ECMA-368協議MAC層PCA機制研究*

盛 毅 于 奇

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

ECMA-368協議MAC層PCA機制研究*

盛 毅 于 奇

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

ECMA-368標準詳細說明了高速、短距無線網絡的UWB(Ultra Wideband,超寬帶)物理層和媒體訪問控制層,它支持的頻譜范圍從3.1GHz至10.6GHz,支持的最大數據傳輸速率為480Mb/s。文章將對ECMA-368第三版標準中媒體訪問控制層的PCA(優先競爭訪問)協議進行研究,在介紹PCA機制原理的基礎上,概括PCA機制的運行過程,然后提出FPGA實現方案,并編程仿真。

ECM A-368;優先競爭訪問;媒體訪問控制;UWB

Class NumberTN92

1 引言

UWB(Ultra Wideband,超寬帶)通信技術不采用載波,而是采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。這些脈沖的帶寬很大,能達到GHz級,由香農信道容量公式可知,超寬帶的信道容量將比傳統的調制機制大許多,即其可以實現超高速率數據傳輸(可達幾百Mbit/s),而且,其發射功率很小。美國聯邦通信委員會(FCC)定義的超寬帶UWB信號有兩種情況:一是相對帶寬(信號帶寬和中心頻率之比)大于0.2,二是其在傳輸時刻的絕對帶寬大于500MHz的信號[1]。

ECMA-368標準描述了基于多帶正交頻分復用調制(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Modulation,MB-OFDM)的物理層(PHY)和分布式架構的媒體訪問控制層(Media Access Control,MAC)的技術細節。

ECMA-368標準的物理層使用多帶正交頻分復用技術,將3.1GHz～10.6GHz的無線頻譜資源切分成五個頻段組(band group),共含14個寬度為528MHz的子頻帶,每個子頻帶規定了128個子載波(包括100個數據子載波、10個保護子載波、12個導頻、6個空閑)。利用跳頻模式,這些子載波獨立或者協同工作,進一步擴大了網絡覆蓋范圍。物理層支持高達480Mbit/s的數據速率,并包含一個200Mbit/s的強制性子集[2]。ECMA-368 MAC是一種全分布式的MAC協議,每一種設備(或稱節點)都具有MAC定義的各種功能,包括測距、RTS/CTS(Request to send/Clear to send,請求發送/空閑發送)等可選功能,設備間完全依靠相互協作來維持正常工作。

2 ECMA-368的MAC層幀傳輸機制

在ECMA-368標準中,時間被以 65536μ s為單位分成一個個超幀,每個超幀內又以256μ s為單位分成了256份,每一份被稱作一個媒體訪問時隙(MAS)。因此一個超幀含有 256個MAS,每個MAS長度為256μ s,幀的交換就在這些MAS上進行。

表1 業務優先級排序表

總體上,超幀被分成了信標期(Beacon Period,BP)和數據期(Data Period,DP)。其中,信標期專門用于收發信標幀(與設備自身的標識、狀態、功能、請求等相關聯的一組數據),每個超幀都是從BP開始,它們的起始時間稱為BPST(Beacon Period StartTime),是設備間同步的標志;數據期,是緊跟在BP后面的時間,是設備之間傳輸除信標幀之外的其他幀的時間周期[3]。

DP內的MAS類型有分布式預留協議(Distributed Reservation Protoco1,DRP)和優先信道訪問(Prioritized Channel Access,PCA)兩種,分別代表兩種數據通信方式,支持同步或異步的數據通信服務。DRP是設備間以完全分布式的方式進行協商并實現預留帶寬的協議。兩個或者多個在協商成功以后,獨占DP內的某些媒體訪問時隙(Medium Access Slots,MAS),實現時分多址訪問(Time Division Multiple Access,TDMA),進行有服務質量保證的同步數據傳輸。PCA協議是一種區分業務優先級的載波偵聽/沖突避(Carrier Sense MultipleAccess/CollisionA-void,CSMA/CA)協議,其基本思想是:針對由更高層標記的待發送幀的優先級,設備根據不同的競爭參數決定相應的發送概率和退避算法,通過公平競爭訪問媒體。

ECMA-368標準中,將業務按照優先級進行排序,如表1所示[4]。

2.1 PCA機制的相關參數

對于某業務,設備通過設定PCA的相關參數,為其獲取發送時機(TXOP)或者選擇退避。PCA的幾種主要的參數如下:

1)仲裁幀間間隔(AIFS),表明設備在競爭媒體前偵聽信道空閑的等待時間,PCA機制規定設備必須在媒體空閑了AIFS后,才能為某業務類別(AC)獲取TXOP或者開始退避[4]。具體如圖1所示。由圖1可以看出,業務優先級越高AIFS就越小,其等待時間越小,獲取發送時機的機會越大。

圖1 PCA中AIFS間的關系

2)mCWmin[AC]和 mCWmax[AC],設備在某一TFC偏移傳輸中進行AC退避后在[mCWmin,mCWmax]范圍內選擇一個合適的值設置退避窗口CW[AC],并在[0,CW[AC]]平均分布范圍內取一個隨機數作為AC退避計數器的初始值。

3)mTXOPLimit[AC],該參數規定了TXOP的時限,只有幀交換能在 TXOP開始后mTXOPLimit[AC]時間內,并且在PCA信道變得不可用pSIFS(10μ s)加上 mGuardTime(12μ s)時間前完成,設備才會在為AC獲取的 TXOP中開始幀交換。

2.2 獲取和使用TXOP

設備為某AC成功獲取TXOP,需滿足以下條件:1)設備有該AC的數據幀或者命令幀等待發送;2)該AC的回退計數器為0,并且沒有先到的該AC幀未發送;3)媒體已經空閑了AFIS[AC]或者更長時間;4)設備沒有其他更高優先級且有數據等待發送的AC的退避計數器為0。

獲得TXOP的設備成為TXOP擁有者,TX-OP擁有者在獲得的TXOP內以不退避的方式開始或者連續幀交換,需遵循以下條件:1)每一個幀交換都能在所獲得的TXOP內完成;2)幀交換期間,接收設備應當能夠接收和響應。

2.3 退避

設備為每一種AC都維護著一個退避計數器,設備為AC調用退避時將AC退避計數器值設為[0,CW[AC]]平均分布范圍內的一個隨機數。調用退避前退避窗口CW[AC]初始化為mCWmin[AC],AC執行PCA的過程中CW[AC]按下面講述的規則在[mCWmin[AC],mCWmax[AC]]的范圍內調整[5]。

3 基于FPGA的PCA實現方案設計

根據PCA機制的基本原理,所設計的FPGA實現方案把PCA的實現模塊劃分為五個部分,如圖2所示。其中,PCA媒體可用性監測進程的功能是提供當前媒體是否支持PCA,NAV維護進程的功能是為PCA媒體忙閑監測進程提供其所維護的NAV值信息,PCA媒體忙閑監測進程功能是監測當前媒體的忙閑狀態,退避進程功能是維護退避計數器值,PCA處理進程的功能是獲取TXOP和判斷是否需要退避等。具體功能如下所述。

圖2 PCA處理模塊總體框圖

3.1 PCA媒體可用性監測

PCA媒體可用性監測的功能是檢測當前MAS是否可以用于PCA,其狀態轉移圖見圖3所示。若當前的MAS沒有被用作DRP,則其就可以用于PCA。實現的方法是在每個MAS的末尾,檢測下一個MAS是否用于了DRP,若沒有則表明其可以用于PCA,則設置PCA可用性MAS的標志位為1,提供給PCA處理狀態機進程。

3.2 NAV維護

NAV維護的功能是維護NAV(網絡分配矢量)的值,將其值信息提供給PCA忙閑檢測進程。NAV指示了鄰居設備接入信道的等待剩余時間。當設備接到不是發給自己的MAC幀頭時,如果該MAC幀的持續時間值大于設備當前的NAV值,設備將用接收到的持續時間字段值更新它的NAV,并在PLCP(物理層匯聚協議)頭結束后使用該NAV值;若設備在其未釋放的預留塊之外收到的MAC幀頭HCS錯誤時,它將當作幀被正確的接收,只是幀的持續時間字段為0;隨著時間的流逝,設備將一直消減其NAV至0。

3.3 PCA媒體忙閑檢測

PCA媒體忙閑檢測的功能是檢測當前媒體的忙閑情況。當滿足下列條件之一,即可認為媒體狀態為忙[5]:1)CCA檢測結果顯示媒體忙;2)NAV不為0;3)設備正在該媒體上進行發送或者接收幀數據;4)先前所傳送的幀的持續時間還沒耗盡;5)媒體不支持PCA。

3.4 退避

退避的功能是根據退避條件,按照標準規定,選擇退避窗口和退避計數器初值,并對該回退計數器進行維護。

AC退避進程中關鍵的是退避窗口CW[AC]的設置和退避計數器處置的選取。退避計數器初值應為[0,CW[AC]]內的服從均勻分布的隨機值,考慮用線性同余算法實現。首先,利用MATLAB工具,實現[0,CWMax[AC]]的均勻隨機數,并將它們存儲起來;其次,利用Xilinx的ROM IP核生成一個存儲有這些隨機數的ROM表,以備查詢。

線性同余算法的迭代公式為:X[i+1]=(A*X[i]+B)mod C,其中A,B,C為已知的常數,X[0]為一正整數。當C為2的冪時,通常選取A=4*n+1,B=2*m+1,其中 n和 m為正整數,A、B范圍不超過C[6]。

3.5 PCA處理

PCA處理的功能包括了查詢PCA業務、獲取和使用TXOP、退避條件的確定、軟DRP業務的發送功能。其中,軟DRP是一種類似PCA的傳輸機制,其基本思想是允許用戶競爭使用所預留的MAS,但是軟DRP預留塊的所有者擁有最高的優先級。

4 基于ModelSim的PCA編程仿真和分析

以AC0(對應于AC_VO)業務的相關信號定義為例,仿真中定義的部分信號名稱和功能如表2所示,其他業務信號的定義與其類似。下面以軟DRP業務發送和AC_VO、AC_VI業務的處理的 部分仿真結果,說明PCA的設計正確性。

表2 仿真中部分信號定義表

軟DRP業務發送的仿真如圖測試如圖3所示,AC0業務發送的仿真如圖4所示,AC1業務發送的仿真如圖5所示。

由圖3可以看出,當前的MAS是設備的軟DRP MAS(mySoftDrpMasReg[0]為 1)時 ,而且設備有軟DRP業務(softDrpFlag為1)等待發送,則設置軟DRP業務發送請求信號softDrpTxRequest為高啟動軟DRP業務發送;由圖4可以看出,在軟DRP業務發送完成(txDone為 1)后,設備將以PCA的方式(pcaTxRequest為1)發送業務幀,此時AC_VO和AC_VI都有業務等待發送(pcaAc0Flag和pcaAc1Flag均為1),但是AC_VO的優先級要高于AC_VI,因此先為AC_V0獲取TXOP(txopType為100);由圖5可以看出,在 AC_VO發送完成后(txDone為1),由于AC_VO沒有后續幀等待發送,因此AC_VO滿足了退避條件2(bcffAc0ContiodTwo為1),接下來將為低優先級的AC_VI獲取 TXOP(txopType為101),獲取成功后開始發送AC_VI業務幀。

5 結語

由對圖3的仿真結果分析可以看出,該設計可以有效的完成軟DRP業務的發送處理;由圖4的的仿真結果分析可以看出,該設計可以有效的處理AC_VO業務的發送;由圖5的的仿真結果分析可以看出,該設計不僅可以在完成AC_VO業務發送后,有效的處理AC_VI的發送與否,即在完成高優先級業務的發送后,將能夠準確的為較低優先級的業務獲取TXOP,而且,完成AC_VO的發送之后,由于AC_VO沒有業務幀等待發送,其將進入退避狀態,該方案也有效的完成了協議所規定的退避處理要求。綜合以上分析,所設計的FPGA實現方案具備PCA要求的業務競爭發送和沖突避免的基本功能。

在實際應用中還需要對該方案進行完善,主要需要完善的地方有以下兩個方面:1)退避計數器初值的選取,需要高效的產生一定范圍內的隨機值;2)PCA機制很復雜,進行PCA處理時需要搜集很多當前媒體狀態的信息,例如當前媒體能否用于PCA、當前媒體忙閑情況等,這些信息的獲取需要其他ECMA-368標準所規定的其他協議共同提供。

[1]ECMA-368.High RateUltraWideband PHY and MAC Standard(3rdEdition)[S].2008,12

[2]許鵬飛,谷源濤.ECMA-368標準的 MAC協議研究[J].無線通信技術,2009(4)

[3]ECM A-368.High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard(1stEdition)[S].2005,12

[4]陳如明.UWB技術的發展前景及其頻率規劃[J].移動通信,2009(5)

[5]Jiangzhou Wang.高速無線通信-UWB、LTE與 4G[M].王向陽,譯,2010,10:1～ 8

[6]王建宣,張嚴林.WMiedia超寬帶平臺的ECMA-368標準MAC協議[J].電信工程技術與標準化(標準與規范),2007(2):26～29

Research on PCA Protocol in MAC Layer of ECMA-368 Standard

Sheng Yi Yu Qi
(No.722 Research Institute of CSIC,Wuhan 430079)

The ECM A-368 Standard specifies the ultra wideband(UWB)physical layer(PHY)and medium access control(M AC)sublayer for a high-speed short range wireless network,utilizing all or part of the spectrum between 3100～10600MHz supporting data rates of up to 480Mb/s.The PCA protocol of MAC designed in the ECM A-368 Standard(3rdEdtion)is studied in this paper mainly.Based on the introduction to the theory of PCA,sums its process,and puts forward the FPGA realization project,administers programme and emulator.

ECMA-368,PCA,MAC,UWB

TN92

2010年9月15日,

2010年10月19日

盛毅,男,碩士,研究方向:數字信號處理。于奇,男,研究員,副總工程師,研究方向:通信與信息系統,信號與信息處理等。