ECMA-368协议MAC层PCA机制研究*

盛 毅 于 奇

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

ECMA-368协议MAC层PCA机制研究*

盛 毅 于 奇

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

ECMA-368标准详细说明了高速、短距无线网络的UWB(Ultra Wideband,超宽带)物理层和媒体访问控制层,它支持的频谱范围从3.1GHz至10.6GHz,支持的最大数据传输速率为480Mb/s。文章将对ECMA-368第三版标准中媒体访问控制层的PCA(优先竞争访问)协议进行研究,在介绍PCA机制原理的基础上,概括PCA机制的运行过程,然后提出FPGA实现方案,并编程仿真。

ECM A-368;优先竞争访问;媒体访问控制;UWB

Class NumberTN92

1 引言

UWB(Ultra Wideband,超宽带)通信技术不采用载波,而是采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。这些脉冲的带宽很大,能达到GHz级,由香农信道容量公式可知,超宽带的信道容量将比传统的调制机制大许多,即其可以实现超高速率数据传输(可达几百Mbit/s),而且,其发射功率很小。美国联邦通信委员会(FCC)定义的超宽带UWB信号有两种情况:一是相对带宽(信号带宽和中心频率之比)大于0.2,二是其在传输时刻的绝对带宽大于500MHz的信号[1]。

ECMA-368标准描述了基于多带正交频分复用调制(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Modulation,MB-OFDM)的物理层(PHY)和分布式架构的媒体访问控制层(Media Access Control,MAC)的技术细节。

ECMA-368标准的物理层使用多带正交频分复用技术,将3.1GHz～10.6GHz的无线频谱资源切分成五个频段组(band group),共含14个宽度为528MHz的子频带,每个子频带规定了128个子载波(包括100个数据子载波、10个保护子载波、12个导频、6个空闲)。利用跳频模式,这些子载波独立或者协同工作,进一步扩大了网络覆盖范围。物理层支持高达480Mbit/s的数据速率,并包含一个200Mbit/s的强制性子集[2]。ECMA-368 MAC是一种全分布式的MAC协议,每一种设备(或称节点)都具有MAC定义的各种功能,包括测距、RTS/CTS(Request to send/Clear to send,请求发送/空闲发送)等可选功能,设备间完全依靠相互协作来维持正常工作。

2 ECMA-368的MAC层帧传输机制

在ECMA-368标准中,时间被以 65536μ s为单位分成一个个超帧,每个超帧内又以256μ s为单位分成了256份,每一份被称作一个媒体访问时隙(MAS)。因此一个超帧含有 256个MAS,每个MAS长度为256μ s,帧的交换就在这些MAS上进行。

表1 业务优先级排序表

总体上,超帧被分成了信标期(Beacon Period,BP)和数据期(Data Period,DP)。其中,信标期专门用于收发信标帧(与设备自身的标识、状态、功能、请求等相关联的一组数据),每个超帧都是从BP开始,它们的起始时间称为BPST(Beacon Period StartTime),是设备间同步的标志;数据期,是紧跟在BP后面的时间,是设备之间传输除信标帧之外的其他帧的时间周期[3]。

DP内的MAS类型有分布式预留协议(Distributed Reservation Protoco1,DRP)和优先信道访问(Prioritized Channel Access,PCA)两种,分别代表两种数据通信方式,支持同步或异步的数据通信服务。DRP是设备间以完全分布式的方式进行协商并实现预留带宽的协议。两个或者多个在协商成功以后,独占DP内的某些媒体访问时隙(Medium Access Slots,MAS),实现时分多址访问(Time Division Multiple Access,TDMA),进行有服务质量保证的同步数据传输。PCA协议是一种区分业务优先级的载波侦听/冲突避(Carrier Sense MultipleAccess/CollisionA-void,CSMA/CA)协议,其基本思想是:针对由更高层标记的待发送帧的优先级,设备根据不同的竞争参数决定相应的发送概率和退避算法,通过公平竞争访问媒体。

ECMA-368标准中,将业务按照优先级进行排序,如表1所示[4]。

2.1 PCA机制的相关参数

对于某业务,设备通过设定PCA的相关参数,为其获取发送时机(TXOP)或者选择退避。PCA的几种主要的参数如下:

1)仲裁帧间间隔(AIFS),表明设备在竞争媒体前侦听信道空闲的等待时间,PCA机制规定设备必须在媒体空闲了AIFS后,才能为某业务类别(AC)获取TXOP或者开始退避[4]。具体如图1所示。由图1可以看出,业务优先级越高AIFS就越小,其等待时间越小,获取发送时机的机会越大。

图1 PCA中AIFS间的关系

2)mCWmin[AC]和 mCWmax[AC],设备在某一TFC偏移传输中进行AC退避后在[mCWmin,mCWmax]范围内选择一个合适的值设置退避窗口CW[AC],并在[0,CW[AC]]平均分布范围内取一个随机数作为AC退避计数器的初始值。

3)mTXOPLimit[AC],该参数规定了TXOP的时限,只有帧交换能在 TXOP开始后mTXOPLimit[AC]时间内,并且在PCA信道变得不可用pSIFS(10μ s)加上 mGuardTime(12μ s)时间前完成,设备才会在为AC获取的 TXOP中开始帧交换。

2.2 获取和使用TXOP

设备为某AC成功获取TXOP,需满足以下条件:1)设备有该AC的数据帧或者命令帧等待发送;2)该AC的回退计数器为0,并且没有先到的该AC帧未发送;3)媒体已经空闲了AFIS[AC]或者更长时间;4)设备没有其他更高优先级且有数据等待发送的AC的退避计数器为0。

获得TXOP的设备成为TXOP拥有者,TX-OP拥有者在获得的TXOP内以不退避的方式开始或者连续帧交换,需遵循以下条件:1)每一个帧交换都能在所获得的TXOP内完成;2)帧交换期间,接收设备应当能够接收和响应。

2.3 退避

设备为每一种AC都维护着一个退避计数器,设备为AC调用退避时将AC退避计数器值设为[0,CW[AC]]平均分布范围内的一个随机数。调用退避前退避窗口CW[AC]初始化为mCWmin[AC],AC执行PCA的过程中CW[AC]按下面讲述的规则在[mCWmin[AC],mCWmax[AC]]的范围内调整[5]。

3 基于FPGA的PCA实现方案设计

根据PCA机制的基本原理,所设计的FPGA实现方案把PCA的实现模块划分为五个部分,如图2所示。其中,PCA媒体可用性监测进程的功能是提供当前媒体是否支持PCA,NAV维护进程的功能是为PCA媒体忙闲监测进程提供其所维护的NAV值信息,PCA媒体忙闲监测进程功能是监测当前媒体的忙闲状态,退避进程功能是维护退避计数器值,PCA处理进程的功能是获取TXOP和判断是否需要退避等。具体功能如下所述。

图2 PCA处理模块总体框图

3.1 PCA媒体可用性监测

PCA媒体可用性监测的功能是检测当前MAS是否可以用于PCA,其状态转移图见图3所示。若当前的MAS没有被用作DRP,则其就可以用于PCA。实现的方法是在每个MAS的末尾,检测下一个MAS是否用于了DRP,若没有则表明其可以用于PCA,则设置PCA可用性MAS的标志位为1,提供给PCA处理状态机进程。

3.2 NAV维护

NAV维护的功能是维护NAV(网络分配矢量)的值,将其值信息提供给PCA忙闲检测进程。NAV指示了邻居设备接入信道的等待剩余时间。当设备接到不是发给自己的MAC帧头时,如果该MAC帧的持续时间值大于设备当前的NAV值,设备将用接收到的持续时间字段值更新它的NAV,并在PLCP(物理层汇聚协议)头结束后使用该NAV值;若设备在其未释放的预留块之外收到的MAC帧头HCS错误时,它将当作帧被正确的接收,只是帧的持续时间字段为0;随着时间的流逝,设备将一直消减其NAV至0。

3.3 PCA媒体忙闲检测

PCA媒体忙闲检测的功能是检测当前媒体的忙闲情况。当满足下列条件之一,即可认为媒体状态为忙[5]:1)CCA检测结果显示媒体忙;2)NAV不为0;3)设备正在该媒体上进行发送或者接收帧数据;4)先前所传送的帧的持续时间还没耗尽;5)媒体不支持PCA。

3.4 退避

退避的功能是根据退避条件,按照标准规定,选择退避窗口和退避计数器初值,并对该回退计数器进行维护。

AC退避进程中关键的是退避窗口CW[AC]的设置和退避计数器处置的选取。退避计数器初值应为[0,CW[AC]]内的服从均匀分布的随机值,考虑用线性同余算法实现。首先,利用MATLAB工具,实现[0,CWMax[AC]]的均匀随机数,并将它们存储起来;其次,利用Xilinx的ROM IP核生成一个存储有这些随机数的ROM表,以备查询。

线性同余算法的迭代公式为:X[i+1]=(A*X[i]+B)mod C,其中A,B,C为已知的常数,X[0]为一正整数。当C为2的幂时,通常选取A=4*n+1,B=2*m+1,其中 n和 m为正整数,A、B范围不超过C[6]。

3.5 PCA处理

PCA处理的功能包括了查询PCA业务、获取和使用TXOP、退避条件的确定、软DRP业务的发送功能。其中,软DRP是一种类似PCA的传输机制,其基本思想是允许用户竞争使用所预留的MAS,但是软DRP预留块的所有者拥有最高的优先级。

4 基于ModelSim的PCA编程仿真和分析

以AC0(对应于AC_VO)业务的相关信号定义为例,仿真中定义的部分信号名称和功能如表2所示,其他业务信号的定义与其类似。下面以软DRP业务发送和AC_VO、AC_VI业务的处理的 部分仿真结果,说明PCA的设计正确性。

表2 仿真中部分信号定义表

软DRP业务发送的仿真如图测试如图3所示,AC0业务发送的仿真如图4所示,AC1业务发送的仿真如图5所示。

由图3可以看出,当前的MAS是设备的软DRP MAS(mySoftDrpMasReg[0]为 1)时 ,而且设备有软DRP业务(softDrpFlag为1)等待发送,则设置软DRP业务发送请求信号softDrpTxRequest为高启动软DRP业务发送;由图4可以看出,在软DRP业务发送完成(txDone为 1)后,设备将以PCA的方式(pcaTxRequest为1)发送业务帧,此时AC_VO和AC_VI都有业务等待发送(pcaAc0Flag和pcaAc1Flag均为1),但是AC_VO的优先级要高于AC_VI,因此先为AC_V0获取TXOP(txopType为100);由图5可以看出,在 AC_VO发送完成后(txDone为1),由于AC_VO没有后续帧等待发送,因此AC_VO满足了退避条件2(bcffAc0ContiodTwo为1),接下来将为低优先级的AC_VI获取 TXOP(txopType为101),获取成功后开始发送AC_VI业务帧。

5 结语

由对图3的仿真结果分析可以看出,该设计可以有效的完成软DRP业务的发送处理;由图4的的仿真结果分析可以看出,该设计可以有效的处理AC_VO业务的发送;由图5的的仿真结果分析可以看出,该设计不仅可以在完成AC_VO业务发送后,有效的处理AC_VI的发送与否,即在完成高优先级业务的发送后,将能够准确的为较低优先级的业务获取TXOP,而且,完成AC_VO的发送之后,由于AC_VO没有业务帧等待发送,其将进入退避状态,该方案也有效的完成了协议所规定的退避处理要求。综合以上分析,所设计的FPGA实现方案具备PCA要求的业务竞争发送和冲突避免的基本功能。

在实际应用中还需要对该方案进行完善,主要需要完善的地方有以下两个方面:1)退避计数器初值的选取,需要高效的产生一定范围内的随机值;2)PCA机制很复杂,进行PCA处理时需要搜集很多当前媒体状态的信息,例如当前媒体能否用于PCA、当前媒体忙闲情况等,这些信息的获取需要其他ECMA-368标准所规定的其他协议共同提供。

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

[2]许鹏飞,谷源涛.ECMA-368标准的 MAC协议研究[J].无线通信技术,2009(4)

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

[4]陈如明.UWB技术的发展前景及其频率规划[J].移动通信,2009(5)

[5]Jiangzhou Wang.高速无线通信-UWB、LTE与 4G[M].王向阳,译,2010,10:1～ 8

[6]王建宣,张严林.WMiedia超宽带平台的ECMA-368标准MAC协议[J].电信工程技术与标准化(标准与规范),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,硕士,研究方向:数字信号处理。于奇,男,研究员,副总工程师,研究方向:通信与信息系统,信号与信息处理等。