??? 摘 要： IEEE802.15.3被認(rèn)為是UWB技術(shù)的MAC協(xié)議可選方案之一，然而它并不完全適應(yīng)于UWB的物理層，為此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的MAC協(xié)議加速器" title="協(xié)議加速器">協(xié)議加速器。它把MAC層分成兩個(gè)子層：上層MAC(UMAC)和下層MAC(LMAC)。UMAC實(shí)現(xiàn)一些定時(shí)不敏感的MAC功能；而LMAC實(shí)現(xiàn)那些需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的MAC功能。性能分析表明吞吐量、延時(shí)等參數(shù)得到了明顯改善。
??? 關(guān)鍵詞： 超寬帶" title="超寬帶">超寬帶? UMAC? LMAC? 協(xié)議加速器
??? 超寬帶(UWB)傳輸技術(shù)給無線通信帶來了革命性的推動(dòng)。UWB主要基于激勵(lì)無線電(IR)技術(shù)，在短距離通信中使用極短脈沖(皮秒持續(xù)時(shí)間)以獲得很寬的頻段。當(dāng)前，為了使各種潛在應(yīng)用，如雷達(dá)、無線辦公室組網(wǎng)、無線家庭組網(wǎng)等受益，IEEE802.15.3被看作是UWB的MAC協(xié)議的一種可選方案。UWB的物理層(PHY)特性有高數(shù)據(jù)速率、皮秒脈沖、高信道獲取時(shí)間(即實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的位同步時(shí)間)等，它給MAC協(xié)議設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。
??? 傳統(tǒng)上，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)包括一個(gè)RF(無線電頻率)電路、基帶處理器和MAC控制器。其中RF和基帶處理器實(shí)現(xiàn)物理層功能；MAC控制器實(shí)現(xiàn)802.15.3 MAC功能，它也控制RF和基帶的狀態(tài)和操作模式[2]。然而，目前的802.15.3協(xié)議不能完全發(fā)揮UWB的物理層特性。為了滿足UWB物理層傳輸要求，IEEE802.15.3高速任務(wù)組正在改進(jìn)802.15.3。所以，把所有的802.15.3 MAC功能通過MAC控制器來實(shí)現(xiàn)，這種做法的可升級(jí)性和靈活性較差。
??? 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的MAC協(xié)議加速器，把MAC層分成兩個(gè)子層：上層MAC(UMAC)和下層MAC(LMAC)。UMAC把MAC協(xié)議中一些定時(shí)不敏感的功能從硬件平臺(tái)" title="硬件平臺(tái)">硬件平臺(tái)移到了主機(jī)側(cè)，和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序放在一起，如把MAC管理算法移到主機(jī)側(cè)；LMAC作為網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)的MAC控制器，實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的MAC功能。另外，采用系統(tǒng)優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì)方法，對(duì)LMAC功能進(jìn)行了優(yōu)化，例如增加虛擬載波偵聽模塊，并且通過固件" title="固件">固件增加硬件平臺(tái)的靈活性。
1 超寬帶的MAC協(xié)議可選方案802.15.3
??? 802.15.3是為無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議，其任務(wù)是針對(duì)消費(fèi)者圖像和多媒體應(yīng)用制定高速率短距離技術(shù)，達(dá)到所需的物理層數(shù)據(jù)速率和滿足媒體接入控制層(MAC)的QoS需求。
??? 802.15.3 MAC協(xié)議支持微微網(wǎng)、提供多媒體QoS和支持功率管理。802.15.3的時(shí)間安排基于超幀，如圖1所示。超幀由三部分組成：
??? (1)信標(biāo)(Beacon)：用來為微微網(wǎng)發(fā)送時(shí)間安排和傳送管理信息。信標(biāo)由信標(biāo)幀組成。
??? (2)競(jìng)爭(zhēng)接入期(CAP)：用來傳輸超幀中當(dāng)前的命令和/或異步數(shù)據(jù)。
??? (3)信道時(shí)間分配期(CTAP)：包括管理信道時(shí)間分配(MCTAs)和一般數(shù)據(jù)信道時(shí)間分配(CTA)。
??? 802.15.3被認(rèn)為是當(dāng)前UWB技術(shù)的MAC協(xié)議可選方案之一。但是，現(xiàn)有的802.15.3不是UWB的最理想的MAC方案。如802.15.3中定義短幀間間隔為10?滋s，當(dāng)UWB數(shù)據(jù)傳輸速率在50Mbps以下時(shí)，這個(gè)間隔比較合理；但是當(dāng)UWB數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到480Mbps時(shí)，10μs的間隔對(duì)UWB來說太大了。另外，UWB的其他特性，如低功耗下工作、具有相當(dāng)精確的測(cè)距能力等，可能需要新的MAC功能定義及與傳統(tǒng)MAC功能完全不同的實(shí)現(xiàn)方法。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)MAC協(xié)議加速器，可以靈活地配置和升級(jí)UWB的MAC協(xié)議。
2 MAC協(xié)議加速器設(shè)計(jì)方案
2.1 傳統(tǒng)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)方案
??? 傳統(tǒng)上把802.15.3作為面向超寬帶的MAC協(xié)議，并且所有的MAC功能都在MAC控制器實(shí)現(xiàn)。其方案如圖2所示。
??? 由于目前的802.15.3協(xié)議不能完全發(fā)揮UWB的物理層特性，所以這種方案成本高，可升級(jí)性差。
2.2 MAC協(xié)議加速器設(shè)計(jì)方案
??? 通過對(duì)傳統(tǒng)的MAC設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了MAC協(xié)議加速器，把MAC層分成UMAC和LMAC兩個(gè)子層。其方案如圖3所示。
??? 其中UMAC功能實(shí)現(xiàn)的是一些定時(shí)不敏感的MAC功能。如MAC管理算法，用軟件在主機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)，和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序放在一起。管理算法可以自主開發(fā)，也可以使用第三方軟件，可隨時(shí)升級(jí)為先進(jìn)的管理算法。而LMAC用硬件實(shí)現(xiàn)那些需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的MAC功能，即NIC的MAC控制器。并且對(duì)LMAC的部分功能進(jìn)行了協(xié)議改進(jìn)，如增加虛擬載波偵聽模塊。整個(gè)LMAC通過固件增加硬件平臺(tái)的靈活性，用FPGA實(shí)現(xiàn)。
3 MAC層功能劃分及設(shè)計(jì)
??? UWB最關(guān)鍵的技術(shù)是帶寬能達(dá)到480MHz，因此處理高速率數(shù)據(jù)是MAC設(shè)計(jì)的基本需求。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須合理地進(jìn)行UMAC層和LMAC層功能定義，否則接收器將不能處理幀接收，接收器的幀緩沖器將溢出，從而出現(xiàn)誤幀。
3.1 UMAC層功能定義
??? 通過研究802.15.3 MAC協(xié)議可以看到，MAC層包括MAC層數(shù)據(jù)實(shí)體和MAC層管理實(shí)體(MLME)。MLME的許多功能都對(duì)定時(shí)要求不嚴(yán)格，所以可以被劃分到UMAC。在MLME中，開始、維護(hù)、停止通信和關(guān)聯(lián)/去關(guān)聯(lián)等功能可以被延遲，且不會(huì)使性能惡化。例如，如果一個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)(DEV)要與無線個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器(PNC)關(guān)聯(lián)，而UMAC處理由于一些原因被延遲，DEV關(guān)聯(lián)仍舊能成功。除了MLME，一些定時(shí)不敏感的MAC層數(shù)據(jù)功能也可以在UMAC實(shí)現(xiàn)，例如MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)產(chǎn)生器可以被劃分到UMAC。由于MPDU產(chǎn)生器是為了把上層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)進(jìn)行分段，而上層SDU也是軟件產(chǎn)生的，因此MPDU產(chǎn)生器的軟件實(shí)現(xiàn)可以及時(shí)地處理SDU。
??? UMAC有兩個(gè)通道，一個(gè)是數(shù)據(jù)通道，處理MAC層數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀和檢測(cè)信道狀態(tài)；另一個(gè)是管理通道，處理MAC管理幀，并控制MAC層行為。
3.2 LMAC層功能定義
??? 數(shù)據(jù)幀由UMAC產(chǎn)生，而信標(biāo)幀、命令幀和確認(rèn)幀的傳輸、接收和處理，必須被分到LMAC用硬件實(shí)現(xiàn)。在802.15.3中，數(shù)據(jù)幀、命令幀以超幀的形式傳輸；同時(shí)，在LMAC里添加了虛擬載波偵聽模塊，以提高超寬帶系統(tǒng)載波偵聽困難的缺點(diǎn)。除此之外，WEP模塊用來對(duì)MAC幀解密或加密，因其定時(shí)要求較高而被列到LMAC層。MAC層同步不能被看作UMAC功能，因?yàn)镈EV狀態(tài)可能要立即交換，所以把它列到LMAC層。
??? 通過UMAC層和LMAC層功能定義，對(duì)MAC層功能進(jìn)行劃分，如圖4所示。
3.3 LMAC層硬件設(shè)計(jì)
??? 雖然軟件實(shí)現(xiàn)速度比較慢，但其實(shí)現(xiàn)靈活且經(jīng)濟(jì)。硬件實(shí)現(xiàn)快速，也能獲得高性能，但其占用更多的芯片，并且不容易升級(jí)。所以，UMAC層放在主機(jī)側(cè)通過軟件實(shí)現(xiàn)，而LMAC放在網(wǎng)卡側(cè)通過硬件實(shí)現(xiàn)。本文使用ARM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)LMAC層硬件功能，以提高系統(tǒng)靈活性，體系結(jié)構(gòu)如圖5。
??? 圖5結(jié)構(gòu)中，對(duì)802.15.3協(xié)議進(jìn)行了增強(qiáng)，如添加了虛擬載波偵聽模塊，以提高超寬帶系統(tǒng)載波偵聽困難的缺點(diǎn)。另外，ARM微處理器的總線結(jié)構(gòu)使得增加其他外圍設(shè)備很容易。通過這些改進(jìn)達(dá)到了硬件協(xié)議加速的目的。其中硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程為：(1)研究802.15.3 MAC協(xié)議，并針對(duì)UWB應(yīng)用進(jìn)行增強(qiáng)；(2)根據(jù)改進(jìn)的MAC協(xié)議用規(guī)范化描述語(yǔ)言(SDL)來實(shí)現(xiàn)；(3)下層MAC(LMAC)協(xié)議向ARM平臺(tái)的移植。首先把SDL設(shè)計(jì)翻譯成C/C++代碼，接著把C/C++代碼映射到RTOS的某個(gè)任務(wù)，然后把RTOS傳輸?shù)酱褂玫腁RM硬件平臺(tái)上。
??? 通過該硬件平臺(tái)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)LMAC功能。如ACK幀的處理，通過從前一個(gè)數(shù)據(jù)幀(如DestID、SrcID、流索引等)提取一些信息，Tx/Rev調(diào)度程序產(chǎn)生ACK幀。雖然ACK需要在2?滋s內(nèi)發(fā)送，現(xiàn)在卻可以很容易地實(shí)現(xiàn)，因?yàn)锳CK產(chǎn)生過程是純硬件的。當(dāng)一個(gè)信標(biāo)幀到達(dá)時(shí)，協(xié)議加速器將產(chǎn)生一個(gè)ARM中斷，中斷程序會(huì)給ARM發(fā)送指令。在固件控制下，Tx/Rev可以實(shí)時(shí)地提取信標(biāo)幀內(nèi)的所有信息，并且重新設(shè)置LMAC狀態(tài)，如CAP開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。通過ARM上的固件和PIC接口，Tx/Rev也能提取UMAC中的微微網(wǎng)信息。
??? 本文提出了一個(gè)面向超寬帶的MAC協(xié)議加速器設(shè)計(jì)方案，并給出了協(xié)議分析、設(shè)計(jì)方法和LMAC硬件結(jié)構(gòu)。本協(xié)議加速器在兩方面實(shí)現(xiàn)了協(xié)議加速：一方面是通過把MAC協(xié)議中一些定時(shí)不敏感的功能從硬件平臺(tái)移到了主機(jī)側(cè)，增加了系統(tǒng)的靈活性，減輕了硬件平臺(tái)的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議加速；另一方面采用系統(tǒng)優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì)方法，對(duì)硬件平臺(tái)中的MAC功能進(jìn)行了優(yōu)化，并且通過固件增加了硬件平臺(tái)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議加速。
??? 通過建立硬件模塊，MAC設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)UWB鏈路的所有性能，并且硬件費(fèi)用很低。目前，已經(jīng)建立了一個(gè)SDL模型來模擬和驗(yàn)證整個(gè)MAC層功能，并正在構(gòu)建一個(gè)Verilog HDL模型。模型可以把部分硬件行為提取到高層，而保留重要的硬件特性。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)有待進(jìn)一步開展，以評(píng)估整個(gè)MAC系統(tǒng)的運(yùn)行性能，包括數(shù)據(jù)速率、速度、芯片大小和節(jié)省功率等。
參考文獻(xiàn)
[1] RACHERLA G，ELLIS J L，F(xiàn)URUNO D S.Ultra-wideband?systems for data communications[A].IEEE International?Conference on Personal Wireless Communications[C]，2002，129-133.
[2] CUOMO F，MARTELLO C.MAC principles for an ultra?wide band wireless access[J].IEEE Global Telecommunications Conference，2001，(6)：3548-3552.
[3] IEEE Std. 802.15.3.Wireless Medium Access.Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for High Rate?Wireless Personal Area Networks(WPAN)，2003.
[4] DIETTERLE D.Design of a hardware accelerator for the IEEE802.11 MAC layer.Diploma Thesis，BTU Cottus，2002，6.
[5] Fujisawa T.A single-chip 802.11a MAC/PHY with a 32-b RISC processor.IEEE J.Solid State Circuits，2003，38(11).
[6] DIETTERLE D.High-level behavioral SDL model for the?IEEE 802.15.3 MAC protocol.Springer Lecture Notes in?Computer Science，2004.
?