摘 要： IEEE802.15.3被认为是UWB技术的MAC协议可选方案之一，然而它并不完全适应于UWB的物理层，为此本文设计了一个新颖的MAC协议加速器" title="协议加速器">协议加速器。它把MAC层分成两个子层：上层MAC(UMAC)和下层MAC(LMAC)。UMAC实现一些定时不敏感的MAC功能；而LMAC实现那些需要实时响应的MAC功能。性能分析表明吞吐量、延时等参数得到了明显改善。
    关键词： 超宽带" title="超宽带">超宽带  UMAC  LMAC  协议加速器

    超宽带(UWB)传输技术给无线通信带来了革命性的推动。UWB主要基于激励无线电(IR)技术，在短距离通信中使用极短脉冲(皮秒持续时间)以获得很宽的频段。当前，为了使各种潜在应用，如雷达、无线办公室组网、无线家庭组网等受益，IEEE802.15.3被看作是UWB的MAC协议的一种可选方案。UWB的物理层(PHY)特性有高数据速率、皮秒脉冲、高信道获取时间(即实现发射机和接收机之间的位同步时间)等，它给MAC协议设计带来了极大的挑战^[1]。
    传统上，一个网络接口卡(NIC)包括一个RF(无线电频率)电路、基带处理器和MAC控制器。其中RF和基带处理器实现物理层功能；MAC控制器实现802.15.3 MAC功能，它也控制RF和基带的状态和操作模式[2]。然而，目前的802.15.3协议不能完全发挥UWB的物理层特性。为了满足UWB物理层传输要求，IEEE802.15.3高速任务组正在改进802.15.3。所以，把所有的802.15.3 MAC功能通过MAC控制器来实现，这种做法的可升级性和灵活性较差。
    本文设计了一个新颖的MAC协议加速器，把MAC层分成两个子层：上层MAC(UMAC)和下层MAC(LMAC)。UMAC把MAC协议中一些定时不敏感的功能从硬件平台" title="硬件平台">硬件平台移到了主机侧，和网卡驱动程序放在一起，如把MAC管理算法移到主机侧；LMAC作为网络接口卡(NIC)的MAC控制器，实现需要实时响应的MAC功能。另外，采用系统优化的跨层设计方法，对LMAC功能进行了优化，例如增加虚拟载波侦听模块，并且通过固件" title="固件">固件增加硬件平台的灵活性。
1 超宽带的MAC协议可选方案802.15.3
    802.15.3是为无线个域网(WPAN)设计的MAC协议，其任务是针对消费者图像和多媒体应用制定高速率短距离技术，达到所需的物理层数据速率和满足媒体接入控制层(MAC)的QoS需求。
    802.15.3 MAC协议支持微微网、提供多媒体QoS和支持功率管理。802.15.3的时间安排基于超帧，如图1所示。超帧由三部分组成：

    (1)信标(Beacon)：用来为微微网发送时间安排和传送管理信息。信标由信标帧组成。
    (2)竞争接入期(CAP)：用来传输超帧中当前的命令和/或异步数据。
    (3)信道时间分配期(CTAP)：包括管理信道时间分配(MCTAs)和一般数据信道时间分配(CTA)。
    802.15.3被认为是当前UWB技术的MAC协议可选方案之一。但是，现有的802.15.3不是UWB的最理想的MAC方案。如802.15.3中定义短帧间间隔为10?滋s，当UWB数据传输速率在50Mbps以下时，这个间隔比较合理；但是当UWB数据传输速率达到480Mbps时，10μs的间隔对UWB来说太大了。另外，UWB的其他特性，如低功耗下工作、具有相当精确的测距能力等，可能需要新的MAC功能定义及与传统MAC功能完全不同的实现方法。因此，本文设计了一个MAC协议加速器，可以灵活地配置和升级UWB的MAC协议。
2 MAC协议加速器设计方案
2.1 传统的MAC协议设计方案
    传统上把802.15.3作为面向超宽带的MAC协议，并且所有的MAC功能都在MAC控制器实现。其方案如图2所示。

    由于目前的802.15.3协议不能完全发挥UWB的物理层特性，所以这种方案成本高，可升级性差。
2.2 MAC协议加速器设计方案
    通过对传统的MAC设计方案的改进，设计了MAC协议加速器，把MAC层分成UMAC和LMAC两个子层。其方案如图3所示。

    其中UMAC功能实现的是一些定时不敏感的MAC功能。如MAC管理算法，用软件在主机侧实现，和网卡驱动程序放在一起。管理算法可以自主开发，也可以使用第三方软件，可随时升级为先进的管理算法。而LMAC用硬件实现那些需要实时响应的MAC功能，即NIC的MAC控制器。并且对LMAC的部分功能进行了协议改进，如增加虚拟载波侦听模块。整个LMAC通过固件增加硬件平台的灵活性，用FPGA实现。
3 MAC层功能划分及设计
    UWB最关键的技术是带宽能达到480MHz，因此处理高速率数据是MAC设计的基本需求。为了实现这个目标，必须合理地进行UMAC层和LMAC层功能定义，否则接收器将不能处理帧接收，接收器的帧缓冲器将溢出，从而出现误帧。
3.1 UMAC层功能定义
    通过研究802.15.3 MAC协议可以看到，MAC层包括MAC层数据实体和MAC层管理实体(MLME)。MLME的许多功能都对定时要求不严格，所以可以被划分到UMAC。在MLME中，开始、维护、停止通信和关联/去关联等功能可以被延迟，且不会使性能恶化。例如，如果一个UWB节点(DEV)要与无线个域网协调器(PNC)关联，而UMAC处理由于一些原因被延迟，DEV关联仍旧能成功。除了MLME，一些定时不敏感的MAC层数据功能也可以在UMAC实现，例如MAC层协议数据单元(MPDU)产生器可以被划分到UMAC。由于MPDU产生器是为了把上层的业务数据单元(SDU)进行分段，而上层SDU也是软件产生的，因此MPDU产生器的软件实现可以及时地处理SDU。
    UMAC有两个通道，一个是数据通道，处理MAC层数据帧" title="数据帧">数据帧和检测信道状态；另一个是管理通道，处理MAC管理帧，并控制MAC层行为。
3.2 LMAC层功能定义
    数据帧由UMAC产生，而信标帧、命令帧和确认帧的传输、接收和处理，必须被分到LMAC用硬件实现。在802.15.3中，数据帧、命令帧以超帧的形式传输；同时，在LMAC里添加了虚拟载波侦听模块，以提高超宽带系统载波侦听困难的缺点。除此之外，WEP模块用来对MAC帧解密或加密，因其定时要求较高而被列到LMAC层。MAC层同步不能被看作UMAC功能，因为DEV状态可能要立即交换，所以把它列到LMAC层。
    通过UMAC层和LMAC层功能定义，对MAC层功能进行划分，如图4所示。

3.3 LMAC层硬件设计
    虽然软件实现速度比较慢，但其实现灵活且经济。硬件实现快速，也能获得高性能，但其占用更多的芯片，并且不容易升级。所以，UMAC层放在主机侧通过软件实现，而LMAC放在网卡侧通过硬件实现。本文使用ARM平台实现LMAC层硬件功能，以提高系统灵活性，体系结构如图5。

    图5结构中，对802.15.3协议进行了增强，如添加了虚拟载波侦听模块，以提高超宽带系统载波侦听困难的缺点。另外，ARM微处理器的总线结构使得增加其他外围设备很容易。通过这些改进达到了硬件协议加速的目的。其中硬件平台的设计流程为：(1)研究802.15.3 MAC协议，并针对UWB应用进行增强；(2)根据改进的MAC协议用规范化描述语言(SDL)来实现；(3)下层MAC(LMAC)协议向ARM平台的移植。首先把SDL设计翻译成C/C++代码，接着把C/C++代码映射到RTOS的某个任务，然后把RTOS传输到待使用的ARM硬件平台上。
    通过该硬件平台，可以很方便地实现LMAC功能。如ACK帧的处理，通过从前一个数据帧(如DestID、SrcID、流索引等)提取一些信息，Tx/Rev调度程序产生ACK帧。虽然ACK需要在2?滋s内发送，现在却可以很容易地实现，因为ACK产生过程是纯硬件的。当一个信标帧到达时，协议加速器将产生一个ARM中断，中断程序会给ARM发送指令。在固件控制下，Tx/Rev可以实时地提取信标帧内的所有信息，并且重新设置LMAC状态，如CAP开始时间和持续时间。通过ARM上的固件和PIC接口，Tx/Rev也能提取UMAC中的微微网信息。
    本文提出了一个面向超宽带的MAC协议加速器设计方案，并给出了协议分析、设计方法和LMAC硬件结构。本协议加速器在两方面实现了协议加速：一方面是通过把MAC协议中一些定时不敏感的功能从硬件平台移到了主机侧，增加了系统的灵活性，减轻了硬件平台的负担，实现了协议加速；另一方面采用系统优化的跨层设计方法，对硬件平台中的MAC功能进行了优化，并且通过固件增加了硬件平台的灵活性，实现了协议加速。
    通过建立硬件模块，MAC设计可以实现UWB链路的所有性能，并且硬件费用很低。目前，已经建立了一个SDL模型来模拟和验证整个MAC层功能，并正在构建一个Verilog HDL模型。模型可以把部分硬件行为提取到高层，而保留重要的硬件特性。详细的实验有待进一步开展，以评估整个MAC系统的运行性能，包括数据速率、速度、芯片大小和节省功率等。
参考文献
[1] RACHERLA G，ELLIS J L，FURUNO 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.