（通信与信息系统专业论文）超宽带通信mac层的分析以及fpga实现.pdf

摘要 超宽带( u w b ) 技术在无线通信领域中有着巨大的应用潜力。i e e e8 0 2 1 5 3 协议是u w b ( u l t r a - w i d eb a n d ) 系统m a c 层的最佳侯选技术已无庸置疑。本文内 容主要分两个部分，前半部分是理论研究，后半部分是工程实现。 前半部分包括第、二、三、四章。在第一章阐述了课题研究的来源、目的、 意义以及国内外研究的现状后，第二章着重研究了i e e e8 0 2 1 5 3 标准的m a c 层，分析了协议机制。第三章在协议分析的基础上提出了一种较为完善的提高传 输性能的帧头压缩方法，并对其进行了仿真比较。第四章是理论与实践的桥梁， 在前期的研究基础上，构建了一种基于i e e e8 0 2 。1 5 3 的两台设备间的高速传输 的最精简u w b 系统的m a c 层。此系统可以完成五大功能，包括匹克网建立、 d e v 接入、数据传输、d e v 离开、匹克网关闭。 后半部分即第五章。针对第四章设计的精简系统，本文着手实现，首先定下 了整个系统的整体设计思路，分4 大模块实现，并将阐述了各模块实现的功能和 编程思路。然后介绍了实现这一系统所要用到的f p g a 工具，并详细讲述了设计 流程。最后具体实现了p n c 的收模块和发模块中各子模块的的v e r i l o g h d l 编码 设计，使用d e a 开发工具x i l i n xi s e 和m o d e l s i m 进行了综合、仿真、布线和时 序分析。 本文的主要创新之处有三：一是提出了一种根据8 0 2 1 5 3 协议设计的帧头压 缩的方法，并按协议规定的无a c k 和有a c k 两种状况，分别做了具体设计， 并在m a t l a b 上仿真比较了采用前后的传输效率。二是构建了两台设备 ( d e v , d e v i c e ) f i 的高速传输结构的最精简的u w b 系统。三是在设计的精简系统 的基础上，设计了p n c 和d e v 的收发模块，并具体实现了p n c 的收模块和发 模块的v e r i l o g h d l 编码设计、综合、仿真、布线和时序分析。 关键词：超宽带；m a c ：匹克网；f p g a a b s t r a c t u l t r aw i d eb a n d ( u w b ) h o l d st h ee n o r m o u sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nd o m a i n i ti sn od o u b tt h a ti e e e8 0 2 1 5 3s t a n d a r di st h em o s t s u i t a b l et e c h n o l o g yf o ru w bm a cl a y e r t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rc q n t m n st w op a r t s t h ef o r m e rp a r tf o c u s e so nt h e o r i t i c a lr e s e a r c h ，a n dt h el a t e rp a r te x p o u n d sp r o j e c t i m p l e m e n t a t i o n t h ef o r m e rp a r ti n c l u d e sc h a p t e r1 ，2 ，3a n d 4 c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h eo r i g i n ， p u r p o s e ，s i g n i f i c a t i o no f r e s e a r c ht o p i ca n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f u w b c h a p t e r2 a n a l y z e sm a cl a y e ro fi e e e8 0 2 1 5 3s t a n d a r d c h a p t e r3p r o p o s e sat r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t ye n h a n c e m e n ts c h e m eb a s e do nm a ch e a d e rc o m p r e s s i o n ，a n dt h e n e v a l u a t e sp e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e dh e a d e rc o m p r e s s i o nm e t h o di nt e r m so f h e a d e r o v e r h e a dw i t hm a tl a be m u l a t o r c h a p t e r4i st h eb r i d g eb e t w e e nt h e o r ya n dp r a c t i c e as i m p l em a c l a y e rs t r u c t u r ef o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n2d e v i c e si sp r o p o s e d t h e s y s t e mp e r f o r m s 5 f u n c t i o n s ，i e s t a r t i n g ap i c on e t ，d e va s s o c i a t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，d e vd i s a s s o c i a t i o na n dp i c on e ts h u t d o w n c h a p t e r5d e a l sw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es i m p l em a cl a y e rs t r u c t u r e d e s i g n e di nc h a p t e r4 i tc o n t a i n s4m o d u l e sw h i c ha r ep n cr e c e i v e r , t r a n s m i t t e r , d e vr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r i nt h i sc h a p t e r , t h ef u n c t i o n so fe a c hm o d u l e ，t h ef p g a t o o l s d e s i g n i n gf l o wa n dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e d t h ei m p l e m e n t a t i o n o fp n cr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rb ym e a n so fv e r i l o g h d li nx i l i n xi s eh a sb e e n c a r r i e do u t ，a n dt h e ns y n t h e s i z i n g ，s i m u l a t i n g ，w i r ep l a c i n ga n dt i m i n ga n a l y s i sh a v e b e e nd o n e t h ec r e a t i o n a r yw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 ) am a ch e a d e rc o m p r e s s i o ns c h e m ei sp r o p o s e dt oe n h a n c et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yo fm a cl a y e rb a s e do n8 0 2 1 5 3 t w os t a t u s e s ，n o a c ka n dm l m a c k ， a r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e dw i t hc a p a b i l i t yb yu s i n gm a t l a b 2 1as i m p l eh i g hr a t eu w bs y s t e ms t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e dw h i c hi st h e f u n d a m e n t a lf r a m ef o rf u r t h e rr e s e a r c h 3 ) t h ei m p l e m e n t a t i o no f p n c r e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rm o d u l e sh a sb e e nd o n e k e y w o r d s ：u l t r a - w i d eb a n d ；m a c ；p i c o n e t ；f f g a 1 1 u w b 技术简介 1 11 u w b 技术综述 第一章绪论 超宽带( u w b ) 早期的名称有脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 、基带( b a s e b a n d ) 、无 载波( c a r r i e rf r e e ) 等等，直到1 9 8 9 年，美国国防部才正式使用超宽带 ( u l t r a w i d e b a n d ) 这一术语。它的基本概念是产生、传输和接收一段持续时问非常 短的爆发式的射频能量( 脉冲) ，持续时间范围一般在几十个皮秒到几个纳秒。而 由于时、频域之间的关联关系，或者说是傅立叶变换的不确定原理这样的时域脉 冲在频域中延展出非常宽的带宽，这可以说是超宽带得名的由来。 m = 亩f ( 詈 磊f b 栅 轧二：一泛一。 宽带，十h 对带宽大于2 5 ，而且中心频率犬于5 0 0 m h z 的被称为超宽带。表1 1 表不这i 个概念。 表1 1 二个概念的区别 信号带宽中心频率 窄带1 宽带1 2 5 超宽带( u w b ) 2 5 或带宽 ，5 0 0 m b i t s 从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发 送射频载波进行信号调制，而u w b 是利用起、落点的时域脉冲( 几十ns ) 直接 实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以 这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于u w b 发射功率 受限，进而限制了其传输距离，据资料表明，u w b 信号的有效传输距离在1 0 m 以内，故而在民用方面，u w b 普遍地定位于个人局域网范畴。 3 】 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此u w b 具有如下传统 通信系统无法比拟的技术特点：( 1 ) 系统结构的实现比较简单；( 2 ) 高速的数据传 输；( 3 ) 功耗低：( 4 ) 安全性高：( 5 ) 多径分辨能力强；( 6 ) 定位精确；( 7 ) i 程简单造 价便宜。 4 】 从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输距离只有1 0 m 左右，因此我们拿常 见的短距离无线技术与u w b 作一对比，从中更能显示出u w b 杰出的优点。常 见的短距离无线技术有i e e e8 0 2 1 l a 、蓝牙、h o m e r f 。这些流行的短距离无线 通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它 们又相互补充。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下表1 2 所示： 表1 2u w b 、蓝牙、8 0 2 1 l a 、h o m e r f 比较 u w b 蓝牙 8 0 2 1 l ah o m e r f 速率( b i t s )最向述1 g l m5 4 m1 2 m 距离( 米) 1 01 0l o 1 0 05 0 功率1 毫瓦以下l 1 0 0 毫瓦1 瓦以上1 瓦以下 电脑和电脑、电话 应用范围近距离多媒体家庭或办公室 h a t e m e t 网关 及移动设备 1 12 国内外研究概况 121 1 u w b 现状 近几年来，u w b 发展非常迅速 7 ，8 】。在标准化工作方面，2 0 0 3 年9 月i e e e 正式公布了8 0 2 1 5 3m a c 层标准，但在选定物理层技术标准问题上却陷入 m b o f d m 和d s u w b 两种方案竞争的僵局之中。支持m b o f d m 的组织 m b o a ，成t ：j i2 0 0 3 年6 爿，旗下目前已经超过1 7 0 家公司包括i n t e l 、t i 、 s a m s u n g 、p h i l i p s 等；支持d s u w b 的组织u w bf o r u m 由m o t o r o l a 、f r e e s c a l e 等发起。小过，i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组已经规定，无论最终选择哪个物理层标 准，都将采用现有的i e e e8 0 2 1 5 3 的媒体访问控制器。【9 在u w b 产品的最新动态方面，f r e e s c a l e 的x s l l 0 芯片组早在2 0 0 4 年就获 得了f c c 认证；i n t e l 2 0 0 4 年研制出w i r e l e s su s b2 0 ，物理层采用u w b 技术， 速率达4 8 0m b i t s 1 0 ；1 3 9 4 t a ( 1 3 9 4 贸易协会) t n n n 线工作组( w w g ) 日前 宣布，将u w b 用作物理层来无线传输i e e e l 3 9 4 分组信息的“i e e e l 3 9 4o v c r u w b ”已经进入规格制定的最后阶段【1 1 。 在演示系统方面，2 0 0 2 年初，i n t e l 就演示了2 米内1 0 0m b i t s 的u w b 传输 速率；2 0 0 3 年1 月，x t r e m e s p e c t r u m 公司演示传送双路h d t v 信号；2 0 0 3 年4 月，i n t e l 又演示了1 米内多带方式的2 2 0m b i v s 传输速率；2 0 0 3 年4 月，新加 坡资讯通信研究院演示了4 米5 0 0m b i t s ；还有一些如新加坡新龙( c e l l o n i c s ) 公 司、f 1 本太阳诱电、美国b l u e 7 通信公司等的演示系统。 在芯片丌发方面，2 0 0 2 年6 月，x t r e m e s p e c t r u m 推出芯片组 t r i n i t y ，现为 多家开发u w b 产品的公司所采用；2 0 0 3 年9 月，i n t e l 发布基于9 0 n mc m o s 工 艺的单片集成u w b 芯片：2 0 0 4 年4 月，w i s a i r 推出采用m b o f d m 技术的u w b 芯片u b 5 0 1 ( 最高4 8 0m b i t s ) ；2 0 0 4 年8 月，f r e e s c a l eu w b 芯片组x s l l o 通过 f c c 认证。【1 2 ，1 5 在对未来的预测方面，美国i n s t a t m d r 公司预测2 0 0 5 2 0 0 8 年间u w b 设备将以每年4 0 0 的增长率增加：a b i 公司则预测，2 0 0 7 年全球基于u w b 的 电子产品和芯片组的出货量将达到4 ，5 0 0 万个，2 0 0 7 年全球u w b 设备和芯片收 益将达到1 3 7 亿美元；w t r s 预测，2 0 0 7 年通信市场的u w b 芯片市场总值将 达到6 ，3 0 0 万美元。 而在2 0 0 5 年u w b 更有新进展。第一季度时，w i m e d i a 与m b o a 合并，将 显著提高丁f 发超宽带标准和互操作性的效率。今年3 月，f c c 批准了由m b o a 提出的豁免申请，有效地消除了之前对跳频与门控u w b 技术的发射功率限制。 | 浸有箍篼蕊剥2 藕 , - 4 1 d b m c m h z 蔷妻辛；主裴篆， i _ 1 一 只测量单均功率 制定箍免删之菇删b 删h z 孳麓黛抒 。然曼保持謦警- 象蠹銮堡- 镰撅尊n n 控 f c c 豁免规则生效前后的影响 1 3 ，坷j 、学帧卜学位沦上 2 0 0 5 年5h15 | ，无线u s b 促进组织( w u p g ) 完成了无线u s b1 0 规范的 制定，并将其管理权提交给u s b 论坛( u s b i f ) 。按照m b o a 的u w bp h y 规范， 无线u s b1 0 的物理层传输速率分5 3 _ 3 、8 0 、1 0 6 7 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 和4 8 0 m b i t s 等七档。第四季度，拥有u w b 功能的第一款终端产品上市。 1 12 2 国内情况 近年柬我国各高校及研究所对u w b 关键技术做了各种研究，其中有东南大 学承接的8 6 3 项目，“超宽带无线传输技术研究与开发”，对超宽带传输关键技术 进行了较为深入的研究，提出了基于d c o f d m 的超宽带无线传输系统方案，并 设计了关键技术单元。同时东南大学对3 1 g h z l o 6 g h z 超宽带室内无线通信 信道特性和建模、脉冲和m b o f d m 两种制式的综合比较做了研究，以及基于 t u r b o 处理技术u w b 接收技术等进行研究；电子科技大学对l r w b 无线电抗干 扰性能和极窄脉冲特性方面做了分析。清华大学主要在m a c 层协议、上层路由 算法及整体方案作了研究。 在2 0 0 5 年1 0 月举行的第二届中国超宽带无线技术论坛上，飞思卡尔半导体 率先展示了世界上第一套且已通过美国联邦通信委员会f f c c ) 认证测试的直接序 列超宽带( d s - u w b ) 无线技术的商用芯片，并与海尔集团在此次论坛上展示了首 款支持超宽带( w w b ) 的液晶高清晰度电视机( h d t v ) 和数字媒体服务器 1 4 1 。 我国u w b 技术的研发与国际先进水平相比，较为落后。我国可以有自己的 标准，但从政府到企业，支持还远远不够。希望能在u w b 或其它技术领域，有 原创性的工作，并能将研究成果迅速、有效地向产业转化。相信在不久的将来， 我国在信息技术的产业链上的地位会有明显的提升。 1 2u w b 的m a c 层 u w b 系统在短距离范围内的高数据率传输能力，很适用于对带宽、时延敏 感的视频通信，为保证业务的高q o s ( 服务质量) 等级，除了物理层外，还应研究 媒体访问控甫i ( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层的设计。高速数据在无线信道中 传播易产生分组丢弃、突发损失、分组时延等缺点，同时，无线信道随时间、地 点而变，用户的移动性也提出另外的要求，如当接入点改变时，用户希望仍能接 收到同样的q o s 业务，问题在于新无线链路并不一定支持要求的q o s 。这些都 需要通过对m a c 层的合理设计来处理。对u w b 来说，理想的m a c 层应具有 以下功能：参数化q o s 保证、低性能抖动、固定延迟、无冲突接入、自组织和 中央控制、低系统丌销、安全性、多用户支持、可扩展性等。 在高速率u w b 系统的m a c 层设计中，可以根据它的特点进行设计选择， 这是m a c 层设计时一个要考虑的重要问题。当u w b 技术走向标准化和产品化 时，一个特别的问题是：是否采纳一些其他无线网络中的m a c 技术或者完全丌 日、n 啦f 仁 芷论工 发新的技术。这一方面要看现存的m a c 协议是否适用于u w b 应用，另一方丽 是根据u w b 的特性要求加入新的技术到m a c 层一定程度上的兼容性能获得 市场和用户的接受。如u w b 系统中，在发射功率恒定时，距离越远，速率越低。 在设计m a c 层时可利用这个特点，通过适当调整来灵活控制，根据通信的距离 不同为每条链路提供不同数据率的信号；为使u w b 系统间能共存，可在m a c 层利用不同的扩频码来设计u w b 系统；为解决u w b 与w l a n 系统，如8 0 2 1 1 的共存性问题，也可通过物理层和m a c 层的联合设计来实现。u w b 系统成功 应用的一个重要考虑是它与其它w l a n 或w p a n 的共存性 5 ，6 】。 目前就u w b 的m a c 层访问机制的研究有两个方向：一是设计一种全新的 m a c 层协议；另一是利用现有的m a c 层协议，再根据u w b 信号的特点进行 改进。对于设计全新协议，到目前为止这方面的研究还都停留在实验模拟阶段， 距离实用还有不小的距离。目前可满足多媒体应用的无线m a c 标准主要有i e e e 8 0 2 1 1 e 的h c f 模式、h i p e r l a n 2 d m 模式和i e e e8 0 2 1 5 3 。 ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1 e 是i e e e 无线局域网标准8 0 2 1 1 的q o s 增强版。8 0 2 1 1 m a c 层基本的信道接入采用分布式访问控$ 1 j ( d c f ) 方式，以及建立在d c f 之上的集中 控甫i i ( p c f ) 方式，提供集中化轮询式的通信，其具有中央控制的混合协调函数模 式，可以提供较好的q o s 保证。但由于8 0 2 1 1 e 的信道访问方式采用载波侦听 ( c s ) ，而u w b 技术虽然可以实现载波侦听，却因u w b 信号极低的信噪比，使 得该机制非常低效。 ( 2 ) h i p e r l a n 2 ( h l 2 ) 是欧洲提出的与8 0 2 1 1 竞争的技术，其d m 模式专门面 向家庭应用。h l 2 和8 0 2 1 l 的根本区别在于它采用非常短的固定长度分组，集 中控制随机接入资源预留信道，基于成功资源预留的t d m a 类型的信道分配。 这种结构能提供好的q o s 性能，但与8 0 2 1 1 m a c 相比，它实现的复杂性较高。 网络资源的分配和管理全部由中央控n ( c c ) 管理，移动终端( m t ) 使用开槽 a l o h a 协议向c c 发送请求。但由于h i p e r l a n 2d m 只能提供固定的超帧长度 ( 2 m s ) ，所以u w b 较长的同步码将导致协议效率和吞吐量的下降。 f 3 ) i e e e8 0 2 1 5 3 是i e e e 高速w p a n 标准，它具有类似于h i v e r l a n 2d m 的网络拓扑和超帧形式，并且支持动态的超帧长度，由功能最强的设备担任网络 协调管理者，这些特性使它成为u w bm a c 层较好的候选者。 正是由于这些标准都直接作为u w bm a c 层的标准，因此，目前业界正对 上述几种标准，尤其是8 0 2 1 1 ，1 5 ，3m a c 层标准进行改进，以期设计出最佳的 m a c 层标准。 下面先简单介绍一下8 0 2 1 5 3m a c 层规范，它规范是依据以下三点来设计 的即支持特别网、提供多媒体q o s 和支持功率管理。根据现有网的条件，匹 克网中的设备既可以承担主控功能，又可以承担被控功能；既可以加入，又可以 离”，没有复杂的建立程序。8 0 2 1 5 3m a c 层规范为支持多媒体q o s 作了准备， 7 j 、。7 f 出i 学仃隆上 8 0 2 1 5 _ 3m a c 联舰范的超帧结构由信令、竞争接入期( c a p ) 和信道接入时间分配 j 朝( c t a p ) 构成。信令在每一超帧的丌始发送，载有w p a n 特定参数，包括功率 管理和新设备加入匹克刚的信息。c a p 周期预留来传送无q o s 的数据帧，如短 数据或网内设备发出的信道接入请求。在c a p 周期内的媒体接入机理是碰撞检 测多址碰撞避免( c s m a c a ) 机理。超帧的其余时间都留给各设备传送有特定 q o s 的数据帧。在此期间内传送的数据类型包括从大容量图像或音乐文档一直到 高质量声音或高清晰度视像流。最后，功率管理是8 0 2 1 5 _ 3m a c 协议的关键特 点之一。当与w p a n 连接时它可以大大降低耗用电流，在功率节省方式下，q o s 仍能保持。f 4 4 1 表1 3 i e e e8 0 2 1 5 3 与其它标准的比较 8 0 2 1 5 3 8 0 2 1 l b ，g 8 0 2 1 l a蓝牙1 1 频段( g h z ) 2 42 452 4 数据速率 最高为5 5最高为2 2最高为5 4 1 ( m b i t s ) 耗用电流( m a ) 8 0 3 5 0 3 5 0 3 0 视像信道数 4 2 ( 见此表q o s )5 ( 见此表q o s ) 无 通信距离( m ) 1 01 0 01 0 01 0 1 0 0 8 0 2 1 l g 要求改 北美管制 f c c1 5 2 4 9p c c1 5 4 0 7p c c1 5 2 4 7 变规则 e t s i3 0 0 3 2 8 欧洲、日本管制 r c r s t d t 6 6 3 3 a n oo u t d o o r u s e 5 g h z 复杂性 1 5 x3 x4 xl x 连接时间 1 s无 无 5 s 对多媒体保 8 0 2 1 l e 打补丁的q o s ，支持传统 q o s 无视像支持 证时隙 l a n 表1 3 列出了i e e e8 0 2 1 5 - 3 标准的主要特点，并与i e e e8 0 2 1 l a 、b 、g 以 及蓝牙标准进行了比较。如表所示，由于短距离传送的要求，8 0 2 1 5 3 设备的耗 用电流要比8 0 2 1 1 小得多。从组建特别网的观点看，设备能否在很短的时间内与 现有网连接是非常重要的，8 0 2 1 5 3m a c 协议的连接时间指标比1 s 短得多。再 看一下管制方面的要求，工作于2 4 g h z 频段的w p a n 设备是非常有利的，因 为大多数存室外使用的w p a n 设备是不允许使用5 g h z 频段的。 幽j 、f 渺卜。产他论正 1 3 论文的主要研究内容和创新 本论文是以作者攻读硕士学位期问承担课题的工作为基础，在第一章中阐述 了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章对i e e e8 0 2 1 5 3 协议f 1 6 1 进行了分析。第三章在协议分析的基础上提出了一种提高传输效率的 m a c 帧头压缩机制。第四章构建了一种两台设备间的高速传输的最精简u w b 系统的m a c 层结构。第五章详细阐述了精简系统m a c 层设计思路、模块划分、 实现用的f p g a 开发板、开发环境和设计流程，及非常重要的具体实现部分。最 后第六章总结全文。 本文的主要创新之处在于： 其一，8 0 2 1 5 3 协议m a c 层在传输大流量业务时，由于要分段而存在传输 开销偏高的问题。为些本文提出了一种根据8 0 2 1 5 | 3 协议设计的m a c 帧头压缩 方法，按协议规定的无a c k 和有a c k 两种传输状况，分别做了具体设计，并 在m a t l a b 上仿真比较了采用这种帧头压缩方法前后的传输效率。在n o a c k 情 况下，其传输效率最高可为原来的1 1 4 ；在i m m a c k 情况下。其传输效率最 高可为原来的1 0 8 8 。 其二，本文在详细分析i e e e8 0 2 1 5 3 协议的基础上，设计了最精简的u w b 系统的m a c 层结构，这个结构支持两台设备( d e v d e v i c e ) 间实现高速传输。由 于i e e e8 0 2 1 5 3 协议异常庞大，工程上一股根据需要，对m a c 层进行有选择 地实现。本文设计的u w bm a c 层精简结构即是主干部分，在此基础上，有选 择地加入相关内容就可以实现相关的系统。 其三，本文在所设计的精简系统的基础上，设计了p n c 和d e v 的收发模块。 并在f p g a 开发板s p a r t a n 一3 环境下，具体实现了p n c 的收模块和发模块的 v e r i l o g h d l 编码设计，使用e d a 开发工具x i l i n xi s e 和m o d e l s i m 进行了综合、 仿真、布线和时序分析。经过一系列严格的仿真验证和综合布线，各项指标均满 足设计要求。 7 h 、? 坝l 等似论上 第二章i e e e8 0 2 1 5 3 协议分析 l f 如1 2 中所分析的，8 0 2 1 l e 由于采用低效的载波侦听( c s ) ，h i p e r l a n 2 由于采用导致协议效率和吞吐量的下降的固定的超帧长度( 2 r n s ) 皆不是实现 u w b 的最佳m a c 层，而8 0 2 1 5 _ 3 协议具有类似于h i p e r l a n 2d m 的网络拓扑 和超帧形式，并且支持动态的超帧长度等原因使其成为u w bm a c 层较好的候 选者，本文的研究便是在此协议基础上的。 2 1 匹克网概述 w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，无线个域网) 用于几个设备间的短距离 通信。它不像w l a n 那样需要基础设施，只要很少甚至不需要基础设施。这就 使其可为许多设备提供小范围、低功耗、低价格的解决方案。 这一标准为在一小空间范围内固定设备、便携设备和移动设备之间高速率无 线连接定义了物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 具体的规范。它的目标之一 是实现与其他8 0 2 1 5 标准间的互操作与共存，如8 0 2 1 5 2 1 1 7 ，1 8 。空间范围大致 为围绕一个人或某一客体l o m 的空间。在此范围内，此人或此客体可移动，所 以这个空间比起无线局域网来更自由。同时标准也不是8 0 2 1 5 1 【1 9 】的扩展，因 为两者问m a c 层的需求是不一样的。此标准的目的是为了已在或进入个人移动 空问内的设备提供低复杂度、低成本、低功耗和高速率的无线通信。数据速率有 2 0 m b i t s 或更高。这一标准对各多媒体数据类型提供q o s 保证。 1 6 匹克网是一个无线自组织数据通信系统，它允许独立数据设备可互相通信。 匹克网与其他类型的数据网的不同在于它是围绕一个移动或静立的人或设备周 围小范围距离内的通信。这与l a n ，m a n 和w a n 恰恰相反，它们要覆盖一个 连续较大的地理区域，如一幢楼、一个校园或一个国家乃至整个世界中处于不同 地理位置的互相连接的设备。匹克网是由几部分组成的，如图2 1 所示。 内j 、； 叫1 学化论上 图2 18 0 2 1 5 3 匹克网组成框图 匹克网的基本组成是d e v ( 设备) ，其中有一台d e v 需要承担p n c ( p i c o n e t c o o r d i n a t o r ，协调者) 的任务。p n c 随信令为匹克网提供基本时钟。另外，p n c 管理q o s 请求、功率节省模式和接入控制等。 由于8 0 2 1 5 3 匹克网不用预先设定，一旦有需要就组成个匹克网，所以这 种形式的操作系统是一个自组织网。 协议允许设备可以在已有网的基础上组建附网。此时，原来的网相当于父网， 附网即是子网或邻网。子网和邻网都有一惟一的匹克网i d ( p n n 3 ) ，都依赖父网 分配的一专用c t a 而生，但子网的p n c 是父网d e v 中的一员，而邻网的p n c 不是父网中的d e v 。一个独立的匹克网是没有任何附属匹克网的。 2 2m a c 层功能概述 1 e e e8 0 2 1 5 3w p a n 的m a c 层主要实现以下几种功能： i ) 匹克网的形成与结束 当一个8 0 2 1 5 3d e v 可以作为p n c 发送信令时，便形成了一个匹克网，即 使网中没有已接入的d e v 。p n c 的一个主要功能是传输带有匹克网信息的信令 帧。 为了建立一个匹克网，一台有p n c 能力的d e v 扫描所有可接触到的信道， 并找到一条未被使用的信道。如此d e v 发现一条干净的信道，那么在它确定此 信道在一特定时间段内是空闲的后，开始发送信令，也即开启了匹克网。如果没 有信道可用，则这台d e v 会设法组成一个附网。在匹克网开启的过程中不能保 证成为p n c 的d e v 是最优的p n c ，那么这台暂时的p n c 会启动接入和移交程 序找到最优d e v 成为匹克网的p n c 。 当p n c 被允许移交给一附属p n c ，这并不意味着附网p n c 将合并两个匹克 例。8 0 2 1 5 3 协议并未提供两网并一网的程序。另外还有子网和邻网的开启过程。 【1 6 】 当台d e v 联入一个已存的匹克网，p n c 检查这台新d e v 的能力，以看 它的能力是甭超出现任p n c 。如果这台新d e v 更有能力，同时当前的安全机制 也接受它，那么p n c 就会执行移交匹克网控制权的程序，将控制权移交给新加 入的d e v 。这一交权过程会维持所有的时问分配，以使匹克网内的数据传输不 会中断。如果p n c 想要关闭或离开匹克网，那么它会通过移交程序将控制权交 给匹克网中的另一台d e v 。移交程序同样支持子网p n c 的交权，这要比一个独 立的p n c 或一父网p n c 的交权过程复杂。 如果p n c 将停止运行，且网内没有能担当p n c 职责的d e v ，那么p n c 在 信令中发出p n c 关闭信息元，通知所有的匹克网成员。 万一p n c 突然离开匹克网，且没有将控制权交给另一台能担当p n c 职务的 d e v 时，匹克网将停止运行。接入超时期a t p 结束后，原匹克网中能担当p n c 的d e v 将通过正常的程序重新启动一个新的匹克网。 2 ) 接入和离开 一台d e v 加入匹克网需要通过接入程序。接入后，匹克网给d e v 一个惟 的d e v i d ，只有8 比特长，用来代替8 字节长的d e v 地址，以节省系统开销。 接入程序为d e v 提供匹克网中有用的服务信息，为p n c 提供新d e v 的能力， 以便p n c 决定它是否需要将匹克网的控制权移交给新d e v 。 当一台新d e v 加入匹克网，p n c 会在信令中广播匹克网内所有d e v 的信息， 其中包括新加入的d e v 的信息。这样可以让网中其他d e v 知道有新设备加入， 并给新d e v 传送网内成员的信息。 当一台设备想离开匹克网，或是p n c 想把一台d e v 从网中删去，那么将用 到离开程序。已断开的d e v 其d e v i d 不再有效。直到a t p 期满，才允许p n c 重新发出相同的d e v i d 给新接入的d e v 。 3 ) 安全功能 与有线网络相比，无线网络的开放性导致了信息安全问题变得十分突出。在 8 0 2 ，1 5 3 中，匹克网安全模式有两种： a ) 模式o 一开放：m a c 不要求有安全成员关系，也不用载荷保护。p n c 通过d e v 地址列表准许或拒绝d e v 加入匹克网。 b ) 模式1 安全成员关系或载荷保护：d e v 加入匹克网之前先经过认证。 匹克网中数据发送使用载荷保护( 数据完整数据加密) 。匹克网中传送的大部分命 令要求数据的完整性。 当安全性被激活，如匹克网使用安全性模式1 ，想要加入匹克网的d e v 必 须与p n c 认证。为了安全通信，d e v 也可与其他d e v 进行认证。当d e v 得到 一个安全关系的管理密钥时，它就建立了一种安全成员关系或安全关系。 4 ) 8 0 21 5 3 超帧 8 0 2 1 5 3 超帧中的时间分配是基于超帧的，其如图2 2 所示。超帧由3 部分 组成： 一信令，负责时削分配，传送匹克网的管理信息。信令由信令帧和p n c 发 的作为信令扩展部分的任何宣告命令组成。 - - c a p ，传递命令和或异步数据( 如果超帧中有的话) 。 一c t a p ，由各c t a ( 信道时间分配) 组成，其中包括m c t a ( 管理信道时间分 配) 。c t a 用于传命令、同步流和异步数据。 图22 中m c t a 所示在c t a p 的前端，但p n c 可以将任意数据的m c t a 放 在超帧中的任意位置。 s u p e r f r a m e # m 一1 l s u p e r f r a m e # m l s u p e r f r a m e # m 十1 8 鬻n l 焉“而阿篇并篱篇急而 图2 28 0 2 1 5 _ 3 匹克网超帧 c t a 的长度由p n c 决定，并经由信令b e a c o n 告知各d e v 。但是p n c 能用 m c t a 的功能取代c a p 提供的功能，除非2 4 g h z 物理层中p n c 被要求允许d e v 使用c a p 。m c t a 是c t a 的一种，它用于d e v 与p n c 间的通信。 c a p 用c s m a c a 信道访问机制。另外，c t a p 用一种标准t d m a 协议，各 d e v 有着特定的时间窗。m c t a 要不被设计为有着明确的源目的地，并用t d m a 接入；要不就是被c t a 共享的，用开槽a l o h a 协议。 5 ) 信道时间分配 所有数据在8 0 2 1 5 3 匹克网内是以对等方式交换的。匹克网内设备间交换数 据有3 种方法： a 1 在c a p 内传送异步数据。 b ) 给c t a p 内的同步流分配信道时间。 c ) 在c t a p 内分配异步信道时间。 若超帧中有c a p ，且p n c 允许数据在c a p 中传送，匹克网中的d e v 就可 以不用非要等分配到信道时间就可用c a p 传少量数据了。 如果d e v 需要固定的信道时间，那么它就会从p n c 那申请一同步信道时间。 如果资源有空，那么p n c 会分配一个c t a 给d e v 。如果数据要求改变了，那 么d e v 要求再分配一次。源端d e v 、目的端d e v 或p n c 都被允许终止流。 对于常规c t a ，p n c 可在每个超帧内改变它们的位置。 异步分配略有不同。不像同步分配，这里只有源d e v 或p n c 才能终止一种 异步分配。 6 ) d e v 问的数据通信 为了处理从高于m a c 予层来的大容量数据帧，本协议支持数据帧的分段和 jjj 、。川咖卜产位论土 碎”整理。将数据帧分段的能力对降低误帧率非常有用，因为它减小了帧的大小。 分段序列号l b 上层帧的序列号和分段自己的序列号组成。数据帧的总分段数同样 被传送出去，来使得接收端d e v 分配正确的内部存储空倒以容纳收到的帧。 如果源d e v 想证实帧传达与否，那么可使用一种a c k 机制。本协议为不同 应用提供了3 种a c k 。n o a c k 策略，适用于那些不需要保证的帧，通常是那 些重传的话会到得太晚或那些由上层协议处理a c k 和再传协议。k n m a c k ( 立 即确认) 策略提供一种确认程序这种确认程序里，每收到一帧就确认一帧。 d l y a c k ( 延时确认) 策略使源d e v 传送数帧而无一干扰a c k 。此时，单个的 a c k 被集中到个反应帧里，当源d e v 请求发送时发送。d i y - a c k 的开销较 i m m a c k 的少，但同样达到了源d e v 证实帧是否传达目的地的目的。 如果源d e v 没有收到要求的a c k ，则它会重发此帧或略过此帧，是重发还 是略过此帧依据已传送的数据或命令的类别、源d e v 试着传送帧的次数或时间 长短以及其他依赖因素而定。 7 ) 匹克网中的信息发现 由于8 0 2 1 5 3 本质上是自组织网，所以对匹克网中的d e v 来说，随时发现 业务和匹克网中其他设备能力的信息相当重要。本协议支持4 种传送网中d e v 信息的方法，p n c 信息申请命令、探查申请命令、宣布命令和匹克网业务命令。 另外，p n c 可以请d e v 用远程扫描请求命令评估现行信道或另一信道的信道条 件。匹克网中的任何设备都可以用信道状态申请命令问另一台设备当前信道的状 态。 p n c 信息申请命令用于从p n c 处获得关于网中某一或所有d e v 的信息。 p n c 用p n c 信息命令回复，其中包含由命令发起者所要求的那台或那些d e v 的信息。 d e v 用探查申请命令得到另一台d e v 的详细信息。这命令允许发起的 d e v 从目标d e v 处重新得到许多有效的信元。 匹克网中d e