摘 要: 討論了IEEE 802.15.3協議媒體訪問控制" title="訪問控制">訪問控制層適合高速個域網傳輸的基本特點,分析了超寬帶技術的發展趨勢,并結合超寬帶技術提出了目前IEEE 802.15.3協議MAC層的主要研究熱點,包括同步捕獲、媒體訪問控制、資源調度等。
關鍵詞: IEEE 802.15.3 媒體訪問控制 超寬帶 服務質量(QoS)
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IEEE 802.15.3[1]標準專為高速無線個域網制定,支持各種便攜電器之間的多媒體連接。該標準支持11M～55Mbps的數據傳輸速率,采用高效的TDMA協議作為主要媒體訪問控制方式;物理層運行在2.4GHz ISM頻段,可與IEEE 802.11、802.15.1和802.15.4標準兼容,并能滿足這些標準無法滿足的應用需求;網絡采用動態拓撲,使用便攜式裝置能夠在極短的時間內(<1s)加入或脫離網絡。本文主要介紹IEEE 802.15.3的MAC層協議在服務質量QoS(Quality of Service)機制和功率管理等方面的特點以及目前的研究熱點。
1 IEEE 802.15.3 MAC協議
1.1 微微網
微微網" title="微微網">微微網是無線自組織的數據通信系統,允許獨立的數據設備(DEVs)間互相通信。微微網的通信范圍通常在10米以內。
1.1.1 微微網的組成
802.15.3微微網的組成如圖1所示。基本元素是設備(DEV),其中一個DEV充當微微網協調器PNC(Piconet Coordinator)。PNC以信標(Peacon)形式為微微網提供基本定時功能, 并負責服務質量請求、功率節省和訪問控制。
1.1.2 微微網的形成與結束
PNC的主要作用之一就是傳送帶有微微網信息的信標。當802.15.3的DEV能夠充當PNC開始發送信標時,就認為微微網形成了。
一個微微網的啟動過程如下:能夠充當PNC的DEV開始掃描可用信道,當確認可用信道在一定時期內會保持空閑時,PNC就通過發送信標啟動微微網。啟動過程并不保證最初選擇的PNC能力最強,關聯和切換過程會使能力最強的DEV最終成為微微網的PNC。
如果PNC要停止運行,且微微網內沒有其他可以作為PNC的DEV,則PNC會把PNC關閉信息單元裝入信標,通知微微網的其他成員。
1.1.3 微微網的關聯與解除關聯
DEV通過關聯過程加入微微網,并由此獲得微微網內惟一的ID——DEVID。DEVID僅占用一個字節,用于代替DEV的地址,可以節省系統開銷。
當新的DEV加入微微網時,PNC會廣播微微網內所有DEV的信息,并將新的DEV信息放到信標中,從而使網內其他DEV和新加入的DEV知道彼此的信息。
當DEV想離開微微網或者PNC想讓某個DEV離開微微網時就要解除關聯。解除關聯的DEVID不再有效。
1.2 802.15.3超級幀組成
802.15.3基于超級幀實現定時,超級幀結構如圖2所示。
超級幀由以下三部分組成:
(1)信標(Beacon),用于設定時間分配和交互管理信息;
(2)競爭訪問周期CAP(Contention Access Period),用于交互命令和(或)異步數據;
(3)信道時間分配周期CTAP(Channel Time Allocation Period)由信道時間分配CTAs和管理信道時間分配MCTAs(Management CTA)組成。CTA用于命令、同步流和異步數據的連接,MCTA只用于DEV和PNC之間的通信。
CAP采用CSMA/CA機制訪問媒體,CTAP則采用標準的TDMA協議。MCTA或采用TDMA機制分配給特定的源-目的對,或采用分片的aloha協議共享CTA。
1.3 設備之間的數據通信
標準支持數據幀" title="數據幀">數據幀的分片和重組,以處理來自MAC子層以上的大數據幀。將數據幀分片可以減小幀的長度,有利于減小邊緣連接的丟幀率FER(Frame Error Rate)。分片帶有上層數據幀的序號和分片后的序號。數據幀的分片總數也發給接收端" title="接收端">接收端DEV,使它可以為即將到來的數據幀正確地分配內存。
源DEV使用確認(ACK)策略確認幀的傳送。標準提供三種ACK策略以確保不同的應用。沒有確認(No-ACK)策略不需要確保幀的傳送,適于重傳幀到達太遲或者上層有處理ACK和重傳協議的情況。立即確認(Imm-ACK)要求接收端收到幀后對每個幀都分別進行確認。延遲確認(Dly-ACK)使源端發送多個幀而不插入ACK,在源DEV請求時,這些幀的ACK在接收端組成單獨的響應幀發出。Dly-ACK過程在減小Imm-ACK過程開銷的同時,使源DEV確認了幀到目的端的發送。
如果源DEV沒有接收到請求的ACK,則選擇重發或者丟棄幀。重發還是丟棄幀取決于正在發送的數據類型、源DEV傳送該幀的嘗試次數和時間長度。
1.4 功率管理
802.15.3設備靠電池供電。為延長電池壽命,標準提供了三種功率節省技術:設備同步功率節省DSPS(Device Synchronized Power Save)模式、微微網同步功率節省PSPS(Piconet-Synchronized Power Save)模式和異步功率節省APS(Asynchronous Power Save)模式。微微網的DEV運行在以下四種功率管理(PM)模式中,即:活動(ACTIVE)模式、DSPS模式、PSPS模式和APS模式。
(1)PSPS模式:允許DEV在PNC定義的期間內睡眠。DEV要進入PSPS模式時需給PNC發送請求,PNC通過設置信標中DEVPS狀態通知微微網。然后PNC選擇系統清醒的信標,并為PSPS模式的設置指出功率節省狀態中的下一個信標。所有PSPS模式的DEV要偵聽系統清醒信標。
(2)DSPS模式:使一組DEV在多個超幀期間睡眠,但在同一超幀期間醒來。DEV通過加入DSPS集合同步它們的睡眠模式,其中DSPS集合規定了DEV醒來的周期間隔和下次DEV清醒的時間。DSPS集合除了允許DEV同時清醒和交換通信量,還能使其他DEV更容易確定DSPS模式下的DEV何時可以接收通信量。
(3)APS模式:允許DEV為擴展的周期保存能量,直到選擇偵聽信標為止。APS模式下DEV的惟一職責是在關聯超時周期ATP(Association Timeout Period)結束之前與PNC通信,以維持微微網內其成員關系。
在清醒的超幀中,PNC以PSPS模式或DSPS模式分配CTA給目標DEV。
無論DEV采用何種功率管理模式,微微網中的每個DEV都可以在超幀期間沒有被分配傳輸或接收數據的時候關閉電源。
2 UWB的狀況及趨勢
2.1 UWB的發展現狀
隨同802.15.3 MAC標準,IEEE定義了工作在2.4GHz頻段的802.15.3物理層方案,采用QPSK、DQPSK、16-QAM、32-QAM、64-QAM幾種調制方案,支持11Mbps、22Mbps、33Mbps、44Mbps和55Mbps多種速率傳輸。這一數據率與802.11a的最高54Mbps數據率相當,還不足以滿足日益增長的多媒體應用對高帶寬的要求,這就產生了對新頻段和新技術的需求。為此,IEEE另成立了802.15.3a" title="3a">3a標準組,負責制定采用UWB(超寬帶)技術的WPAN物理層標準,支持100Mbps～480Mbps的共享數據率。擺在參與802.15.3a標準制定的各大公司和研究機構面前的是美國通信委員會FCC(Federal Communication Commission)規定的UWB工作頻率和發射功率門限[2],而選用何種技術利用這一頻段成為爭論的焦點。有兩種技術在理論上都具備高速率、短距離、低功耗且實現簡單的UWB特性。一種是傳統的脈沖發射(Impulse Radio)方案[3],它采用脈沖幅度調制(Pulse Amplitude Modulation)或脈沖位置調制(Pulse Position Modulation)方式,發送持續時間極短、頻帶極寬的基帶脈沖信號,超寬帶(UWB)這個名字正由此技術而來。另一種是MB-OFDM(Multibanded OFDM)技術[4],它將FCC劃歸給UWB的3.1G～10.6GHz頻帶分割成多個超過500MHz的次頻帶,在每個次頻帶中應用OFDM調制方式。MB-OFDM雖然與對UWB技術的傳統定義有所不同,但其每個次頻帶的頻寬仍符合FCC對UWB的定義。同時,通過OFDM技術將頻帶劃分成多個窄帶,能夠更精確地控制各個頻帶的發射功率,有利于與現有的窄帶通信系統共存,滿足FCC的功率門限要求。由于有些大公司已掌握OFDM技術,所以MB-OFDM技術得到了許多大公司的支持。然而,脈沖發射技術也仍然有它的支持者,因為更寬頻帶的信號具有更好的多徑特性。
目前,UWB技術標準制定者已經分成兩大陣營:一個是Motorola公司主導的直擴UWB(Direct Sequence UWB)技術,這一方案與傳統的脈沖發射UWB比較接近;另一個是以德州儀器TI和Intel為代表的諸多公司組成的MBOA(Multiband OFDM Alliance)組織。MBOA的提案在802.15.3a標準組中始終占有優勢,但卻始終無法取得提案通過所需要的75%的支持率。現在MBOA已經有拋棄IEEE制定標準的傾向,甚至開始為WPAN制定不同于802.15.3的新的MAC協議。Motorola則聲稱使用直擴UWB可以對802.15.3 MAC層標準不做改動,但IEEE又不能忽視產業界其他公司的異議,接受Motorola的提案作為802.15.3a標準。此外,國際電信聯盟ITU的態度也不明朗。于是,這場有關IEEE802.15.3a標準,又稱WiMedia的產業界爭論愈演愈烈,成為未來無線個人網發展的一大不確定因素。我國政府雖尚未開始制定UWB相關標準,但UWB和OFDM等技術已經得到科研領域的廣泛關注,同時,中國這塊巨大的市場也必將引發類似的標準制定上的激烈爭奪。
2.2 MAC層研究熱點
由于IEEE 802.15.3的MAC層是針對IEEE 802.15.3的物理層設計的,而對于采用UWB作為高速率物理層的IEEE 802.15.3a,對應的MAC層也應進行相應的改進。
UWB系統設計的一個主要問題就是同步捕獲,接收端通常需要幾十微秒甚至幾十毫秒與發射信號同步。由于UWB系統的速率很高,同步時間過長導致開銷也急劇增加。同步的捕獲通常在發送信息位之前通過發送前導碼來實現。前導碼的持續時間取決于接收端的設計,從幾十微秒到幾十毫秒。顯然,對于高速數據速率的應用,前導碼的開銷會極大降低UWB網絡的效率。
媒體訪問協議也是一個值得研究的問題。帶有沖突的媒體訪問協議(如CSMA/CA)并不適合UWB系統,這是因為:(1)帶有沖突的媒體訪問協議不能提供帶寬、延遲等QoS指標的支持;(2)由于UWB信號淹沒在噪聲電平中,在UWB中提供載波偵聽非常困難且相當耗時,會導致長期的信道同步和協議效率低下。可行的UWB的MAC層解決方案是采用時位跳變多址機制。這種方式產生的問題就是如何共享無線資源。
多媒體業務流量劇增,使得無線網絡的QoS保障問題日益突出。在給定的帶寬下,PNC獲取哪些信息比較有效,如何根據有限的信息進行合理調度,使PNC在每個超級幀中為各個發送節點分配合適的時間片,這些問題也需要進一步研究。
此外還有很多有待解決的問題,例如UWB設備和其他移動設備間的兼容共存、削弱干擾、連接魯棒性等問題,這里不再一一贅述。
IEEE 802.15.3協議是針對高速率無線個域網設計的新標準,包括物理層和MAC層兩大部分。本文主要介紹了MAC層的基本特點。這些特點包括無競爭信道訪問、P2P通信和塊確認等,顯著增強了MAC層在高速率物理層上的吞吐量。隨著UWB技術的進一步推廣和FCC的逐步開放,IEEE另成立了802.15.3a工作組,負責制定采用UWB技術的WPAN物理層標準,對應的MAC層則仍采用802.15.3的MAC協議作基礎。為此,本文提出了一些為支持UWB技術而在原有MAC層上進行的研究熱點,這些熱點將是未來高速無線個域網的重要研究方向。
參考文獻
1 Draft standard for telecommunications and information exchange between systems——LAN/MAN specific require-ments——part 15.3:Wireless medium access control and physical layer specifications for high rate wireless personal area networks.Draft P802.15.3/D17,2003
2 FCC first report and order,Revision of part 15 of the com-mission′s rules regarding ultra-wideband transmission systems.ETDocket 98-153,2002
3 DS-UWB physical layer submission to 802.15 Task Group 3a.IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks.IEEE P802.15-04/0137r1,2004
4 Multi-band OFDM physical layer submission to 802.15 Task Group 3a.IEEE P802.15 working group for wireless personal area networks.IEEE P802.15-04/268r3,2004