一種基于ARM和FPGA的可重構(gòu)MAC協(xié)議設計

摘要：為了在實際信道條件下研究Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議，克服商業(yè)網(wǎng)卡芯片和理論仿真等帶來的局限性，搭建了基于ARM和FPGA相結(jié)合的硬件平臺，設計與實現(xiàn)了基于CSMA／CA的可重構(gòu)MAC協(xié)議，并進行了仿真測試，驗證了該協(xié)議設計的正確性。對Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議的實用化提供有益的參考。
關(guān)鍵詞：媒體訪問控制；帶沖突避免的載波偵聽多路訪問；ARM；FPGA

0 引言
基于CSMA／CA的MAC協(xié)議的優(yōu)勢在于其簡單和健壯性，適用于分布式網(wǎng)絡，每個節(jié)點無需維持和動態(tài)更新周圍相鄰節(jié)點的狀態(tài)信息，可以獨自決定何時接入信道，只要上層有數(shù)據(jù)需要傳輸，MAC層就會對信道進行競爭，因此該協(xié)議的應用也相當廣泛。嵌入式技術(shù)的發(fā)展對MAC協(xié)議的實現(xiàn)也提供了很好的技術(shù)支撐。本文搭建了一種基于ARM和FPGA相結(jié)合的嵌入式開發(fā)平臺，并在此基礎(chǔ)上設計與實現(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，同時將FPGA中的一些協(xié)議參數(shù)由ARM來設置，通過修改ARM的代碼就可以實現(xiàn)對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)的實現(xiàn)。

1 協(xié)議功能描述
1．1 報文結(jié)構(gòu)
本設計實現(xiàn)的是基于CSMA／CA的MAC協(xié)議的基本訪問模式，節(jié)點之間的通信只有數(shù)據(jù)幀(DATA)和應答確認幀(ACK)。圖1給出了報文結(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線通信，沒有中繼節(jié)點等，因此只有源節(jié)點號和目的節(jié)點號。

1．2 組網(wǎng)設計
本文設計的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)合檢測信道忙閑的機制外，還包括幀間間隔、隨機退避、應答確認和重傳機制。
有數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點會首先監(jiān)聽媒介，若為忙則繼續(xù)等待，若空閑的時間超過或者等于DIFS或者EIFS則會進入退避進程。在執(zhí)行退避進程過程中，節(jié)點將隨機產(chǎn)生一個退避時間來設置退避定時器，同時繼續(xù)監(jiān)聽媒介，若空閑時間達到了一個時隙時間，則退避定時器減去一個時隙時間，如果在期間媒介變?yōu)榱嗣?，退避進程將掛起，直到媒介空閑時間再次達到DIFS或者EIFS后才會接著繼續(xù)進行退避進程。當退避定時器變?yōu)?時，節(jié)點才允許開始發(fā)送數(shù)據(jù)，同時也會啟動超時重傳機制，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到所希望的ACK，則會重傳數(shù)據(jù)幀，當節(jié)點重傳的次數(shù)超過了重傳門限將會丟棄該數(shù)據(jù)幀，或者超過了數(shù)據(jù)幀最長允許的發(fā)送時間，也會丟棄該數(shù)據(jù)幀；當節(jié)點收到ACK時，就會開始準備下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。
接收節(jié)點收到正確且是發(fā)送給本節(jié)點的數(shù)據(jù)幀將會立刻回復源節(jié)點ACK。如果節(jié)點沒有收到正確的數(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)點的，節(jié)點將解析出持續(xù)時間，更新NAV，將信道視為已被占用。
1．3 功能劃分
本設計充分利用ARM靈活便捷的優(yōu)勢，用來實現(xiàn)隨機退避算法和協(xié)議參數(shù)的管理，如重傳次數(shù)，幀間間隔的設置等。隨機退避算法采用的是第i次退避就在2i個時隙中隨機地選出一個值作為節(jié)點需要退避的值。協(xié)議參數(shù)的設置由ARM來完成，主要是考慮到FPGA不利于參數(shù)的修改，這樣也可以增強協(xié)議的可重構(gòu)性。而FPGA以其卓越的實時信號處理優(yōu)點，用于管理MAC幀的收發(fā)控制等。

2 協(xié)議設計
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)，當兩者都顯示為空閑時，MAC層才會進入發(fā)送數(shù)據(jù)幀狀態(tài)。同時該協(xié)議也需要時鐘計數(shù)參與其中，IFS_time是每個節(jié)點在進入退避進程前需要等待的時間，實現(xiàn)幀間間隔的功能；Backoff_time是每個節(jié)點在退避進程中退避的時間；NAV_time是沒有在通信的節(jié)點預留信道的時間。這三個時間也關(guān)系著整個協(xié)議所處的狀態(tài)。圖2給出了具體的實現(xiàn)流程圖，具體實現(xiàn)過程步驟如下：