WiMedia超宽带平台的ECMA-368标准MAC协议

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2024年6月4日发(作者：)

维普资讯

２００７￣　电信工程技术与标准化　

Ｗｉ　Ｍｅｄ　ｉａ超宽带平台的ＥＣＭＡ一３６８标准ＭＡＣ协议　

王建宣　张严林２　

（１华南理工大学　广州５１　０６４０）　

（２广东省科学院　广州５１　００７０）　

摘要因ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ集中式架构应用于超宽带系统存在问题，ＷｉＭｅｄｉａ联盟提出了新的ＥＣＭＡ－３６８　

ＭＡＣ协议。本文着重研究了ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ针对超宽带高速无线个域网的低功率　Ａｄ－ｈｏｃ网络及Ｐ２Ｐ　

移动性等特点设计的分布式架构及相关协议，并在文章的最后提出ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ今后改进的建议。　

关键词　ＵＷＢ　ＭＡＣ　ＥｃＭＡ一３６８　ｗｉＭｅｄｉａ　

超宽带是一种设计用于以高带宽和低功耗在短距离　

接入控制等。ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ集中式架构易于皮　

网的管理，而且使得皮网的行为具有可预测性，保证了　

一

内传输数据的无线技术，是无线传输高质量多媒体内容　

和构建高速无线个域网的理想选择。２００５年３月，　

ＷｉＭｅｄｉａ联盟与多频带ＯＦＤＭ联盟（ＭＢＯＡ）实现合　

般操作的ＯｏＳ，但是这种集中式架构应用于超宽带场　

合导致了潜在的几个严重问题。　

首先，这种架构高度依赖ＰＮＣ。ＤＥＶ之间通信或　

激活只能通过ＰＮＣ，如果ＰＮＣ消失，皮网的其它设备　

需要几秒钟协商选出新的ＰＮＣ。在此期间，由于没有　

ＰＮＣ，设备之间的通信中断。其次，集中式架构使得安　

并，并以前者来命名，旨在推动超宽带标准化进程和采　

用。２００５年ｌ２月，ＷｉＭｅｄｉａ联盟发布了行业第一个商　

用ＵＷＢ标准：ＥＣＭＡ－３６８。此标准定义了基于ＭＢ－　

ＯＦＤＭ的物理层（ＰＨＹ）和基于分布式架构的媒体访　

问控制层（ＭＡＣ）（目前此标准还只在美国适用）。　

其实ＩＥＥＥ　８０２．１５．３已定义了ＭＡＣ协议，但是由　

于ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ架构上的问题使得无法针对　

排多跳连接变得困难，但是这在无线射程十分有限的无　

线个域网中却是很重要的。另外，ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ　

使用基于集中式的ＴＤＭＡ协议，当存在重叠微微网时，　

重叠皮网之间会产生一个虚拟的链路，彼此干扰的设备　

会使用同一个ＴＤＭＡ时隙，导致传输冲突。　

超宽带系统的特点提供很好的支持，所以ＷｉＭｅｄｉａ对　

ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ进行相应的补充和改进。本文主　

要研究ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ协议。　

２　ＷｉＭｅｄｉａ　ＥＯＭＡ－３６８　ＭＡＣ协议　

１　ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ存在的问题　

针对ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ集中式架构存在的问　

在ＩＥＥＥ　８０２．１５．３　ＭＡＣ中，ＷＰＡＮ的基本单元　

是皮网，由ＰＮＣ（ＰｉｃｏＮｅｔ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）和若干个独　

立的可以互相通信的ＤＥＶ（Ｄｅｖｉｃｅ）组成。ＰＮＣ完成　

题，ＥＣＭＡ一３６８　ＭＡＣ协议进行了补充和改进。　

ＥＣＭＡ一３６８　ＭＡＣ没有中央控制器来管理资源和时间，　

是一种完全分布式的ＭＡＣ协议，设备之间相互协作以　

皮网的全部控制功能，包括通过信标实现整个皮网的定　

时、通信控制、服务质量控制、节能模式选择和皮网的　

维护皮网的正常工作。ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ中每个设备　

都要发送自己的信标宣布自己的存在，并通过监测其它　

．．

２６．．　

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设备的信标以知道其它设备的存在和动作。这是　

ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ独有的特性，也是最基本最重要的　

机制。　

发送信标，否则设备发起ＢＰ，并在初始扫描后发送信　

标帧。　

信标帧包含ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ所需的控制和管理　

信息，信息编码为信息单元（ＩＥ）。每种ＩＥ都有不同的　

定义和用途，其中ＢＰＯＩＥ（ＢＰ　Ｏｃｃｕｐａｎｃｙ　ＩＥ）是最　

重要的ＩＥ。ＢＰＯＩＥ包含设备所属信标群（定义为具有　

同样ＢＰＳＴ的设备群）的所有设备列表，用于更新设备　

的ＢＰ长度和检测信标冲突（当信标群中两个或多个设　

备在同一个信标时隙发送信标时就产生信标冲突）。　

２．３信标冲突的解决协议　

信标冲突的检测和解决过程如下：每次设备发送的　

２．１　ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ超帧组成　

ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ的时间也和其它ＭＡＣ协议一　

样被分为一个个的超帧，用于协调设备之间的操作。超　

帧长为６５．５３６ｍｓ，分为２５６份ＭＡＳ（Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　

Ｓｌｏｔｓ），每个ＭＡＳ为２５６　ｓ。一个超帧由两部分构成：　

信标期（ＢＰ）和数据传输期（ＤＴＰ）。超帧格式如图１　

所示。　

在ＢＰ，通过每个设备发送的信标帧交换管理和控　

制信息，ＢＰ保证了顺序接入无线媒介，允许设备之间　

的同步和移动，以及设备的快速发现。　

在ＤＴＰ，ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ提供了两种数据通信　

服务完成媒体访问控制，这两种服务分别由Ｄ　Ｒ　Ｐ　

（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏ１）和Ｐ　Ｃ　Ａ　

（Ｐｒｉｏｒｉｔｉｚｅｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ａｃｃｅｓｓ）协议支持。　

信标被正确接收后，接收设备记录信标发送者的设备地　

址，并把记录信息包含在下一个超帧的ＢＰＯＩＥ中。设　

备接收相邻设备发送的信标后，如果在信标的ＢＰＯＩＥ中　

没有发现自己的地址，就可以推断可能发生了信标冲突　

或传输错误。如果这种情况出现在连续几个超帧中，设　

备就可得出已发生信标冲突的结论，于是设备在接下来　

的超帧中选用新的信标时隙发送信标。一旦设备的地址　

重新出现在别的设备的ＢＰＯＩＥ中，设备将继续使用这　

个信标时隙发送信标。　

由于设备是移动的，两个用不同ＢＰＳＴ的信标群可　

２．２信标工作原理　

ＢＰ占用一个或多个ＭＡＳ，ＢＰ又被分为长为８５　ｓ　

的信标时隙。每个设备选择一个信标时隙来传送它的信　

标帧。因为分布式架构没有全局ＢＰ，每个设备都可发　

起自己的ＢＰ，具有自己的ＢＰＳＴ（Ｂｅａｃｏｎ　Ｐｅｒｉｏｄ　Ｓｔａｒｔ　

Ｔｉｍｅ）和ＢＰ长度（由其作用范围内的设备数量决定，　

规定有上限值）。为了避免相邻的设备有多个重叠的　

能会进入彼此的作用范围内。它们的ＢＰ可能会彼此重　

叠，这样会马上导致信标冲突，或由于时钟漂移最终导　

致信标冲突。这种情况的解决办法就是合并两个不同　

ＢＰＳＴ的ＢＰ为一个ＢＰＳＴ。　

ＢＰ，在发起一个新的ＢＰ前，设备应当在邻近的信道中　

扫描信标，扫描时间至少要有一个超帧周期。如果在扫　

描期间收到信标，设备将在已存ＢＰ的可用信标时隙中　

如果设备在多个超帧周期中接收到外来信标帧，即　

接收的信标帧属于别的信标群，设备调整自己的ＢＰＳＴ　

图１　ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ中的超帧组成　

．．

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２００７２　电信工程技术与标准化　

合并前：　

合并后：　

时间　

图２两个信标期的合并过程　

为外来信标群的ＢＰＳＴ，并重新部署自己的信标到新的　

ＢＰ。为了确保ＢＰ合并没有争议，在超帧的上半时接收　

到外来信标的设备应当首先初始化ＢＰ合并过程。图２　

是两个ＢＰ的合并过程示意图。　

Ⅲ的形式在信标中宣布。其它的设备通过信标知道这个　

预留，因此不会再使用预留的ＭＡＳ。　

２．４．２　ＰＣＡ　

在数据传输期，除了预留的时隙，其它的媒体时间　

都是由ＰＣＡ协议控制媒体访问的。ＥＣＭＡ一３６８　ＭＡＣ　

的ＰＣＡ协议是一种分优先级的ＣＳＭＡ／ＣＡ协议，此协　

２．４数据传输期的媒体访问控制协议　

数据传输期（ＤＴＰ）紧接在信标期（ＢＰ）之后，这　

个时期传输的是数据帧。ＥＣＭＡ－３６８　ＭＡＣ在数据传　

输期提供了两种媒体访问控制协议，分别提供了同步　

和异步的数据通信服务。同步服务由ＤＲＰ支持，ＤＲＰ　

议根据帧的不同优先级（优先级由更高层标记），提供　

不同的ＣＳＭＡ／ＣＡ竞争参数来传输。另外，因为ＵＷＢ　

物理层信号的功率很低，不可能基于能量来感测载波，　

允许以一种完全分布式的方式处理带宽预留。异步服　

务由ＰＣＡ协议支持。图１示例了一个超帧中的媒体访　

问控制。　

２．４．１　ＤＲＰ　

所以不得不基于前导感测，即只有接收到帧前导才认为　

媒体当前繁忙不可访问。　

２．５设备之闻的数据通信　

ＥＣＭＡ一３６８　ＭＡＣ支持数据帧的分片和重组，以　

处理来自ＭＡＣ子层以上的大数据帧。将数据帧分片有　

利于减小边缘连接的丢帧率（ＦＥＲ）。分片带有上层数　

据帧的序号和分片后的序号。数据帧的分片总数也发　

给目标设备，使它可以为即将到来的数据帧正确地分　

配内存。　

ＤＲＰ是设备间协商和预留带宽的协议。在本协议　

里，预留定义为预留一段超帧ＭＡＳ时隙，并保证在这　

段时间里，预留带宽的所有者能独占媒体，一般应用于　

一

些特别的流的应用同步服务。　

欲定制预留的设备与其对等目的设备协商信道时　

间，使用ＤＲＰ协议保证了ＦＩＦＳ（Ｆｉｒｓｔ　ｉｎ　Ｆｉｒｓｔ　

源设备使用确认（ＡＣＫ）策略以确认帧的传送，标　

准提供３种ＡＣＫ策略以确保不同的应用。（１）没有确　

Ｓｅｒｖｅｄ），即保证设备只能在没有被预留的ＭＡＳ中定制　

预留。发送者发出一个预留请求给接收者，请求包括发　

认（Ｎｏ－ＡＣＫ）策略，不需要确保帧的传送，适于重　

传帧到达太迟或者上层有处理Ａ　Ｃ　Ｋ和重传协议的情　

况；（２）立即确认（Ｉｍｍ－ＡＣＫ）策略，要求接收端收　

送者想预留的ＭＡＳ集合。接收者接收到请求后，分析　

它所属信标群的信道使用时间，并提示是否接受预留请　

求。预留的请求或回复均可以通过ＤＲＰ　ＩＥ的形式在信　

到帧后对每个帧都分别进行确认；（３）阻塞确认（Ｂ—　

标中传送，也可通过使用ＤＲＰ或ＰＣＡ协议以特别的命　

令帧形式传送。一旦成功协商预留，这个预留通过ＤＲＰ　

ＡＣＫ）策略，源端发送多个帧而不插入ＡＣＫ，在源设　

备请求时，这些帧的ＡＣＫ在接收端组成单独的响应帧　

．．

２８．．　

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发出。Ｂ－ＡＣＫ过程在减小Ｉｍｍ－ＡＣＫ过程开销的同　

和Ａｄ－ｈｏｃ网络等特性设计。在ＷｉＭｅ（１ｉａ　ＭＡＣ超帧　

的信标期中，每个设备都发送自己的信标的独有机制解　

决了ＩＥＥＥ　８０２．１５．３和ＩＥＥＥ　８０２．１ｌ的隐藏节点的问　

题，并且允许空间媒介复用。在数据传输期，ＷｉＭｅｄｉａ　

ＭＡＣ使用ＰＣＡ和ＤＲＰ协议。解决了因为ＵＷＢ信号　

淹没在噪声电平中，在ＵＷＢ中提供载波侦听非常困难　

时，使源设备确认了是否已发送帧到目的端。如果源设　

备没有接收到请求的ＡＣＫ，则选择重发或者丢弃帧。重　

发还是丢弃帧取决于正在发送的数据类型、源设备传送　

该帧的尝试次数和时间长度。　

２．８功率管理　

在微微网中，设备是靠电池供电的，为了延长电池　

且相当耗时，会导致长期的信道同步和协议效率低下的　

问题。　

寿命，此标准提供了活动（Ａｃｔｉｖｅ）和休眠（Ｈｉｂｅｍａｔ－　

ｉｏｎ）两种功率管理模式，每种模式提供不同水平的功　

率节省。处于活动模式下的设备，在每个超帧的信标期　

中都接收和发送信标，在数据传输期可以根据操作的需　

Ｗ　Ｉｅ（ｈａ　ＭＡＣ协议是超宽带无线个域网应用的优　

秀候选ＭＡＣ协议，同时也是认知无线电和协同式通信　

的下一代ＭＡＣ协议的候选协议。但是ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ　

要在清醒（Ａｗａｋｅ）和睡眠（Ｓｌｅｅｐ）两个状态之间转　

换。处于休眠模式下的设备最节省功率，它们在超帧周　

期中不发送信标或其它的帧。欲进入休眠模式的设备，　

应当在它的信标中包含一个休眠模式ＩＥ，并在欲进入休　

的信标机制也存在潜在的问题，比如在设备加入群和信　

标冲突的时候选取信标时隙的算法，可能会导致死锁或　

设备无法加入的问题，应当进一步优化信标机制的相关　

算法。如何提高ＷｉＭｅ（１ｉａ　ＭＡ　Ｃ对移动性的支持也是　

研究的热点。　

眠模式的前一个超帧周期中宣布。休眠模式ＩＥ应当说　

明设备需要进入休眠模式的超帧总数。　

３结束语　

本文研究了ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡ　Ｃ协议的主要特性。　

ＷｉＭｅｄｉａ　ＭＡＣ协议是一种完全分布式的ＭＡＣ协议，　

参考文献　

【１　ｊ　ＩＥＥＥ　８０２．１　５．５．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　ＣｏｎｔｒｏＩ　ａ．ｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃ＆Ｉ　Ｌａｙｅｒ　

Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｊｈ　Ｒａｔｅ　Ｗｉｇｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．２００；５　

【２】ＥＣＭＡ一；３６８．Ｈｉｇｈ　Ｒａｔｅ　ｔｉｌｔｒａ　ｗ　ａＴＩｄ　ＰＩＮ　ａｎｄ　ＭＡｃ　ｓｔａ『胁ｄ．２００５　

【　】　“　“一　“。　，　‘。　。。　。　。“　删　ｈａ“　・Ｍ。　ｉＩｉｔｙ　

Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｅｎｎａｎｃｅｍｅｎｔｓ　ｔｏｐ　ｔｈｅ　ＷＪＭｅｄｉ＆ＵＷＢ　ＭＡＣ　ＰｒｏｔｏｃｏＩ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　

专门针对超宽带高速无线个域网的低功率、Ｐ２Ｐ移动性　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，２００５　２ｎｄ　Ｉｎｔｅ眦ｔ１０｜Ｉａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆＥＣＭＡ一３６８　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｏｆＷｉＭｅｄｉａ　ＵＷＢ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　

Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｘｕａｎ　Ｚｈａｎｇ　Ｙａｎｌｉｎ２　

（１　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４０）　

（２　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１００７０）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　

Ｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆＩ旺Ｅ８０２．１５．３ＭＡＣｒｅｓｕｌｔｓｉｎ　ｓｅｖｅｒａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅ，ｂａｎｄ（ＵＷＢ）　

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ。ＳＯ　ｔｈｅ　ＷｉＭｅｄｉａ　ａｌｌｉａｎｃｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ＭＡＣ—－ＥＣＭＡ．３６８　ＭＡＣ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｃｅｎ．　

ｔｒａｔｅｓｏｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｗｅｌｌ　ｓｕｉｔｅｄｆｏｒｌｏｗｐｏｗｅｒ，ａｄ－ｈｏｃ　ｃｏｎｎｅｃ．　

ｔｉｖｉｙ　ｔａｎｄ　Ｐ２Ｐ　ｍｏｂｉｌｉｙ　ｔｉｎ　ＵＷＢ　ｉｇｈ　ｈｒａｔｅ、　Ａ　Ｎ．Ｔｈｊｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｅ　ｔｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｔＭｌＡＣ　

ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　

Ｉ　Ｂ，ＭＡＣ，ＥＣＭＡ一３６８，ＷｉＭｅｄｉａ　

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本文标签： 设备信标协议预留