8 0 1 15 3 工作环境下，进行多媒体业务流传输时 存在的挑战。由于可变速率( v b r ，v a r i a b l eb i tr a t e ) 业务的在每个超帧中的发包 个数是变化的且是不可预知的，因此设计有效的调度算法并在每个超帧中为各种业 务流预留合适的信道时间( c t a ，c h a n n e lt i m e a l l o c a t i o n ) 是很复杂的问题。依据 v b r 业务的统计特性，本文设计了一种高效的业务调度算法，具体执行过程是：首 先通过各个业务的平均业务量进行c t a 的预分配，然后再通过标准协议中的 r e l i n q u i s h 命令来对c t a 进行动态的调整以适应每个超帧中v b r 流的数据变化。 即在某个超帧时间内，一个拥有较大流量的v b r 业务在自己分配的c t a 时间不够 用的情况下，占用属于另一个v b r 业务多余的c t a 时间来进行传输。本文进行了 相应的系统仿真，发现采用我们设计的调度方案后，v b r 业务的延迟时间和时延抖 动都大大降低。 本文的第四部分介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的两种物理层草案，它们可以提供 北京邮电大学硕士学位论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 高达4 8 0 m b s 的传输速率。文章重点研究了m b o f d m ( m u l t i - b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 这个物理层规范，考虑到o f d m 的各个子载波可 以采用自适应调制机制，使得物理层的速率更加灵活多变，也为它和m a c 层协议 进行联合优化提供了可能性。由于高速w p a n 是能量受限的系统，因此联合优化的 目标是在保证业务q o s 的前提下，最小化系统的能量消耗，具体的实现需要通过动 态的分配设备的c t a 时间、同时动态的调整各设备的o f d m 子载波的调制方式来 完成。我们将此自适应问题归纳为具有约束条件的最优化问题，建立了数学模型， 并提出了能量最小化贪婪算法，得到了相应的联合优化方案。通过相关的仿真工作， 可以发现采用本文提出的联合优化方案后，整个w p a n 的设备能量消耗大大降低。 最后，得出了针对全文的整体性总结。 关键词 i e e e8 2 0 1 5 3o f d m 信道时间分配自适应调制调度算法 北京邮电大学硕士学位论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 r e s e a r c ho nt h em a cp r o t o c o lo fh i g h r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w or k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r kf w p a n ) h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i t i sc o m p o s e do fp e r s o n a lw i r e l e s sd e v i c e sw h i c hw o r ki na d h o cm o d e i e e e 8 0 2 15 3s t a n d a r dh a sb e e nd e f i n e df o rt h eh i g h r a t e 慨n t h em a c a n dp h yp r o t o c o la r es p e c i f i e di nt h es t a n d a r d ，b u tt h es c h e d u l es c h e m ei s u n d e t e r m i n e df o rf l e x i b i l i t y t h ei e e e8 0 2 15 3m a cs p e c i f i c a t i o ni s d e s c r i b e di nt h ep a p e ra n di t sc o n t e n tc o n t a i n st h es t r u c t u r eo fs u p e r - f r a m e ， c h a n n e la c c e s sp r o t o c o l ，c h a n n e lt i m em a n a g e m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o n p r o c e d u r eb e t w e e nd e v i c e s ，a n ds oo n i nt h et h i r dc h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h ec h a l l e n g ew h e nm u l t i m e d i a s e r v i c e sa r ea p p l i e di ni e e e8 0 2 。15 3e n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e d i ti sk n o w n t h a t t h en u m b e ro fp a c k e t sw h i c hb e l o n gt ot h ev a r i a b l eb i tr a t e ( v b r ) f l o wi nas u p e r f r a m ev a r i e sw i t ht i m e t h u s ，i ti sd i 瓶c u l tt oa s s i g n a p p r o p r i a t ec h a n n e lt i m ea l l o c a t i o n ( c t a ) f o re a c hs e r v i c ep r e v i o u s l y a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lp r o p e r t yo fv b rf l o w , a ne f f e c t i v es c h e d u l e s c h e m ei sp r o p o s e di nt h ep a p e r 。t h es c h e m ei sd e s c r i b e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h ec t af o re a c hs e r v i c ef l o wi sa s s i g n e db a s e do ni t sa v e r a g et r a 伍cl o a d ； t h e n t h ec t ai sa d j u s t e dd y n a m i c a l l yb yu s i n gt h er e l i n q u i s hs i g n a l i n gt o g e tb e t t e rp e r f o r m a n c e i no t h e rw o r d s ，i ft h ec t a f o rav b rf l o ww i t hl a r g e p a c k e tn u m b e ro fp a c k e t si sn o te n o u g hf o rt r a n s m i s s i o n ，i tc a no c c u p yt h e f r e ea i r t i m ew h i c hb e l o n g st oa n o t h e rv b rf l o w s i m u l a t i o nw o r ks h o w s t h a tb o t hd e l a ya n dji t t e ro fv b rf l o w sa r er e d u c e dc o n s i d e r a b l yw h e nu s i n g t h ep r o p o s e ds c h e m e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h et w op h yd r a f t so fi e e e8 0 2 15 3 aa r e d e s c r i b e da n dt h e yc a np r o v i d et h et r a n s m i s s i o ns p e e do f4 8 0 m b si n 1 1 1 北京邮电大学硕士学位论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 m a x i m u m n o t et h a tt h em u l t i b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( m b o f d m ) s p e c i f i c a t i o nf o ri e e e8 2 0 15 3 ai ss t u d i e di n t h i sp a p e r a sw p a ni sp o w e r - l i m i t e ds y s t e m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e d u c e t h es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n t h e n ，as c h e m ew h i c ho p t i m i z e st h em a c a n dp h y l a y e rj o i n t l yi sp r e s e n t e d i ta d j u s t sb o t ht h ec t a f o re a c h f l o wa n d。 t h em o d u l a t i o ns c h e m ef o re a c ho f d ms u b s c r i b ed y n a m i c a l l yt or e a l i z et h e t a r g e to fs y s t e mo p t i m i z a t i o n w ee s t a b l i s ha m a t h e m a t i c a lm o d e lt or e s o l v e t h i sio i n to p t i m a lp r o b l e ma n dp r o p o s eap o w e rm i n i m i z a t i o ng r e e d y ( p m g ) a l g o r i t h m s i m u l a t i o nw o r ks h o w st h a tt h es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o ni s r e d u c e dc o n s i d e r a b l yb yu s i n go u ri o i n to p t i m a ls c h e m e a tl a s t ，a c o n c l u s i o nf o rt h ew h o l ep a p e ri sp r e s e n t e d k e yw o r d si e e e8 0 2 15 3o f d m c h a n n e lt i m ea l l o c a t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o n s c h e d u l es c h e m e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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i 身 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 杰垒鞋龌 日期：型玉丛 导师签名：邀 日期： 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 现代社会人们对通信的需求也越来越复杂和多样化，个人通信的目标促使现 代通信朝数字化、宽带化、智能化、个人化以及业务综合化的方向发展。未来的 第四代移动通信系统为人们展现出移动通信服务诱人的前景，但是对第四代移动 通信系统的研究还刚刚开始，离实际应用还有不小的距离。为了满足人们日益增 长的对通信服务的要求，可以将有线网络支持的宽带业务无缝隙地扩展到无线网 络中，使无线通信网支持话音、数据和视频图像等多媒体多种业务的综合传输与 交换。宽带无线接入网由于综合了无线通信系统方便、灵活的特点，同时它又具 有有线网络支持宽带业务的优势，因而成为目前通信界的研究热点之一。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着无线通信和因特网的发展，人们对网络的依赖性与 日俱增，要求其提供服务的各种需求也迅速增长。固定网络功能的逐步强大使得 无线接入在通信中的位置越来越重要；同时由于近年来便携式技术产品的不断发 展和普及，也使得“网络随身携带”的愿望成为可能，无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k 。w p a n ) 正是顺应这种潮流提出的概念，成为继无线局域网 f w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 之后，无线接入产业链上又一颗耀眼的明珠。 w p a n 即无线个域网，其目标是解决如何让人们将网络终端随身携带的问 题，随时随地为用户实现设备间的无缝通讯，实现个人信息终端的智能化互连， 应用前景极为广阔。它能使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网 等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真机、打印机等设备增添无线传输和 组网的功能，同时实现这些设备与便携式通信设备之间的数据通信、语音通信、 互连以及i n t e m e t 接入等功能，是目前无线通信领域的热点研究课题之一。在网 络构成上，w p a n 工作在个人操作环境，需要相互通信的装置动态随机地构成 一个网络以适应网络节点的移动性。其优点是：按需建网、容错、连接不受限制； 一种装置用做主控，其他装置作为从属装置；系统适合运行图像、m p 3 和视频剪 辑等多种类型的文件。 i e e e 定义8 0 2 1 5 系列为w p a n 协议族。其中包括为近距离联网而设计的低速 w p a n ( l r w p a n ) i e e e8 0 2 1 5 4 标准，主要应用于工业监控和组网、办公和家 庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等，设计最高传 输速率为0 2 5 m b p s ；面向移动设备间的小范围连接而设计，主要适合于手机、掌 第2 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 上型电脑等的简易数据传输的“蓝牙”( i e e e8 0 2 1 5 1 ) 标准，是第一个取代有线， 连接工作在个人环境下的各种电器的w p a n 技术，它的设计最高传输速率为 1m b p s ，而有效传输数据率仅限于5 0 0 7 0 0 k b p s ；而按照i e e e8 0 2 15 3 建立的 w p a n ，数据传输速率高达5 5 m b p s ，被称为高速w p a n 。高速w p a n 适合于大量 的多媒体文件、短时间内流视频和m p 3 等音频文件的传送。 图1 1i e e e8 0 2 1 5w p a n 系列简介 近年来，由于信息通信业呈现宽带多媒体、三网融合的发展趋势，无线通信 领域更凸现宽带化和多样化格局的新走势。无线接入系统经历了由窄带到宽带， 由面向话音业务到面向数据、多媒体业务的转变。随着数据业务在电信总业务中 的比例不断扩大，特别是随着互联网技术的迅猛发展，现有的有线接入系统远远 不能满足人们的宽带业务需求，因此，高速w p a n 的出现为解决这些问题提供 了一种可行的手段。 在个人操作环境中，按照i e e e8 0 2 1 5 3 标准，各种电器设备之间可以实现 无线多媒体连接。高速w p a n 传送距离限定为1 0 米，目前界定的速率为1 l 5 5 m b p s 。网络采用动态拓扑，使用便携式装置能够在极短的时间内( 小于1 秒) 加入或脱离网络。从应用方面看，其他w l a n 和w p a n 技术主要用于数据和话 音传输，而高速w p a n 除用于数据和话音传输外，还用于视频或多媒体传输。 如摄像机编码器同t v 投影仪个人存储装置间的高速传送，便携式装置之间的 计算机图形交换等。高速w p a n 已经能很好的满足高速无线视频及多媒体等业 务的需求，但由于无线通信装置急剧增长，人们对更高数据率和更快的内容传送 的需求与日剧增，这就将通信网络中各种信息传递推向更高数据率。在这样的背 景下，i e e e 8 0 2 1 5 3 成立专门的研究小组i e e e8 0 2 1 5t g 3 a ，研究更高数据率的 第3 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 物理层标准，用以替代高速w p a n 的物理层，从而构成超高速w p a n 或超宽带 ( u w b ) w p a n ，目前i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的制定工作还在进行当中。 超高速w p a n 可支持11 0 4 8 0 m b p s 的数据率。高速及超高速w p a n 标准 的制定和实施无疑是无线通信技术发展的重大进步，但是无线高速数据传输不能 一味仅靠频谱的扩展，高速无线数据传输的最终实现关键在于提高频谱效率。在 物理层，有三种技术正交频分复用( o f d m ) 、超宽带和空时调制编码用于获取高 频谱效率。高速及超高速w p a n 的物理层主要采用正交频分复用( o f d m ) 和 超宽带( u w b ) 技术。 o f d m 技术是一种特殊的多载波调制技术，它将串行高速的数据流在多个 低速子载波上进行传输。o f d m 技术被广泛应用于1 6 m b s 高比特率数字用户线 ( h d s l ) 、6 m b s 不对称数字用户线( a d s l ) 、1 0 0 m b s 甚高速数字用户线( v d s l ) 、 数字音频广播和数字视频广播等方面。作为高速宽带无线通信的优选方式，最近 o f d m 又被用于5 4 m b s 无线局域网标准i e e e 8 0 2 1l a 和i e e e 8 0 2 1l g 高性能局 域网标准h i p e r l a n 2 、欧洲宽带无线接入网e t s i - - b r a n 、i e e e 8 0 2 1 6 m a n 和集成业务数字广播( i s d b t ) 标准中。尽管o f d m 存在一些缺点，但它可在各 子载波上采用自适应调制和功率负载的特性为它和上层协议共同进行网络优化 提供了可能。 超宽带u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 技术凭借其短距离( 1 0 m ) 、高带宽( 3 1 g h z 1 0 6 g h z ) 、高传输速率( 1 0 m ，1 0 0m b i t s ；- 2 5 6 4 1 2 0 + 1f o r 2 4 + 1 2 5 6 开放和联系m c t a 在 1 ，c w o 选一个服从统一分布的随机数，作为第a 次重传试探。为不同设备产生的随机数据有统计上不相关的特性。设备在本 超帧的开始计算，未接至l j l m m a c k 表示此次试探的失败。 设备开始接入过程的第一个开放和联系m c t a 置r = l 。开放和联系 m c t a 的序号等于，口为设备需接入的m c t a 。在计数器未达到时设备不接 入。收到a c k 后，a 置为0 。 第1 4 页 北京邮电大学硕士研究生论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 2 ) m c t a 的分配 p n c 通过p i c o n e t 同步参数域中的m c t a 的速率分配域来指示开放或直接上 行m c t a 的分配速率。 2 4 2 4 保护间隔 在t d m a 系统中，保护间隔用于避免相邻c t a 数据传输可能产生的冲撞。 保护间隔不包括s i f s ，结构如图2 - 3 所示。 t d e a tc 了anp 。s t t t 。n e o d r i f td r i f t 券l 1i d e a lc t an + lp o s i t i o n e 疗 l a t ee s t i m a t eo f0 掰n e ，) e a r l ye s t i m a t eo fc t a c ，) r l 1 1 p o s i t i o n ( ，) n + lp o s i t i o n e 府 ，= ii n _ 1 3 n ” 图2 3 保护间隔 保护间隔取决于设备本地时间和理想时间的最大偏移。最大偏移定义如下： m a x d r i f t = ： c l o c ka c c u r a c y ( p p m ) l e 6 木i n t e r v a l 传输时延也是影响时间不准确的一个因素，但是，p i c o n e t 仅十米，传输时延仅 3 3 n s ，最多6 6 n s ( 最远的两个设备) ，可以忽略不计。 伪随机c t a 需要的保护时间间隔比动态c t a 长，因为，分配伪随机c t a 的设备在失步多达m m a x l o s t b e a c o n s 的情况下，仍进行数据传送。保护时间间 隔计算如下： g u a r d t i m e 2 ( m a x l o s t b e a c o n c t a n + m a x l o s t b e a c o n c t a n + l + 2 ) 车m a x d r i f t 对于动态c t a ，m a x l o s t b e a c o n s 为0 。p n c 计算c t a 的起始时间、c t a 长度， 保护间隔。 第1 5 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 f r a m et r a n s m i s s i o n + s i f s 卜一 ( ，) l仂 箜 c f r a m e1 节i f r a m e 2 r lf r a m e3 器 c o lc o a ne n 洲m e t 图2 4n o a c k 情况下s i f s 和保护时间的示意图 f r a m e - i - s i f s + a c k - i - s i f s 卜叫 f r a m e 1 引萎 f r o m e i i 委i 羡if r a 3 m ef 券f 委i 羡i 萋 c t ane n d t - m et 图2 5i m m a c k 情况下s i f s 、a c k 和保护时间的示意图 f r a m e + s i f s + a c k + s i f s 卜叫 塑f r a m e 到羹 c ， o c b e a c o n n ( ，) a 习 3 p 刮羹 f 陀m e 磊 鲤f r a m e 1 1 犬 羽 2 c ， c t ans l a nt i m e c t ane n dt i m e 图2 6 一个超帧之后的保护时间示意图 2 4 2 5 信道时间请求的计算 每个设备通过发送信道请求时间向p n c 请求传输数据的信道时间。发送请 求的设备需指明帧传输时间，a c k 的传输时间( 若使用的话) ，下图给出需回送 a c k 的信道时间的计算。 第1 6 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 f r a m e 蚓羹阱挈e 蚓委阱。尹e 蚓羹蚓塞 l s t a r tt i m ef o rc t ane n dt i m ef o rc t an i 图2 7 带a c k 的信道时间计算 若使用n o a c k ，则直接计算信道时间，帧与帧间隔为m i f s ，但是，为了 留出足够的时间进行接收和发送转换，在传输结束时使用s i f s ，如图2 8 所示。 c t r qt i m eu n i t 卜_ | 叫 至王c d o c f r a m e1 一九 f r a m e2 一 f r a m e3 11 a ( ，)c ， t s t a f ft i m ef o rc t ane n dt i m ef o rc t an t 图2 8 不带a c k 的信道时f - j 计算 m c t a 和c a p 用于请求命令收集，c t a 用于数据传输。c a p 的接入机制类 似w l a n 的接入机制，有很多成熟的方案，因此，我们将调度算法的设计集中 在c t a 上。 2 5 信道时间管理 i e e e8 0 2 1 5 3 的微微网的信道时间管理包括以下两个方面：第一，微微网 内两个或多个d e v 之间的同步数据流的创建、调整和终止；第二，微微网内为 两个或多个d e v 之间异步数据交换进行的异步信道时间预留和终止。依据所支 持的高层应用，一个d e v 可能一个或多个并行数据流；而一个p n c 必须支持多 个并行的数据流。 2 5 1 同步流管理 第1 7 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 流发起设备d e v 和p n c 间使用信道时间情趣和信道时间响应命令组来协商 同步流的创建、调整、结束。发送信道时间请求命令到接收到b e a c o n 中的分配 c t a 的消息之间的时延没有确切的限制。 发起设备请求有与某一目标设备建立同步流的需求时，发起设备向p n c 发 起信道时间请求命令，进行同步流的创建，其参数设置如下： ( 1 ) 标i d 列表域( t a r g e ti dl i s tf i e l d ) ：设置成d e v i d ，即发起设备希望建立 流的目的设备。 ( 2 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设置为唯一的流标识符。 f 3 ) 流请求i d 域( s t r e a mr e q u e s ti df i e l d ) ：在协商过程中从1 到2 5 5 间取一个 唯一的值。 ( 4 ) 优先级域( p r i o r i t yf i e l d ) ：定义为0 b 0 1 1 到0 b 1 1 0 间的某一值。 p n c 一旦接收到发起设备发送的信道时间请求命令，要回送一个信道时间 响应命令。信道时间响应命令参数设置如下： ( 1 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：不同于异步流的唯一的标识符，表示为此 同步流分配了所需的信道时间。 ( 2 ) 可获得的t u 域( a v a i l a b l en u m b e ro f t u sf i e l d ) ：设置的值要求大于等于 t u s 的最小数，小于等于期望t u s 数。 ( 3 ) 原因码域( r e a s o nc o d ef i e l d ) ：设为“s u c c e s s ”。 p n c 可能在接收到信道时间响应的a c k 前更新b e a c o n 的同步流分配c t a 信息。p n c 使用b e a c o n 信息公布机制，通过c t a 状态i e ( c t as t a t u si e ) 公布所 有伪随机静态c t a 和子速率c t a 的分配等消息。 当请求的信道时间不可获得或者p n c 不支持请求命令时，p n c 回送的信道 时间响应命令参数如下： ( 1 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设为未分配的流值。 ( 2 ) 可获得的t u 域( a v a i l a b l en u m b e ro f t u sf i e l d ) ：设为p n c 可获得的信 道时间值。 ( 3 ) 原因码域( r e a s o nc o d ef i e l d ) ：设为“p r i o r i t yu n s u p p o r t e d ”、“c h a n n e lt i m e u n a v a i l a b l e ”、“u n a b l et oa l l o c a t ep s e u d o s t a t i cc t a ”等值。 发送请求的设备接收到此类信道时间响应命令后，它或者重新发送源信道时 间请求命令或者对使用新的参数对信道时间请求进行调整后再发送。 若目标d e v i d 不是p i c o n e t 成员，p n c 回送信道时间响应参数设置如下： ( 1 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设为未分配的流值。 ( 2 ) 可获得的t u 域( a v a i l a b l en u m b e ro f t u sf i e l d ) ：设为0 。 ( 3 ) 原因码域( r e a s o nc o d ef i e l d ) ：设为“t a r g e td e v n o tam e m b e r ”、“t a r g e t 第1 8 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 d e vu n a s s o c i a t e d ”等值。 对于已经建立的同步流，只有发起设备和p n c 有权进行修改。流发起设备 要调整分配的信道时间，发送信道时间请求命令的参数设置如下： ( 1 ) 目标i d 列表域( t a r g e ti dl i s tf i e l d ) ：设置成d e v i d ，即发起设备希望 建立流的目的设备。 ( 2 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设置为0 。 ( 3 ) 流请求i d 域( s t r e a mr e q u e s ti df i e l d ) ：设置需要进行调整的流的标识符。 ( 4 ) c t a 类型域( c t at y p ef i e l d ) ：不变。 p n c 一旦接收到此信道时间请求命令，察看是否可以满足所请求的资源。 若所剩的可用信道时间不能满足请求，p n c 操作过程如下： ( 1 ) 设置可获得的t u 数等于先前分配的t u 数，发送信道时间响应命令； ( 2 ) 流请求i d 域设置成0 ； ( 3 ) 原因码域设为“c h a n n e lt i m eu n a v a i l a b l e ”； ( 4 ) 等待请求设备回送的i m m a c k 命令； ( 5 ) 不为请求的设备调整现存的b e a c o nc t a 块。 若所剩的可用信道时间可以满足请求，p n c 操作过程如下 ( 1 ) 预留所请求的信道时间； ( 2 ) 设置可获得的t u 数大于等于先前的可获得的t u 数，并且小于等于理 想的t u 数； ( 3 ) 流请求i d 域设置成0 ； ( 4 ) 原因码域设为“s u c c e s s ”； ( 5 ) 等待请求设备回送的a c k 命令； ( 6 ) 重新设置b e a c o n 的c t a 块。 ，对于已经建立的同步流，只有发起设备和p n c 有权结束它。流发起设备或 流目的设备要结束已分配的流分配，发送信道时间请求命令的参数设置如下： ( 1 ) 标i d 列表域( t a r g e ti dl i s tf i e l d ) ：设置成发起设备建立的流的目的设备 i d 号。 ( 2 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设置为现存的流表示符。 ( 3 ) 所有其他域设置为0 。 p n c 一旦接收到结束流的信道时间请求命令后，回送i m m a c k 进行响应。 如果是源端设备发送流结束请求的情况，p n c 以空c t a 块通告目的设备。 此空的c t a 块至少在b e a c o n 中连续出现m m i n b e a c o n l n f o r e p e a t 次。空c t a 设 第1 9 页 北京邮电大学硕士研究生论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 置流标识符、源i d 、目的i d 为适当的值，c t a 位置和长度设为0 ； 如果是目的设备发送流结束请求的情况，p n c 通过信道时间响应命令通告 源设备； 如果是p n c 结束流的情况，p n c 通过信道时间响应命令通告源设备并且以 空c t a 块通告目的设备，空的c t a 块至少在b e a c o n 中连续出现 m m i n b e a c o n l n f o r ep e a t 次。 2 5 2 异步流信道时间的预留与结束 异步流信道时间预留的两种方法： 一一请求具有多个目的设备d e v 的单个c t a ，组异步c t r q ； 一一每个目的设备请求一个c t a ，单个异步c t r q 。 设备每次只得使用一种方法进行异步信道时间请求。设备不会发送要求两种 异步信道分配方法的信道时间请求命令，p n c 拒绝任何要求两种异步信道分配 方法的信道时间请求命令。 设备请求异步数据信道时间请求时，发送的信道时间请求命令的参数设置如 下： ( 1 ) 目的i d 列表包含：1 一个包括所有设备的目的i d 列表( 组异步c t r q ) ； ( 2 ) 一个目的i d 列表( 单个异步c t r q ) ； ( 3 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设置为0 ； ( 4 ) 优先级域( p r i o r i t yf i e l d ) ：定义为0 b 0 0 0 到0 b 0 0 1 问的某一值； ( 5 ) d s p s 集合标识、p mc t r q 类型、c t a 类型、c t a 速率类型设置为0 ， 接收时忽略。 p n c 一旦接收次信道时间请求命令，回送i m m a c k 给发端设备。若可用信 道时间可以满足此类请求，p n c 设置相应的b e a c o n 参数，广播分配结果。 组异步流分配情况，p n c 在b e a c o n 中添加多个c t a 块，每个块需有异步流 标识、起始时间、长度、相同的源设备i d 和不同的目的设备i d 号。 单异步流分配情况，如果任何一个设备处于节能模式，p n c 在设备醒来的 超帧为设备分配c t a 。 发送信道时间请求的时间与接收到分配响应的时间延迟并没有在标准中明 确的进行规定。若设备等待响应的计时器超时而分配消息未至，发送原因码置为 “t xt i m e o u t ”的m a c a s y n c d a t a c o n f i r m 消息命令。 当p n c 分配一个异步c t a 时，它减少为分配t u 的值直到可分配t u 的值 为0 ，p n c 不再分配c t a ，并且丢弃c t r q b 。 第2 0 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 若信道时间分配请求被拒，则p n c 发送信道时间响应命令指明被拒的原因。 但是，若由于资源暂时不可用，异步信道时间请求进行排队，未立即得到分配的 信道时间，此种情况不属于被拒范围。 异步流信道时间的结束前提：只有p n c 和发起设备有权发送异步信道时间 结束命令。发起设备结束异步信道时间的情况，发送给p n c 的信道时间请求命 令参数如下： ( 1 ) 目标i d 列表域( t a r g e ti dl i s tf i e l d ) ：设置成发起设备建立的异步流的目 的设备i d 号。 ( 2 ) 流标识域( s t r e a mi n d e xf i e l d ) ：设置为异步流标识。 ( 3 ) 其它域设置为0 。 p n c 一旦接收到源端设备发起的结束信道时间的信道时间请求命令后，回送 i m m a c k 并结束信道时间。 2 6 设备之间的通信 为了处理来自于m a c 子层之上各层的大数据帧，该标准支持这些数据帧的 分解和分解的处理。分解数据帧可以通过减小帧的大小来改善连接的误帧率。分 解了的帧具有一个适用于上层帧的数字序列和适用于该帧本身的数字序列来标 号。数据l 帧被分解成的个数被发送出去使得接收d e v 可以分配正确数目的内部 存储器来存储注入的帧。 源d e v 进行帧的验证需使用a c k 。8 0 2 1 5 3 标准提供三种a c k 适用于不 同的应用软件。1 1 0 a c k 适用于无需确保传输的帧，其中重发的帧到达的很晚或 由上层协议来处理a c k 和重发协议。i m m a c k 过程适用于帧接收之后，每一 帧独立被应答认可。d l y a c k 用于源发送多重帧而不影响a c k s 。如果源d e v 需要，独立帧的a c k s 组成惟一的一个应答帧被发送。d l y a c k 过程可降低 i m m a c k 过程的开销，同时允许源d e v 验证帧的传输。 如果源d e v 没有收到a c k 应答，它将重发或舍弃该帧。重发或舍弃取决 于发送的数据类型和命令，源d e v 发送帧的次数，发送帧所用的时问长短，或 其他依赖的因素。 第2 l 页 北京邮电大学硕士研究生论文 高速无线个域网m a c 层协议的研究 图2 9n o a c k 帧格式 图2 1 0i m m a c k 帧格式 图2 11d l y - a c k 帧格式 r f ：b y t e s ：4 ： 22ili1 0 咿d u l d m p d u m p d u i dm a xm a xm a c f c s i d b i o e k - n a e k e df r a m e sb u r s th e a d e r b l o c k 1 图2 1 2d i y - - a c k 帧格式 i e e e8 0 2 1 5 3 标准的m a c 层定义了3 种类型的a c k 策略，分别是n o a c k ， i m m a c k 和d l y a c k 。当使用n o a c k 策略时，目的d e v 不用发送a c k 来 确认数据帧已被正确的接收。两个成功传送的帧之间相隔m i f s 时间。n o a c k 策略适用于传输的数据不需要可靠保证的情况。而对于i m m a c k 策略，目的 d e v 接收到每个数据帧后，都会发送一个a c k 给源d e v 以确认数据帧被正确 接收。在采用不同的a c k 策略时，他们的工作示意图分别如图2 9 ，2 1 0 ，2 11 和2 1 2 所示。 2 7 对等体发现 第2 2 页 北京邮电大学硕士研究生论文高速无线个域网m a c 层协议的研究 p i c o n e t 的成员设备可以使用p n c 信息请求命令( p n ci n f o r m a t i o nr e q u e s t c o m m a n d ) 来获取p i c o n e t 中其它设备的信息。此外，设备可以使用探测请求命 令( p r o b er e q u e s tc o m m a n d ) 来获取端到端通信所必备的信息。p n c 使用远端 搜索过程来判断信道状态。所有设备均可通过信道状态请求( c h a n n e ls t a t u s r e q u e s t ) 和信道状态响应( c h a n n e ls t a t u sr e s p o n s e )