摘　要:讨论了IEEE 802.15.3协议媒体访问控制" title="访问控制">访问控制层适合高速个域网传输的基本特点,分析了超宽带技术的发展趋势,并结合超宽带技术提出了目前IEEE 802.15.3协议MAC层的主要研究热点,包括同步捕获、媒体访问控制、资源调度等。
　　关键词: IEEE 802.15.3 媒体访问控制 超宽带 服务质量(QoS)

　　IEEE 802.15.3^[1]标准专为高速无线个域网制定,支持各种便携电器之间的多媒体连接。该标准支持11M～55Mbps的数据传输速率,采用高效的TDMA协议作为主要媒体访问控制方式;物理层运行在2.4GHz ISM频段,可与IEEE 802.11、802.15.1和802.15.4标准兼容,并能满足这些标准无法满足的应用需求;网络采用动态拓扑,使用便携式装置能够在极短的时间内(<1s)加入或脱离网络。本文主要介绍IEEE 802.15.3的MAC层协议在服务质量QoS(Quality of Service)机制和功率管理等方面的特点以及目前的研究热点。
1 IEEE 802.15.3 MAC协议
1.1 微微网
微微网" title="微微网">微微网是无线自组织的数据通信系统,允许独立的数据设备(DEVs)间互相通信。微微网的通信范围通常在10米以内。
1.1.1 微微网的组成
　　802.15.3微微网的组成如图1所示。基本元素是设备(DEV),其中一个DEV充当微微网协调器PNC(Piconet Coordinator)。PNC以信标(Peacon)形式为微微网提供基本定时功能,　　并负责服务质量请求、功率节省和访问控制。

　　超级帧由以下三部分组成:
　　(1)信标(Beacon),用于设定时间分配和交互管理信息;
　　(2)竞争访问周期CAP(Contention Access Period),用于交互命令和(或)异步数据;
　　(3)信道时间分配周期CTAP(Channel Time Allocation Period)由信道时间分配CTAs和管理信道时间分配MCTAs(Management CTA)组成。CTA用于命令、同步流和异步数据的连接,MCTA只用于DEV和PNC之间的通信。
　　CAP采用CSMA/CA机制访问媒体,CTAP则采用标准的TDMA协议。MCTA或采用TDMA机制分配给特定的源-目的对,或采用分片的aloha协议共享CTA。
1.3 设备之间的数据通信
　　标准支持数据帧" title="数据帧">数据帧的分片和重组,以处理来自MAC子层以上的大数据帧。将数据帧分片可以减小帧的长度,有利于减小边缘连接的丢帧率FER(Frame Error Rate)。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接收端" title="接收端">接收端DEV,使它可以为即将到来的数据帧正确地分配内存。
　　源DEV使用确认(ACK)策略确认帧的传送。标准提供三种ACK策略以确保不同的应用。没有确认(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ACK和重传协议的情况。立即确认(Imm-ACK)要求接收端收到帧后对每个帧都分别进行确认。延迟确认(Dly-ACK)使源端发送多个帧而不插入ACK,在源DEV请求时,这些帧的ACK在接收端组成单独的响应帧发出。Dly-ACK过程在减小Imm-ACK过程开销的同时,使源DEV确认了帧到目的端的发送。
　　如果源DEV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DEV传送该帧的尝试次数和时间长度。
1.4 功率管理
　　802.15.3设备靠电池供电。为延长电池寿命,标准提供了三种功率节省技术:设备同步功率节省DSPS(Device Synchronized Power Save)模式、微微网同步功率节省PSPS(Piconet-Synchronized Power Save)模式和异步功率节省APS(Asynchronous Power Save)模式。微微网的DEV运行在以下四种功率管理(PM)模式中,即:活动(ACTIVE)模式、DSPS模式、PSPS模式和APS模式。
　　(1)PSPS模式:允许DEV在PNC定义的期间内睡眠。DEV要进入PSPS模式时需给PNC发送请求,PNC通过设置信标中DEVPS状态通知微微网。然后PNC选择系统清醒的信标,并为PSPS模式的设置指出功率节省状态中的下一个信标。所有PSPS模式的DEV要侦听系统清醒信标。
　　(2)DSPS模式:使一组DEV在多个超帧期间睡眠,但在同一超帧期间醒来。DEV通过加入DSPS集合同步它们的睡眠模式,其中DSPS集合规定了DEV醒来的周期间隔和下次DEV清醒的时间。DSPS集合除了允许DEV同时清醒和交换通信量,还能使其他DEV更容易确定DSPS模式下的DEV何时可以接收通信量。
　　(3)APS模式:允许DEV为扩展的周期保存能量,直到选择侦听信标为止。APS模式下DEV的惟一职责是在关联超时周期ATP(Association Timeout Period)结束之前与PNC通信,以维持微微网内其成员关系。
　　在清醒的超帧中,PNC以PSPS模式或DSPS模式分配CTA给目标DEV。
　　无论DEV采用何种功率管理模式,微微网中的每个DEV都可以在超帧期间没有被分配传输或接收数据的时候关闭电源。
2 UWB的状况及趋势
2.1 UWB的发展现状
　　随同802.15.3 MAC标准,IEEE定义了工作在2.4GHz频段的802.15.3物理层方案,采用QPSK、DQPSK、16-QAM、32-QAM、64-QAM几种调制方案,支持11Mbps、22Mbps、33Mbps、44Mbps和55Mbps多种速率传输。这一数据率与802.11a的最高54Mbps数据率相当,还不足以满足日益增长的多媒体应用对高带宽的要求,这就产生了对新频段和新技术的需求。为此,IEEE另成立了802.15.3a" title="3a">3a标准组,负责制定采用UWB(超宽带)技术的WPAN物理层标准,支持100Mbps～480Mbps的共享数据率。摆在参与802.15.3a标准制定的各大公司和研究机构面前的是美国通信委员会FCC(Federal Communication Commission)规定的UWB工作频率和发射功率门限^[2],而选用何种技术利用这一频段成为争论的焦点。有两种技术在理论上都具备高速率、短距离、低功耗且实现简单的UWB特性。一种是传统的脉冲发射(Impulse Radio)方案^[3],它采用脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)或脉冲位置调制(Pulse Position Modulation)方式,发送持续时间极短、频带极宽的基带脉冲信号,超宽带(UWB)这个名字正由此技术而来。另一种是MB-OFDM(Multibanded OFDM)技术^[4],它将FCC划归给UWB的3.1G～10.6GHz频带分割成多个超过500MHz的次频带,在每个次频带中应用OFDM调制方式。MB-OFDM虽然与对UWB技术的传统定义有所不同,但其每个次频带的频宽仍符合FCC对UWB的定义。同时,通过OFDM技术将频带划分成多个窄带,能够更精确地控制各个频带的发射功率,有利于与现有的窄带通信系统共存,满足FCC的功率门限要求。由于有些大公司已掌握OFDM技术,所以MB-OFDM技术得到了许多大公司的支持。然而,脉冲发射技术也仍然有它的支持者,因为更宽频带的信号具有更好的多径特性。
　　目前,UWB技术标准制定者已经分成两大阵营:一个是Motorola公司主导的直扩UWB(Direct Sequence UWB)技术,这一方案与传统的脉冲发射UWB比较接近;另一个是以德州仪器TI和Intel为代表的诸多公司组成的MBOA(Multiband OFDM Alliance)组织。MBOA的提案在802.15.3a标准组中始终占有优势,但却始终无法取得提案通过所需要的75%的支持率。现在MBOA已经有抛弃IEEE制定标准的倾向,甚至开始为WPAN制定不同于802.15.3的新的MAC协议。Motorola则声称使用直扩UWB可以对802.15.3 MAC层标准不做改动,但IEEE又不能忽视产业界其他公司的异议,接受Motorola的提案作为802.15.3a标准。此外,国际电信联盟ITU的态度也不明朗。于是,这场有关IEEE802.15.3a标准,又称WiMedia的产业界争论愈演愈烈,成为未来无线个人网发展的一大不确定因素。我国政府虽尚未开始制定UWB相关标准,但UWB和OFDM等技术已经得到科研领域的广泛关注,同时,中国这块巨大的市场也必将引发类似的标准制定上的激烈争夺。
2.2 MAC层研究热点
　　由于IEEE 802.15.3的MAC层是针对IEEE 802.15.3的物理层设计的,而对于采用UWB作为高速率物理层的IEEE 802.15.3a,对应的MAC层也应进行相应的改进。
　　UWB系统设计的一个主要问题就是同步捕获,接收端通常需要几十微秒甚至几十毫秒与发射信号同步。由于UWB系统的速率很高,同步时间过长导致开销也急剧增加。同步的捕获通常在发送信息位之前通过发送前导码来实现。前导码的持续时间取决于接收端的设计,从几十微秒到几十毫秒。显然,对于高速数据速率的应用,前导码的开销会极大降低UWB网络的效率。
　　媒体访问协议也是一个值得研究的问题。带有冲突的媒体访问协议(如CSMA/CA)并不适合UWB系统,这是因为:(1)带有冲突的媒体访问协议不能提供带宽、延迟等QoS指标的支持;(2)由于UWB信号淹没在噪声电平中,在UWB中提供载波侦听非常困难且相当耗时,会导致长期的信道同步和协议效率低下。可行的UWB的MAC层解决方案是采用时位跳变多址机制。这种方式产生的问题就是如何共享无线资源。
　　多媒体业务流量剧增,使得无线网络的QoS保障问题日益突出。在给定的带宽下,PNC获取哪些信息比较有效,如何根据有限的信息进行合理调度,使PNC在每个超级帧中为各个发送节点分配合适的时间片,这些问题也需要进一步研究。
　　此外还有很多有待解决的问题,例如UWB设备和其他移动设备间的兼容共存、削弱干扰、连接鲁棒性等问题,这里不再一一赘述。
　　IEEE 802.15.3协议是针对高速率无线个域网设计的新标准,包括物理层和MAC层两大部分。本文主要介绍了MAC层的基本特点。这些特点包括无竞争信道访问、P2P通信和块确认等,显著增强了MAC层在高速率物理层上的吞吐量。随着UWB技术的进一步推广和FCC的逐步开放,IEEE另成立了802.15.3a工作组,负责制定采用UWB技术的WPAN物理层标准,对应的MAC层则仍采用802.15.3的MAC协议作基础。为此,本文提出了一些为支持UWB技术而在原有MAC层上进行的研究热点,这些热点将是未来高速无线个域网的重要研究方向。
参考文献
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