（通信与信息系统专业论文）超宽带mac层实现方法的研究.pdf

摘要 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术以高传输速率、高分辨率和低功耗等优点日益受到人们的 青睐，成为无线通信领域研究的热点；围绕超宽带标准的讨论也一直在进行。在i e e e8 0 2 1 5 3 aq - 作组解散之后，w i m e d i a 在原有的多带o f d m ( m b o a ) 阵营的超宽带标准基础上，提出了 e c m a 3 6 8 3 6 9 标准。 本学位论文着重研究了多带超宽带的m a c 层实现方式，以e c m a 一3 6 8 标准中所规定的m a c 层为基 础，建立数学模型，并对其性能进行了分析，实现了计算机仿真系统，得到了仿真系统的性能，并 提出了改进方案。 本文的前两章介绍了u w b 技术的背景知识，以及多带超宽带m a c 层所涉及到的基本机制。第三 章详细研究了e c m a 3 6 8 标准m a c 层的细节。e c m a 3 6 8 标准的m a c 层是一个全分布式的结构，系 统时间被划分为固定长度的超帧( s u p e r f r a m e ) ，每个设备发送自己信标( b e a c o n ) ，并通过监听其他设 备发送的信标与邻居进行协调，以竞争接入或者预留接入的方式共享信道。在竞争接入方式中，该 标准为了提供满足0 0 s 要求的服务，采取了区分优先级的竞争接入方式( p r i o f i f i z e dc o n t e n t i o na g x e s s p c a ) 方式，不同优先级的数据流在发送之前，需要等待不同的时间，并且竞争到信道后可以连续传 输t x o p ( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ) 的时间。 第四章利用二维马尔科夫链的数学模型对e c m a 3 6 8 标准中定义的竞争接入进行了性能分析， 首先使用已有模型分析只有单一优先级节点存在情况下的系统吞吐量，然后，在此基础上，对两种 优先级节点并存的情况进行了推导，提出了退避阻塞状态的存在，并分析了该状态的存在对系统的 影响。 第五章首先提出了仿真系统的实现方案，并重点介绍了搭建仿真系统时一些重要模块和关键细 节的实现方法。接着通过仿真程序对e c m a 3 6 8 标准的m a c 层性能进行了仿真，主要研究了各种情 况下系统所能达到的吞吐量，然后结合仿真对第四章的数学推导进行了验证，并且指出，在不同优 先级并存且系统饱和的状态下，第一优先级的数据传输所能提供的吞吐量并不理想。最后，本章提 出了一种动态改变第一优先级的t x o p 的方案，并对其结果进行了仿真验证，指出这种方案可以较好 地保证不同优先级的吞吐量。 第六章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 关键字；超宽带，m a c ，p c a ，e c m a 3 6 8 3 6 9 ，吞吐量 a b s t r a c t t h eu r r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sr e c e i v e d s i g n i f i c a n t i n t e r e s t sf o rf u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g l 】t r a n s i m i s s i o nd a t ar a t e ，h i g hr e s o l u t i o n , a n dl o w p o w e r t h ed i s c u s s i o no v e ru w b s t a n d a r dh a sb e e ng o i n go n a f t e rt h ei e e e8 0 2 1 5 3 aw o r kg r o u ph a d d i s b a n d e d ，w i m e d i ap r o p o s e dt h ee c m a - 3 6 8 3 6 9s t a n d a r d sw h i c he v o l v e df r o mu w bs t a n d a r d so f m u l t i - b a n do f d ma l l i e n c e ( m b o a ) t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o n so f t h em a c l a y e ro f m b - u w b b a s e do nt h em a cl a y e r p r o t o c o lg i v e nb ye c m a 一3 6 8 3 6 9s t a n d a r d s 卸a n a l y t i c a lm o d e li sb u i l tt oc o m p u t et h ep e r f o r m a n c eo f t h i sm a c l a y e rp r o t o c o la n das i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l tt oo b t a i nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ef i r s tt w oc h a p t e r s 舀v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eu w bt e c h n o l o g ya n ds o m ef u n d m e n t a l m e c h a n i s m si n v o l v e di nm b - u w bm a cl a y e r c h a p t e rl l ic a s t ss t u d y o nt h ed e t a i l so fm a cl a y e r p r o t o c o lo fe c m a 3 6 8s t a n d a r d s t h i si sa d i s t r i b u t e dm a c p r o t o c o l ，w h i c ha l ln o d e ss e n dt h e i ro w n b e a c o nf r a m e s t h et r a n s m i s s i o nt i m ei sd e v i d e db ys u p e r f r a m e sw i t hf i x e dl e n g t h e v e r yn o d ea c c e s st h e c h a n n e le i t h e rb yc o n t e n t i o nm o d e lo rb ，r e s e r v e dm o d e t h es t a n d a r d sp r o v i d eap o r i t i z e dc o n t e n t i o n a c c e s s ( p c a ) p o l i c yt om e e tt h eq u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h i sp c ap o l i c y , n o d e so f d e f f e r e n tp r i o r i t i e sw a i tf o rd i f f e r e n tt i m e sb e f o r ea c c e s s i n gt h ec h a n n e l ，a n do n en o d ec a nt r a n s m i ts e v e r a l f r a m e sc o n t i n u o u s l y 、v j t l li nat r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ( t x o p ) t i m el i m i to n c eo c c u p yt h ec h a n n e l i nc h a p t e ri v ，at w od i m e n s i o nm a r k o vc h a i nm o d e li su s e dt oc o m p u t et h et h r o u g i lp u to f t h ep c a p o l i c y a tf i r s t , t h r o u g hp u tu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ta l ln o d e sb e l o n gt ot h es a m o 两o r i t yi sa n a l y s i s e d t h e n ，b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k , t h r o u g hp u tu n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tn o d e sb e l o n gt od e f f e r e n tp r i o r i t i e s i se v a l u a t e d ，a n das t a t en a m e db a c k o f f h o l d i n gi sp r o p o s e d c h a p t e rvp r o v i d e ss o m ed e t a i l so ft h es i m u l a t i o ns y s t e mo fe c m a 一3 6 8m a cl a y e r ，t h e ni tg i v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r o u g hp u ta c h i e v e du n d e rs e v e r a ld i f f e r e n tc o n d i t i o n s ac o m p u t a t i o nb e t w e e n t h en u m e r i c a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw a sm a d e ，a n di tp o i n t so u tt h a tt h et h r o u g hp u to f f e r e db yt h e f i r s tp r i o r i t yi sf a rf r o mb e i n gs a t i s f i e du n d e rs a t u r a t e dt r a f f i cc o n d i t i o nap o l i c yt oc h a n g et h et x o pt i m e l i m i to f t h ef i r s tp r i o r i t yd y n a m i c a l l yi sp r o p o s e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l to f t h i sp o l i c yi sg i v e n ，w h i c h s h o w st h a t t h i sn e wp o l i c yc a ng u a r a n t e et h et h r o u g hp u to fa l lt r a n s m i s s i o np r i o r i t i e se f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：u w b ，m a c ，p c a ，e c m a 3 6 8 1 3 6 9 ，t h t o u g hp u t l l 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。 躲蜱慨一 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。 魏蜱新妣! 孥趾吼掣 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在过去的几年中，超宽带( u l t r a w i d e b a n d u w b ) 传输技术逐渐成为一个新的研究热点。它解 决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，引导了无线通信的一场革命。由于 u w b 技术具有高传输速率( 理论值超过l g b p s ) 、大系统容量、对信道衰落不敏感、发射信号功率 谱密度低，截获概率低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，从无线个域网( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 到无线a dh o c 网络，u w b 系统都被认为是发展前景非常广阔的系 统。到目前为止，随着u w b 技术日趋成熟，基于u w b 的网络技术已成为u w b 领域研究的重要组 成部分。 1 2 超宽带的概念 u w b 技术起源于2 0 世纪6 0 年代对时域电磁学的研究，早期u w b 技术主要应用于军事雷达和 低截获率低侦测率的通信系统。近年来，u w b 技术开始应用于民用无线通信领域，并有了较大的 发展和变化。 u w b 技术的基本特点是以共享方式使用极宽( 数g h z ) 的频谱，提供很高的数据速率。为了不 影响在其频谱范围内的其它通信系统，u w b 系统的发射功率受到严格的限制。2 0 0 2 年4 月，美国 联邦通信委员会( f c c ) 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步规定。根据f c c 的规定，室 内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z 并在这一范围内，有效各向同性发射功率 ( e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r , e i r p ) 不超过- 4 1 3 d b m m h z 。 本文将采用这个u w b 的频谱限制定义。按此定义，u w b 信号的带宽是指限制在。名、五之间 的部分，其中厶、五是比最高辐射功率点低1 0 d b 的高端频率点和低端频率点，中心频率 五= ( 厶+ 五) 2 。包括天线在内的系统，如果1 0 d b 带宽大于等于5 0 0 m h z ，或其相对带宽大于等 于0 2 ，就可以称为u w b 系统。这里相对带宽定义为：，= ( 厶- a ) l y c 。在f c c 制定的规范中， 超宽带技术在短距离( 小于1 0 m ) 和低发射功率( 平均e i r p 为- 4 1 3 d b m m h z ) 时有高达l g b d s 以 上1 3 0 i 的巨大的容量潜力。 在物理层方面，超宽带可以通过脉冲方式鲫和多带正交频分复用( m b - o f d m ) 的方式2 8 卿】 实现。在脉冲u w b 系统中，信息通过持续时间极短的脉冲来传输，脉冲的宽度一般是纳秒级的， 而在m b o f d m 系统中，则使用调频和o f d m 相结合的方式来传递信息。这两种实现方式在多径传 输环境下各有利弊。脉冲方式的超宽带发射机结构简单，并且窄脉冲可以提供丰富的多径分量，使 1 东南大学硕士学位论文 收机可以有效获得多径分极：多带超宽带的优势在于极强的抗窄带噪声的能力和较高的频谱利用率 但是脉冲超宽带在通信过程中需要较长的信道捕获时间并且在信号处理过程中需要非常高速的模 数转换器；多带超宽带的劣势则是需要比较复杂的发送端和接收端。 除了提供视频音频这样的传统多媒体数据业务的传输u w b 还在其它许多方面有着广泛的应 用，如自动控制、医疗检测、家庭网络、游戏、车载雷达系统等等。图1 1 是一个典型的u w b 网络， 它提供了各个移动节点之问端到端的连接，同时通过接入点( a c c e s sp o i n t , a p ) 和网关，各个移动 节点和i n t e m e t 的主干网相连，每个节点既可能是终端也可能是中继设备，有些节点可能需要通过多 跳的方式连接到i n t e m e t 。 图1 1 典型的u w b 网络 1 3 本文完成的研究内容和章节安排 本文的主要任务是研究多带超宽带的媒体接入控制( m e d i a a c c e s sc o n h - o l ，m a c ) 层方案，并以 高速u w b 国际标准e c m a - 3 6 8 3 6 9 为基础，搭建计算机实验仿真系统，进行性能仿真分析和研究。 本文共分七章各章的主要内容如下： 第一章绪论。简要介绍了超宽带技术及其潜在的应用。 第二章多带超宽带的m a c 层。本章主要介绍了无线m a c 层的基本功能和基本概念，并简要 地介绍了在目前使用的多种无线m a c 方案中应用的重要机制，概述了i e e e 8 0 2 1 5 3 和e c m a 3 6 8 标准中定义的m a c 层。并比较了两个标准的差异 第三章e c m a 协议研究。本章主要对e c m a - 3 6 8 标准进行了深入的研究，阐述了分布式m a c 层的工作原理，并详细介绍了标准中规定的帧结构以及3 种信道接入方式，即信标接入、竞争接入 和预留接入 第四章p c a 接入机制的性能分析。本章利用二维马尔科夫链的数学模型对e c m a 3 6 8 标准中 定义的竞争接入进行了性能分析，首先使用已有模型分析只有单一优先级节点存在情况下的系统吞 吐量然后在此基础上，对两种优先级节点并存的情况进行了推导，提出了退避阻塞状态的存在， 2 第一章绪论 并分析了该状态的存在对系统的影响。 第五章仿真系统与结果分析。本章首先提出了仿真系统的实现方案，并重点介绍了搭建仿真系 统时一些重要模块和关键细节的实现方法。接着通过仿真程序对e c m a 3 6 8 标准的m a c 层性能进 行了仿真主要研究了各种情况下系统所能达到的吞吐量，然后结合仿真对第四章的数学推导进行 了验证，并且指出，在不同优先级并存且系统饱和的状态下，第一优先级的数据传输所能提供的吞 吐量并不理想。最后，本章提出了一种动态改变第一优先级的t x o p 的方案，并对其结果进行了仿 真验证，指出这种方案可以较好地保证不同优先级的吞吐量。 第六章总结与展望。本章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 第二章多带超宽带的m a c 层 第二章多带超宽带的m a c 层研究 2 1m a c 层的基本功能 m a c 模块的基本功能就是让多个用户共享同一媒介资源。对资源和接入策略的定义主要取决于 传输技术和接入技术。m a c 层将信息比特流打包成服务数据单元( m a cs e r v i c e d a t a u n i t , m s d u ) ， 再进行适当变化后发送。 从数据的层间结构来看，m a c 层是位于数据链路控制( d a ml i n kc o n t r o l 。d l c ) 层的底部，它 为d l c 层提供一个数据传输通道，解决接入媒体的数据冲突问题。由于物理层对于m a c 层来说仅 仅是提供了适合于信道传输的信号形式，因此采用何种传输技术对于m a c 层的设计不会有直接影 响。但是，由于两层之间有直接的相互关系，所以物理层的性能会影响m a c 层的效率。因此，层 间优化必然成为无线通信系统中一个比较重要的问题。 从广义上说，无线网络中节点的通信都是通过交换数据包，或者说是分组( p a c k e t ) ，或者说帧， 来实现的。由于无线媒体是一种广播媒体，当多个节点同时使用时便会出现冲突与相互干扰，造成 分组错误，使得通信无法进行下去或效率低下，因此，要使无线网络中的节点高效地利用无线媒体 进行通信，控制与协调节点对无线媒体的使用就成为至关重要的一个环节，这正是媒体接入控制协 议所要解决的主要问题，它通过规定一系列接入规则，让网络中的所有节点有序、高效、公平地共 享使用无线媒体i ”脾1 ；它还控制着对物理层的访问，为上层协议提供可靠的无线连接。 2 2 无线m a c 层 目前存在的无线m a c 层协议可以分成两个大类：中心控制式的m a c 层协议和分布式控制的 m a c 层协议口“。在中心控制式的m a c 层协议中，会有一个中心控制节点来进行无线资源的划分， 并告知各个节点资源划分的细节，使整个网络得以高效地进行通信。而分布式的m a c 层协议则主 要由随机接入的协议组成，a l o h a 协议和时隙a l o h a 协议是最早的随机接入协议，后来人们发 现在节点传输前先监测信道是否空闲如果信道忙就延迟发送的方法可班明显减轻碰撞对a l o h a 的影响，于是这种概念导致了载波监昕多址接入( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s ，c s m a ) 协议的产生。 另外，为了解决隐藏终端和暴露终端的问题，在多址接入中又提出了请求发送，清除发送 ( r e q u e s t - t o - s e n d c l e a r - t o - s e n d ，r t s c t s ) 机制。还有i e e e8 0 2 1 1 中的分布式工作方式( d i s t r i b m e d c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，d c f ) 和无线局域网的多址接入冲突预防( m u l t i p l e a c c 船s c o l l i s i o n a v o i d a n c e f o r w i r e l e s sl a n s ，m a c a w ) 协议。所有这些协议都是基于单信道的，竞争中不可避免会发生碰撞， 于是我们可以通过使用退避或坚持机制来解决碰撞问题。在退避机制中，每个节点在传输前从竞争 窗( c o n t e n t i o nw i n d o w , c w ) 中随机选取一个值作为退避值，而坚持机制贝是每个节点在检测至0 信 道空闲后以一个恒定的概率接入信道。 下面具体介绍一下上面提到的几个关键概念。 5 东南大学硕士学位论文 2 3 隐式终端和显式终端 在无线a d h o c 网络中，存在隐式终端( h i d d e n t e r m i n a l ) 和显式终端( e x p o s e d t e r m i n a d 问题。 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。如图2 1 所示，节点a 、b 、c ，a 向b 发 送，c 收不到a 的信号，但b 能收到c 的信号，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。 图2 1 隐式终端问题，c 是a 的隐式终端 如图2 2 所示，节点a 、b 、c 、d ，b 向a 发送，c 可以收到b 的信号，且c 发送信号时不影 响a 的接收，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。 图2 2 显式终端问题，c 是a 的显式终端 参考文献【l 】中对隐式终端和显式终端( 文中为暴露终端) 进行了详细的描述，区分出了隐发送 终端、隐接收终端、显式发送终端和显式接收终端4 种具体的情况。 总结上述情况，可以得出结论：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) 。显然，多 跳网络中，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，就可能产生错误的判 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，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。 6 第二章多带超宽带的m a c 层 2 4 a l o h a 协议 最简单的信道接入协议是a l o h a 协议【1 q ，它可分为纯a l o h a 协议和时隙a l o h a 协议在 纯a l o h a 系统中任一节点有数据要发送，就以定长数据包的形式发送进信道，这是一种纯随机 地抢占信道的方式。若有两个以上的数据包同时发送入信道便会发生碰撞，发生碰撞后，节点等待 一个随机的时间，然后重发。纯a l o h a 的吞吐量比较低。为了提高吞吐量，时隙a l o h a 将时间 划分为等长的时间片，同时规定，数据包只能在时间片开始时才能发送时隙a l o h a 用同步的代 价换取了吞吐量的提高。a l o h a 协议特别适合于传播时延比较大的网络环境，如卫星通信。当信 道负载大的时候，a l o h a 协议下同时传输的数据会发生严重的碰撞 2 5 c s m a 协议 载波侦听多路访问( c a r t i e rs e n s em u l 卸l e ，a c c e s s c s m a ) 协议【j l l 是对a l o h a 协议的改进。 c s m a 协议中节点采用载波侦听的方法来检测信道上是否有发送信号以判断信道的忙闲状态，各 节点只能在信道空闲的时候发送数据包。载波检测有两种类型：1 ) 坚持检测，即节点坚持连续检测 信道一旦发现信道空闲且需要发送便可向信道发送数据包；2 ) 非坚持检测方式，即节点检测到信 道忙后，便等待一段时间后再检测。盲到信道被检测为空闲才发送数据包。采用这种方式可以避免 因同时发送而引起的碰撞，但是却不能解决显式终端和隐式终端的问题因为如果有一个隐式终端 存在，则没有检测到载波并不意味着可以传输数据；当有显式终端存在时，检测到载波也并不意 味着不可以传输数据 2 6 基于r t s c t s 机制的协议 早期基于r t s c t s 机制的协议主要有多址接入冲突避免( m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ，m a c a ) 协议、m a c a w 协议和i e e e8 0 2 1 1m a c 协议 m a c a 协议受到了c s m a c a 的启发，但是它没有采用载波侦听在开始传输数据之前发送 者和接收者通过交换控制信息来获得信道的接入。如图2 , 3 所示，发送者首先发送r t s 消息给接收 者，接收者收到r t s 消息后，返回c t s 消息。当发送者收到c t s 消息时，发送数据包。r t s 消息 和c t s 消息中都包含了发送者要发送的数据包的大小的信息，侦听到r t s 消息的其它发送者会根据 这些信息估算出要等待的时间，这样它们就可以推迟发送直到原发送者成功收到c t s 消息。同样地， 侦听到c t s 消息的其它发送者也将推迟它们的发送，以确保随后的数据包的成功接收。 m a c a 协议下的网络中的节点在听到r t s c t s 消息后会等待不同长的时间再发送数据，这可以 将c s m a 协议中讨论的几个节点在瞬间同时接入信道的机率降到最小。而且它可以解决下述情况中 的隐式终端和显式终端问题。如图2 1 所示，当a 发送r t s 消息给b 时，虽然由于c ( 隐式终端) 不在a 的传输半径内，它没有听到r t s 消息，但是它可以侦听到b 发给a 的c t s 消息，这样它就 知道a 和b 正在传输数据，就会推迟给b 发送数据，避免在b 周围发生碰撞如图2 2 所示，当b 发送r t s 消息给a 时，c ( 显式终端) 在b 的传输范围内，所以它知道b 要发送数据给a ，但是因 1 东南大学硕士学位论文 为它不在a 的传输半径内，所以它侦听不到a 发给b 的c t s 消息，它认为a 和b 之间的传输不存 在，仍然发送它的数据，而单纯的c s m a 协议在这时就会禁止c 发送数据，造成信道资源的浪费。 由于m a c a 协议的控制消息会发生碰撞，所以它不能解决所有的显式终端和隐式终端的问题，但是 在某些情况下使用m a c a 协议的无线网络性能会高于使用c s m a 协议的无线网络性能1 6 j 。m a c a 协议的缺点除了不能完全排除显式终端和隐式终端外，还有它没有链路级的确认，如果数据发送失 败，将由物理层发起重传的初始化操作，增加数据传输的时延。 收到c t s 后发送数据 图2 3m a c a 协议操作图示 m a c a w 协议是对m a c a 的扩展。从上述描述可知，m a c a 需要3 次握手“r t s - c t s d a t a ”， m a c a w 在此基础上增加了链路级的确认消息a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 。基本操作过程和m a c a 相似，不同的地方在于当接收者成功接收到数据包后就发回a c k 消息进行确认。如果发送者没有 收到a c k 消息，它就向接收者重发r t s 消息，当接收者收到来自它刚刚发回a c k 消息的发送者的 r t s 消息后，它不是发送c t s 消息而是发送a c k 消息再次确认。如果发送者此时既没有收到c t s 消息也没有收到a c k 消息，就重新开始上述过程。另外，在真正发送数据前发送者发送d s ( d a t a s e n d i n g ) 消息通知发送者的邻节点：已经完成了一个r t s - c t $ 对话，接下来要发送数据了。听到 这个消息的节点会推迟它的传输，直到发送者成功发送完它的数据包并收到接收者发来的a c k 消 息。 m a c a w 协议细化了m a c a 协议的很多地方。在m a c a 协议中，是由物理层判断数据包是否 丢失或者发生碰撞，这将造成很大的延迟。如果在链路层增加确认消息，收发双方会很快发现数据 包的传输情况，之所以要增加d s 消息是为了解决下面的问题。 假设在图2 1 中，b 正在给a 发送数据。此时c 无论给a 还是b 发送r t s 消息，这个r t s 都 无法被正确接收，会发生碰撞。如果此时c 要给b 发送致据，则b 无法收到a 发送的的确认消息， 也会发生碰撞。增加了d s 消息，c 就不会试图给a 或b 发送r t s 消息，也不会给b 发送数据，上 述情况中的冲突就可以避免了。由于m a c a w 协议增加了a c k 消息和d s 消息，网络的吞吐量下 降了，但是它优异的抗冲突的性能可以弥补这个开销。 2 7 超宽带m a c 层协议 无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 和无线个域网( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k 。 w p a n ) 是对目前无线接入系统的补充，近年来得到了迅速的发展。w l a n 可以使网络用户摆脱网 线的束缚，在企业、家庭、酒店、机场等热点地区向终端用户提供高速数据传输：w p a n 能在便携 8 第二章多带超宽带的m a c 层 式消费者电器和通信设备之间进行短距离高速通信，覆盖范围比w l a n 小，一般在1 0m 半径以内。 而超宽带技术则被认为是实现w p a n 的最佳实现方案1 2 2 1 2 ”。到目前为止，对u w b 系统的大部分研 究与开发都是致力于物理层的传输问题，链路层上的媒体接入控制的研究仍然是开始阶段，但是它 扮演的重要角色已经开始被人们认识l ”i 。 围绕u w b 的标准之争从一开始就非常激烈。曾经有二十几个标准参与竞争，最后胜出的仅有两 个。它们是i e e e8 0 2 1 5 3 m a c l l o i i ”i i 。2 1 和m b o a ( m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e ) m a c 。在0 5 年末i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组宣布解散，而由w i m e d i a 支持的m b o a 标准则演化成e c m a 3 6 8 e c m a 3 6 9 标准 1 1 4 l | 1 ”，并成为国际标准。在这里我们先简要介绍一下这两个标准。 2 7 1i e e e8 0 2 1 5 3m a c i e e e8 0 2 1 5 3 1 1 0 1 中所描述的w p a n 的网络结构如图2 4 所示。整个m a c 层有如下特点 匹克网( p i c o n e t ) 由匹克网协调器( p i c o n e t c o o r d i n a t o r , p n c ) 控制 每个运行该协议的节点都应该有能力成为p n c 动态拓扑结构 点对点的通信 图2 4 w p a n 的网络结构 当具有p n c 作用的8 0 2 1 5 3 设备( d e v ) 开始信标( b e a c o n ) 传输时，便形成了一个匹克网， 因而，即使没有相连的d e v ，也认为发送信标的p n c 是个匹克网。p n c 的首要功能就是发送关 于匹克网正确信息的信标。 为了开始建立匹克网，具有p n c 作用的d e v 需扫描信道，找出一个未被使用的信道。如果它 找到一个空闲信道，并能确保在一段时间内它仍然是空闲的，那么d e v 就发送信标开始匹克网的建 立；若没有信道可用，d e v 可尝试开始建立子匹克网或邻匹克网。然而，当按照8 0 2 1 5 3 里的准则 开始建立一个匹克网的过程时并不一定能保证“最能干的”d e v 会成为p n c 。关联( a s s o c i a t i o n ) 和递交过程一定会保证“最能干的”d e v 最终成为匹克网的p n c 。在这个过程中，会消耗一定的时 间。当匹克网建立好了以后，整个网络就可以进行通信。 8 0 2 】5 3 的m a c 层之间的通信，在逻辑上以超帧( s u p e r f r a m e ) 划分，超帧的结构如图2 5 所 示。超帧由3 部分组成： 9 东南大学硕士学位论文 信标，为整个网络提供时间参考，传输控制信息和整个超帧的信道时间分配信息： 竞争接入期，用于传输匹克网的协调信息命令帧和非同步数据。使用c s m a c a 机制接入 信道： 无竞争接入期也叫信道时间分配期( c h a n n e l t i m e a l l o c a t i o n p e r i o d ，c t a p ) 用于传输同步 数据流，各个节点以 r d m a 的方式接入信道。 l s u p e r f r a m e # m l s u p e r f r a m c 执”s u p e r f m m e # m + 1 b e a c o n c o n t e n t i o nc h a n n e lt i m ea l l o c a t i o np e r i o d a c c c s $ 斧m m c t a lm c t a 2 c t a l c t a 2c t a n 1c t a n p e r i o d ii + 高太可谰的， 短突发数据 信道访问请求 标准清晰度m p e g 2 ：4 5 m b 。高清晰度m p e g 2 ：1 9 2 m b p s m p e g l ：1 5 m b p s d v d ：最高为9 s m b p s c d 音频：】，5 m b p s a c 3 d o l b y 数字：4 4 8 k b p s m p 3 流音频：1 2 8 k b p s 图2 58 0 2 1 5 3 的m a c 层超帧结构 p n c 的作用包括发送信标和分配信道资源。所有其它的设备和p n c 的信标帧同步。信道资源分 配信息的内容也包含在信标中。因为每个匹克网中只允许存在一个p n c ，因此一个超帧中只有一个 信标帧。 虽然在一个匹克网中只允许存在一个p n c ，但是所有的节点都应当具备成为p n c 的能力，这样 才能满足网络拓扑结构动态变化的要求。如果一个p n c 离开了匹克网，或是故障了，那么就会有另 外一个设备成为p n c 。在实际情况中，多个匹克网有可能同时存在并且相邻，所以一个匹克网有可 能在另一个匹克网的射频范围之内，这样互相交叠的匹克网需要融合，或者建立父子匹克网。 从这里，我们可以看出需要用一个p n c 来协调整个网络的通信会带来诸多问题。首先，p n c 将 会成为整个匹克网里面最脆弱的部分，一旦p n c 崩溃，那么整个系统都会受到影响。因此我们必须 使p n c 尽可能地可靠。8 0 2 1 5 3 中规定每个节点都应当具有成为p n c 的能力，但是w p a n 的节点 有可能是p d a ，数码相机等等，让此类设备的网络功能能够像8 0 2 1 l x 系统中接入点一样强大而稳 定无疑会大大地增加成本。另外，设备的移动在w p a n 中很常见，当一个设备移动，并远离原有的 p n c 时就会需要加入别的匹克网或者自己成为p n c ，但这无疑又会影响原有p n c 的通信。如果移 动的是p n c ，那么原有的匹克网可能会因为突然失去p n c 而暂时陷入瘫痪。这些问题对很多w p a n 的潜在应用方式，比如家庭影院系统，音频视频的传输都是不能容忍的。 相比较而言，w i m e d i a 的u w b 标准中定义的m a c 层更适合w p a n 的应用0 2 “。 0 第二章多带超宽带的m a c 层 2 7 2e c m a - 3 6 8 e c m a 一3 6 8 标准所定义的m a c 层是一个全分布式的m a c 层，没有中心节点，因此它不需要 有设备充当p n c 的角色，这就降低了对各个节点的网络功能的要求。这个网络的拓扑结构如图2 6 所示。 图2 6e c m a 3 6 8m a c 层网络拓扑结构 在e c m a - 3 6 8 中，通信时间也以定长的超帧来划分，其组成如图2 7 ，每个超帧也由信标期 ( b e a c o n p e r i o d ) 和数据传输期( d a t a p e r i o d ) 组成。但不同的是每个设备都发送自己的信标。 图2 7e c m a 3 6 8 的m a c 层超帧结构 在传输开始之前，每个设备需要先监听别的设备发出的信标帧，信标里面包含了同步信息、设 备状态信息、休眠信息以及信道资源分配的信息。由于没有中心控制节点，每个设备都需要在信标 期广插自己的信标并侦测其它节点所宣布的信标期的长度，而在数据传输期中，同8 0 2 1 5 3 类似， 协议定义了竞争接入方式和无竞争接入的方式。 e c m a 一3 6 8 标准中所定义的m a c 层是一个全分布式的m a c 层，每一个节点的崩溃都对整个网 络没有任何影响，虽然在信道分配上不能保证最优，但是对设备的移动性提供了很好的支持，并且 在匹克网发生交叠的时候，也可以很快地融合，并且形成一个较大的匹克网，而不需要形成父子匹 东南大学硕士学位论文 克网，这样每个节点需要承载的网络功能就相对简化，因而也就相应地降低了成本。 2 8 本章小结 本章主要介绍了无线m a c 层的基本功能和基本概念，侧重研究了在目前使用的多种无线m a c 方案中应用的重要机制，如c s m a c a 以及r t s c t s ，这些基本的接入机制成为现在主流的无线 m a c 层协议的重要组成部分。之后简要介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 层协议以及e c m a - 3 6 8 的m a c 层协议，它们分别是中心控制式m a c 协议和分布式m a c 层协议的代表。在下一章中，我们将深入 研究e c m a 3 6 8 协议 1 2 第三章e c m a 协议研究 3 1 引言 第三章e c m a 协议研究 e c m a 3 6 8 标准中所规定的m a c 层协议的主要功能包括以下几个方面： 使互相覆盖的节点之间使用同一个物理信道进行通信的机制； 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； 实现信标组中各节点间同步的机制： 处理节点移动和干扰所带来的网络拓扑变化的机制： e c m a 3 6 8 是一个发送方控制的全分布式的协议，由于在这个协议中，没有中心控制节点，各 个节点都要发送信标和检测相邻节点发送的信标，并以此维持相互之间的同步和获取对方状态。其 网络拓扑结构如图3 1 所示： 图3 1 分布式的网络拓扑结构 图3 1 中各个数字所处的圆心位置代表节点的位置，每个圆代表了位于其中心上的节点的覆盖 范围。节点2 的信号可以被节点1 、3 、6 、4 接收，但是不能被节点5 接收。然而这6 个节点仍能互 相同步并且互相知晓彼此的状态，具体机制在后面介绍。 每个设备都有自己的邻域，m a c 协议对个体设备进行说明，并且协议作用于该设备和相邻设备 之间的通信。这个标准使用分布式的访问控制方式，由于通信范围跨