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[導(dǎo)讀] 引言 基于CSMA/CA的MAC協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)單和健壯性,適用于分布式網(wǎng)絡(luò),每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)需維持和動(dòng)態(tài)更新周圍相鄰節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,可以獨(dú)自決定何時(shí)接入信道,只要上層有數(shù)據(jù)需要傳輸,MAC層就會(huì)對(duì)信道

引言


基于CSMACAMAC協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)單和健壯性,適用于分布式網(wǎng)絡(luò),每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)需維持和動(dòng)態(tài)更新周圍相鄰節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,可以獨(dú)自決定何時(shí)接入信道,只要上層有數(shù)據(jù)需要傳輸,MAC層就會(huì)對(duì)信道進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),因此該協(xié)議的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。嵌入式技術(shù)的發(fā)展對(duì)MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)也提供了很好的技術(shù)支撐。本文搭建了一種基于ARMFPGA相結(jié)合的嵌入式開發(fā)平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于CSMA/CA的MAC協(xié)議。由于ARM和FPGA本身就是可重構(gòu)器件,同時(shí)將FPGA中的一些協(xié)議參數(shù)由ARM來(lái)設(shè)置,通過(guò)修改ARM的代碼就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA中協(xié)議功能的調(diào)整,方便快捷,不再需要重新生成比特文件下載,有利于MAC協(xié)議可重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

1 協(xié)議功能描述

1.1 報(bào)文結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是基于CSMA/CA的MAC協(xié)議的基本訪問(wèn)模式,節(jié)點(diǎn)之間的通信只有數(shù)據(jù)幀(DATA)和應(yīng)答確認(rèn)幀(ACK)。圖1給出了報(bào)文結(jié)構(gòu),其中ACK沒有凈數(shù)據(jù)部分。由于考慮的是一跳范圍的無(wú)線通信,沒有中繼節(jié)點(diǎn)等,因此只有源節(jié)點(diǎn)號(hào)和目的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

1.2 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議除了滿足基本的的物理載波偵聽和虛擬載波偵聽相結(jié)合檢測(cè)信道忙閑的機(jī)制外,還包括幀間間隔、隨機(jī)退避、應(yīng)答確認(rèn)和重傳機(jī)制。

有數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)會(huì)首先監(jiān)聽媒介,若為忙則繼續(xù)等待,若空閑的時(shí)間超過(guò)或者等于DIFS或者EIFS則會(huì)進(jìn)入退避進(jìn)程。在執(zhí)行退避進(jìn)程過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)將隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)退避時(shí)間來(lái)設(shè)置退避定時(shí)器,同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽媒介,若空閑時(shí)間達(dá)到了一個(gè)時(shí)隙時(shí)間,則退避定時(shí)器減去一個(gè)時(shí)隙時(shí)間,如果在期間媒介變?yōu)榱嗣?,退避進(jìn)程將掛起,直到媒介空閑時(shí)間再次達(dá)到DIFS或者EIFS后才會(huì)接著繼續(xù)進(jìn)行退避進(jìn)程。當(dāng)退避定時(shí)器變?yōu)?時(shí),節(jié)點(diǎn)才允許開始發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)也會(huì)啟動(dòng)超時(shí)重傳機(jī)制,如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到所希望的ACK,則會(huì)重傳數(shù)據(jù)幀,當(dāng)節(jié)點(diǎn)重傳的次數(shù)超過(guò)了重傳門限將會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)幀,或者超過(guò)了數(shù)據(jù)幀最長(zhǎng)允許的發(fā)送時(shí)間,也會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)幀;當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到ACK時(shí),就會(huì)開始準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。

接收節(jié)點(diǎn)收到正確且是發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀將會(huì)立刻回復(fù)源節(jié)點(diǎn)ACK。如果節(jié)點(diǎn)沒有收到正確的數(shù)據(jù)幀,則將使用EIFS;如果收到正確的數(shù)據(jù)幀,但是不是給本節(jié)點(diǎn)的,節(jié)點(diǎn)將解析出持續(xù)時(shí)間,更新NAV,將信道視為已被占用。

1.3 功能劃分

本設(shè)計(jì)充分利用ARM靈活便捷的優(yōu)勢(shì),用來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)退避算法和協(xié)議參數(shù)的管理,如重傳次數(shù),幀間間隔的設(shè)置等。隨機(jī)退避算法采用的是第i次退避就在2i個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)地選出一個(gè)值作為節(jié)點(diǎn)需要退避的值。協(xié)議參數(shù)的設(shè)置由ARM來(lái)完成,主要是考慮到FPGA不利于參數(shù)的修改,這樣也可以增強(qiáng)協(xié)議的可重構(gòu)性。而FPGA以其卓越的實(shí)時(shí)信號(hào)處理優(yōu)點(diǎn),用于管理MAC幀的收發(fā)控制等。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

MAC層的工作狀態(tài)主要是由物理載波偵聽和虛擬載波偵聽共同決定的(即:MAC_flag=CS_flag or NAV_flag),當(dāng)兩者都顯示為空閑時(shí),MAC層才會(huì)進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)幀狀態(tài)。同時(shí)該協(xié)議也需要時(shí)鐘計(jì)數(shù)參與其中,IFS_time是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避進(jìn)程前需要等待的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)幀間間隔的功能;Backoff_time是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在退避進(jìn)程中退避的時(shí)間;NAV_time是沒有在通信的節(jié)點(diǎn)預(yù)留信道的時(shí)間。這三個(gè)時(shí)間也關(guān)系著整個(gè)協(xié)議所處的狀態(tài)。圖2給出了具體的實(shí)現(xiàn)流程圖,具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程步驟如下:

(1)若MAC_flag為false時(shí),表明信道空閑,此時(shí)進(jìn)入(2);若MAC_flag為true,則說(shuō)明現(xiàn)在信道已被占用,此時(shí)不管節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于什么狀態(tài)都會(huì)進(jìn)入第七步,除了正在發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn),由于正在發(fā)送的節(jié)點(diǎn)是不可能監(jiān)聽信道的,而且也無(wú)法接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),載波偵聽機(jī)制在這種狀態(tài)下是失效的,因此不會(huì)出現(xiàn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)從發(fā)送狀態(tài)突然變?yōu)榻邮諣顟B(tài)。

(2)執(zhí)行幀間間隔進(jìn)程,遞減IFS_time大小,直到為0就進(jìn)入(3)。IFS_time的初始值為DIFS。

(3)退避進(jìn)程。退避時(shí)間的大小主要是由ARM提供,當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷了一個(gè)時(shí)隙時(shí)間,退避時(shí)隙數(shù)減1,但當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有完全經(jīng)歷一個(gè)時(shí)隙時(shí)間,退避時(shí)隙數(shù)就不會(huì)變化。退避進(jìn)程結(jié)束后就會(huì)進(jìn)入(4)。

(4)判斷發(fā)送類型,設(shè)計(jì)中發(fā)送類型Tx_tpye的初始值為1。若Tx_tpye為0,則為節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀中的源/目的節(jié)點(diǎn)號(hào)以及序列號(hào)等組裝回復(fù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ACK,并初始化IFS_time和Backoff_time以備節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀使用,同時(shí)設(shè)置NAV_flag為true,更新NAV_time的值,繼續(xù)虛擬載波偵聽,避免出現(xiàn)發(fā)送ACK的節(jié)點(diǎn)會(huì)優(yōu)先占用信道的情況;若Tx_tpye不為0,則表明節(jié)點(diǎn)可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀,轉(zhuǎn)入(5)。

(5)發(fā)送數(shù)據(jù)幀前首先判斷是否超過(guò)最大允許發(fā)送的時(shí)間,若超過(guò)了就丟棄該數(shù)據(jù)幀,將IFS_time設(shè)置為EIFS,Backof_time初始化,超時(shí)計(jì)時(shí)器停止;若沒有超過(guò)最大允許發(fā)送時(shí)間,則節(jié)點(diǎn)正式發(fā)送數(shù)據(jù)幀,并啟動(dòng)單次超時(shí)計(jì)時(shí),發(fā)送完畢后就等待ACK,此時(shí)進(jìn)入(6)。

(6)在等待ACK到來(lái)的同時(shí)判斷是否超時(shí)單次允許發(fā)送的時(shí)間,若超過(guò)了,則重傳次數(shù)遞加;然后判斷是否超過(guò)重傳門限,如果超過(guò)了門限,則丟棄該數(shù)據(jù)幀;如果沒有超過(guò),則將IFS_time設(shè)置為EIFS,而且還需要ARM的隨機(jī)退避算法根據(jù)重傳次數(shù)重新給一個(gè)退避時(shí)隙數(shù),同時(shí)修改數(shù)據(jù)幀中的重傳位以便接收節(jié)點(diǎn)識(shí)別。

(7)保存當(dāng)前退避進(jìn)程中的Backoff_time和剛剛結(jié)束的幀間間隔的大小IFS_time,接收MAC幀并解析其中相關(guān)的數(shù)據(jù),為后續(xù)的組裝ACK做準(zhǔn)備,然后進(jìn)入(8),同時(shí)將NAV_flag設(shè)置為true,保證MAC層能處理完數(shù)據(jù)。

(8)校驗(yàn)接收到的MAC幀是否正確,若不正確,則將IFS_time設(shè)置為EIFS,NAV_flag設(shè)置為false,NAV_time設(shè)置為0,這樣節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入執(zhí)行幀間間隔進(jìn)程。若校驗(yàn)正確,則進(jìn)入(9)。

(9)將FPGA解析出來(lái)的目的節(jié)點(diǎn)號(hào)與本節(jié)點(diǎn)的比較,判斷是否是發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的。如果不是發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的,那么就再比較本節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在的NAV_time值是否大于接收到的MAC幀內(nèi)的NAV,若大于則本節(jié)點(diǎn)繼續(xù)按照現(xiàn)有的NAV_time值執(zhí)行下去;若小于接收到的MAC幀內(nèi)的NAV,則使用MAC幀內(nèi)的NAV來(lái)更新本節(jié)點(diǎn)的NAV_time值,然后以最新的NAV_time值遞減下去直到為0,虛擬載波偵聽顯示空閑。但是在執(zhí)行NAV_time遞減過(guò)程中隨時(shí)都有可能收到新MAC幀,而且也不是發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的,照樣要執(zhí)行本步驟,并不是等到NAV_time變?yōu)?后再更新。如果是發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的,則會(huì)進(jìn)入(10)。

(10)若節(jié)點(diǎn)接收到的是數(shù)據(jù)幀。即Rx_type為1,F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)幀上傳ARM;同時(shí)將IFS_time更新為SIFS,Backoff_time設(shè)置為0,這樣使得接收到數(shù)據(jù)幀到發(fā)送ACK之間的時(shí)間間隔為SIFS,并將Tx_tpye設(shè)置為0,NAV_flag變?yōu)閒alse,進(jìn)入(2),開始準(zhǔn)備發(fā)送ACK。如果Rx_type為0,則節(jié)點(diǎn)接收到的是ACK,說(shuō)明一次數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程結(jié)束,節(jié)點(diǎn)將初始化相關(guān)參數(shù),計(jì)時(shí)停止等,F(xiàn)PGA釋放空間,表明該數(shù)據(jù)幀已發(fā)送成功。

3 仿真驗(yàn)證

基于CSMA/CA的MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)各種情況的處理,因此對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)議功能的仿真驗(yàn)證也能說(shuō)明設(shè)計(jì)的正確性。本設(shè)計(jì)中FPGA部分的設(shè)計(jì)是重點(diǎn),所以使用ModelSim進(jìn)行仿真觀察節(jié)點(diǎn)FPGA的處理過(guò)程。

3.1 信道競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

基于CSMA/CA的MAC協(xié)議中各個(gè)節(jié)點(diǎn)也不知道自身周圍的節(jié)點(diǎn)情況,因此節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)隨時(shí)都可能檢測(cè)到信道已被占用。圖3給出了節(jié)點(diǎn)在退避過(guò)程中檢測(cè)到物理載波偵聽變?yōu)槊Γ⒖掏V雇吮苓M(jìn)程,將此時(shí)的退避時(shí)隙數(shù)掛起,即退避時(shí)隙數(shù)保留為31。待到信道重新空閑超過(guò)幀間間隔DIFS后,將以保留的退避時(shí)隙數(shù)繼續(xù)進(jìn)行退避進(jìn)程,變?yōu)?后開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在圖中還可以看到節(jié)點(diǎn)收到正確的ACK后,更新NAV的過(guò)程。從仿真圖的執(zhí)行流程可以說(shuō)明所設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議滿足載波偵聽機(jī)制、幀間間隔、隨機(jī)退避的功能要求。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

從圖4中可以觀察到節(jié)點(diǎn)發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)幀后,超時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí),但在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK,則重傳數(shù)據(jù)幀,重傳退避的時(shí)間是重新賦值的,并且?guī)g間隔不再是DIFS,而是EIFS;當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到正確的ACK后,開始發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)確認(rèn)重傳機(jī)制。

4 結(jié)語(yǔ)

在以ARM和FPGA為主的硬件結(jié)構(gòu)上,設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于CSMA/CA的MAC協(xié)議,該協(xié)議具有載波偵聽機(jī)制、隨機(jī)退避、確認(rèn)重傳等功能。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)MAC協(xié)議的可行性。


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