Khi kênh đã được lựa chọn, bước tiếp theo WiMedia sóng vô tuyến điện UWB sẽ lắng nghe trong dải phổ các tín hiệu truyền từ thiết bị khác. Nếu không có thiết bị nào đang truyền thì thiết bị được tự do truyền gói tin beacon với mục đích thiết lập mạng. Yêu cầu theo nguyên tắc là thiết bị đầu tiên được đặt beacon trong chu kỳ đẩy lên trong 10 giây. Nếu đối tác giao tiếp không được tìm thấy trong thời gian đó, việc đặt tín hiệu phải ngừng lại. Cách đó nhằm ngăn những báo hiệu không cần thiết và gây nhiễu.
Nếu thiết bị mới bắt đầu lắng nghe và phát hiện có mạng đã được thiết lập rồi, nó được yêu cầu gia nhập vào mạng đã tồn tại đó. Để hiểu cách thức thực hiện trên, sau đây sẽ mô tả tóm tắt cấu trúc superframe và beacon theo trình tự.
Thành phần giao tiếp cơ bản nhất của bộ giao tiếp Wimedia MAC là superframe (hình 26) và là cấp đỉnh cấu trúc.
Hình 26: Cấu trúc Superframe của WiMedia MAC Beacon Beacon period start time (BPST) Medium access slot Beacon period (BP)
Tất cả các lệnh và giao tiếp khác đều nằm gọn trong superframe. Superframe dài 65536 ms (microseconds) và được chia thành 256 khe cấp phát cho truy cập đường truyền MAS (Media Allocation Slot), mỗi MAS dài 256 ms. Nó được lặp liên tiếp.
Có ba phân khu chính của superframe bao gồm BPST (Beacon Period Start Time), BP (Beacon Period) và MAS (Media Access Slot). Bắt đầu của SuperFrame là BPST. BPST dùng để khởi động vòng lặp SuperFrame. Các thiết bị mới có mong muốn tham gia vào mạng đều được yêu cầu phải đồng bộ thời gian của chúng để trùng với BPST bởi vậy thời gian của Superframe được chia sẻ với tất cả thành viên của mạng.
Sau khi đồng bộ được thiết lập, thiết bị mới được yêu cầu lắng nghe nội dung của các Superframe đang tồn tại như trạng thái của mạng hiện tại được miên tả trong các khe beacon của superframe. Mỗi node hoạt động đều phải truyền một beacon trong mỗi superframe. Bằng việc lắng nghe các phân vùng beacon của superframe mà thiết bị mới sẽ biết node nào đang gần mình, có khả năng gì và đã truyền tải slot gì mà đã được lưu giữ bởi các thiết bị khác. Có thông tin này trong tay, thiết bị mới bắt đầu truyền beacon của nó trong khe beacon đầu tiên sẵn sàng mà khe này chưa sử dụng bởi các node khác.
Quá trình đặt beacon được sử dụng bởi các thành viên mạng được duy trì trong tổ chức mạng. Phân vùng beacon của superframe hoạt động như 1 bảng thông tin chung được sắp xếp. Không chỉ là các thiết bị đẩy thông tin của bản thân chúng mà còn đăng cả thông tin của hàng xóm mà chúng nghe được. Bằng cách như vậy thì bất kỳ nút riêng nào cũng tạo được bản đồ thiết bị được đưa lên qua 2 bước nhảy mà có thể được sử dụng trong các hoạt động phối hợp. Cách tiếp cận 2 bước nhảy cũng cho phép mạng tránh được vấn đề xung đột do hiện tượng “Hidden node” rất dễ xảy ra trong quá trình giao tiếp trong mạng.
c) Hỗ trợ đa tốc độ
Tầng PHY hỗ trợ truyền với các tốc độ 53.3Mb/s, 80Mb/s, 106.7Mb/s, 160Mb/s, 200Mb/s, 320Mb/s, 400Mb/s, và 480Mb/s. MAC có các thời gian
khác nhau để thích ứng với các tốc độ đó. Chẳng hạn tốc độ truyền tải trong khoảng thời gian beacon được đặt là 53.3 Mb/s. Tốc độ này giúp tối đa phạm vi hoạt động để beacon được nhận thành công và đảm bảo sự toàn vẹn lớn nhất cho mạng
Tốc độ dữ liệu cũng được thương lượng giữa các thiết bị để cung cấp giao tiếp đáng tin cậy nhất. Về mặt logic đối với việc sử dụng tốc độ truyền thì một hoặc hai thiết bị có thể chọn cách giảm tốc độ dữ liệu để giảm tối đa lỗi packet. Tốc độ dữ liệu cũng sẽ được sử dụng kết hợp với đặc tính điều khiển năng lượng truyền tải để cung cấp một liên kết mạnh nhất với năng lượng truyền tải nhỏ nhất.
d) Điều khiển năng lƣợng truyền - TPC (Transmit-Power Control)
Các thiết bị tương thích WiMeida MAC được yêu cầu khi hoạt động sử dụng năng lượng cần thiết ít nhất để duy trì các liên kết của chúng. Để thực hiện việc này, hai thiết bị muốn giao tiếp sẽ sử dụng vòng lặp phản hồi (feedback loop). Thiết bị nhận có thể gửi IE (Information Exchange) yêu cầu đối với thiết bị gửi như 1 phần của beacon của nó để yêu cầu thay đổi năng lượng.
Thiết bị nhận có thể sử dụng bất kỳ một trong số các cơ chế thực thi để đánh giá chất lượng của liên kết để kích hoạt yêu cầu. Kỹ thuật đó có thể bao gồm: Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu - SNR (Signal-to-Noise Ratio), cường độ tín hiệu nhận, tỷ lệ lỗi hoặc kỹ thuật khác. Thiết bị nhận được tự do chọn phương pháp để đánh giá chất lượng liên kết. Chuẩn MAC không giới hạn trong việc này.
Tính năng điều khiển năng lượng truyền của MAC có thể giảm năng lượng phát. Bằng việc giảm năng lượng phát trong các ứng dụng mà giao thoa chung giảm. Việc này trở nên quan trọng đặc biệt trong trường hợp 2 thiết bị truyền không dây ở gần nhau - FWA (Fixed Wireless Access).
e) Quản lý năng lƣợng
thụ điện năng khi MAC thực hiện các bước xử lý nhằm tăng tối đa tuổi thọ của pin. TPC mô tả ở trên hữu ích cho mục đích này. Ngoài ra, MAC cung cấp chế độ ngủ đông (Hibernate) cho các thiết bị khi không hoạt động nhằm tiết kiệm điện năng.
Nếu một thiết bị không hoạt động và muốn tắt sóng vô tuyến điện của nó trong khoảng thời gian cố định và ở chế độ ngủ đông thì nó sẽ thông báo cho các thành phần còn lại của mạng thông qua thông báo IE chế độ ngủ đông trong gói tin beacon và sau đó sẽ chấm dứt truyền. Các thiết bị ngủ đông được yêu cầu cho biết thời gian dự định trở lại như 1 phần trong thông điệp ngủ đông.
Một phân tích cho các ứng dụng dự kiến sẽ sử dụng UWB cho thấy rằng lưu lượng mạng sẽ tăng nhanh, liên lục và xem kẽ là các khoảng thời gian nghỉ tăng lên giữa các lần truyền. Điều này rất đúng đối với ứng dụng truyền file và các trao đổi có hướng truyền tải với sự tham gia của người dùng. Trái lại, nó không đúng đối với ứng dụng Video nơi với lưu lượng liên tục và thường xuyên.
Tốc độ truyền tải của thiết bị UWB tăng lên đến 1Gb/s và hơn thế, do đó thời gian nghỉ sẽ tăng lên. Thời gian ít là nhu cầu trong truyền file dẫn đến thời gian nghỉ dài hơn. Chế độ ngủ đông cho phép thiết bị tận dụng những giai đoạn nghỉ để tắt và tiết kiệm điện năng.
Tuy ngủ đông có lợi trong tiết kiệm điện năng nhưng nó cũng tiềm ẩn nguy cơ bất ổn cho mạng. Nếu quá nhiều thiết bị ngủ đông đồng thời, có thể mạng sẽ quá thưa thớt và dẫn đến khả năng ngừng các hoạt động bởi trong quá trình ngủ đông thiết bị sẽ không phát sóng và không làm gì. Khi node thôi ngủ đông nó phải thiết lập lại mạng từ đầu nhưng đây là điều cần tránh.
Một số thiết bị trong mạng có thể tình nguyện làm nơi quản lý ngủ đông cho các thiết bị khác. Chúng sẽ tiếp tục duy trì trạng thái ngủ đông của hàng xóm bằng việc nỗ lực giữ bộ piconet trong suốt quãng ngủ đông. Thiết bị mà đóng vai trò cổng giao tiếp như vậy sẽ liên tục kết nối với thiết bị chạy điện lưới để thực hiện việc này. Trong trường hợp như vậy, thông tin beacon sẽ
được bảo tồn để các thiết bị ngủ đông có thể nhập vào khi dừng ngủ đông mà không bị gián đoạn hoặc thực hiện bổ sung với piconet.
f) Đo phạm vi hoạt động (Range measurement)
Trong thảo luận trước đã đề cập để ứng dụng phụ thuộc phạm vi qua HDR(High Dynamic Range). WiMedia MAC được thiết kế bao gồm cả việc đo phạm vi, nó được coi là yêu cầu cho các nhà sản xuất.
Trước khi phạm vi giữa 2 thiết bị được thiết lập, trước hết phải chắc chắn cả hai thiết bị đều hỗ trợ thuộc tính. Thông tin đó được nằm trong trường beacon của Superframe của thiết bị. Nếu cả hai thiết bị được hỗ trợ thì quá trình đo lường sẽ được tiến hành. Để thu được kích thước phạm vi, sẽ có 1 bên khởi xướng (Initiator) bằng cách gửi 1 số mẫu của ping logic sang bên nhận. Khi bên nhận trả về ping, bên khởi xướng đo thời gian luân chuyển và sử dụng thời gian trôi qua để tính khoảng cách giữa 2 thiết bị.
Nhưng có 1 số tính toán sai lệnh cần được điều chỉnh. Có khoảng thời gian trì hoãn ở các đầu cuối truyền tải. Khi bộ đếm bắt đầu, một vài khoảng thời gian trôi qua trước khi tín hiệu được đưa ra từ ăng-ten. Giá trị này phải được tách ra trong tính toán của bên khởi xướng. Ở bên nhận, sẽ mất 1 khoảng thời gian tạm dừng để chèn logical ping (data) về mặt vật lý vào bên nhận khi nó xử lý và yêu cầu và phản hồi. Để đối phó với việc trì hoãn này, bên nhận cần đo và phản hồi với số lượng trì hoãn được thêm vào bộ tính toán.
Phản hồi từ bên nhận được kết hợp trong dữ liệu sẽ được đo và ước lượng ở bên khởi xướng, có thể sau đó được sử dụng để tách ra khỏi thời gian di chuyển (travel time) rồi mới ước lượng phần dư thừa. Có thể tính toán đúng nhất là việc sử dụng cách tính trung bình giữa 2 lần đi và về.
g) Đặt trƣớc Bandwidth
Bởi vì Wimedia MAC được thiết kế để xử lý truyền file lớn như video và rất nhiều loại khác nên có 2 giao thức truy cập chính được tạo để hỗ trợ truyền dữ liệu tối ưu. Bao gồm quyền truy cập nội dung theo mức ưu tiên và việc đặt chỗ qua giao thức đặt trước phân tán (distributed-reservation-
protocol). Các giao thức truy cập nội dung được thiết kế để thực hiện hiệu quả cho các ứng dụng có hướng khi truyền tải, trong khi các giao thức đặt trước phân bổ được thiết kế để giải quyết việc đặt địa chỉ cho các dòng ứng dụng theo luồng để có được thời gian phân bổ và băng thông tin cậy.
Truy nhập tranh chấp theo mức ƣu tiên - PCA (Prioritized contention access)
Giao thức PCA cho phép thiết bị tranh chấp với thiết bị khác trong piconet truy cập môi trường chung. Việc tranh chấp xảy ra đối với bất kỳ khe truy cập media chưa đặt trước hoặc trong suốt quá trình đặt trước mà được thông báo là mở cho tranh chấp (đặt trước mềm – Soft reservation – được mô tả ở phần cuối mục này). Cách tiếp cận PCA là phần cơ bản của IEEE 802.11e.
Có 4 lớp của lưu lượng được ưu tiên theo thứ tự: lưu lượng nền (Backgroup), lưu lượng kiểu “cố gắng tối đa” (best effort), lưu lượng video và lưu lượng voice, với backgroup có mức ưu tiên thấp nhất và voice có mức ưu tiên cao nhất. Với cách này, lưu lượng mà có tải nhạy cảm về thời gian sẽ được ưu tiên truy cập cao hơp so với lưu lượng ít có độ nhạy cảm về thời gian.
Giao thức PCA cũng có giao thức tránh xung đột. Trước khi thiết bị cố gắng truy cập vào môi trường nó bắt đầu bằng việc lắng nghe hoạt đông của mạng. Khi xác định được không có thiết bị nào sử dụng trên môi trường thì nó sẽ truy cập vào. Nếu hai thiết bị va chạm thì cả hai thiết bị sẽ thực hiện lại sau khoảng thời gian ngẫu nhiên (theo số frame).
PCA cũng có giao thức tiết kiệm năng lượng được xây dựng để tối thiểu thời gian lắng nghe mà được yêu cầu trong suốt quá trình tranh chấp. Thiết bị có quyền điều khiển trong môi trường được yêu cầu cho biết số frame định truyền trong vectơ phân bổ mạng -NAV (network allocation vector). Khi NAV giảm đến 0 môi trường ở trạng thái sẵn sàng. Do biết được môi trường bận trong bao lâu nên nó có thể dừng lắng nghe cho đến khi nó môi trường sẵn sàng trở lại.
liệu muốn truyền lại và đang đợi sử dụng môi trường. Với vấn đề này, xung đột có thể xảy ra. Tuy nhiên, giao thức PCA có mô tả hàng đợi truy cập sẽ ngăn được kiểu xung đột này.
Trong các lớp lưu lượng đều duy trì một hàng đợi. Thông tin hàng đợi được gửi như 1 phần của tiến trình beacon và khi có sự thay đổi về thông tin hàng đợi thì các thiết bị đều được cập nhật. Khi đó việc hai thiết bị cùng mức ưu tiên sẽ được giải quyết xung đột theo thứ tự của hàng đợi. Trường hợp, nếu thiết bị ở hàng đợi có mức ưu tiên cao hơn sẽ thắng khi tranh chấp truy cập so với thiết bị mức ưu tiên thấp hơn. Như vậy, sẽ không có xung đột nào xảy ra.
g.2) Giao thức đặt trƣớc phân tán - DRP (Distributed reservation protocol)
Một trong những nguyên tắc quan trọng trong cách tiếp cận DRP là mỗi thiết bị có trách nhiệm bảo vệ vùng cho hàng xóm của mình. Tức là nếu một thiết bị nhận được một yêu cầu sử dụng một khe (slot) mà trước đó khe slot này đã được gán cho hàng xóm của mình, có thể là do hiện tượng “hidden node”, thiết bị này sẽ từ chối việc đặt vùng đó với tư cách là đại diện cho hàng xóm và nó phải cung cấp mã lý do với mô tả chi tiết tại sao lại từ chối. Điều này giúp cho thiết bị yêu cầu hiểu được vấn đề từ chối trên. Đồng thời, thiết bị từ chối cũng gửi một bản đồ MAS hiện tại của nó cho thiết bị yêu cầu.
Khi thiết bị yêu cầu thành công và được quyền sử dụng một số khe MAS cho việc đặt chỗ thì ta gọi đó là “đặt vùng cứng” (Hard reservation) và nó sẽ được bảo vệ rất chặt. Chỉ những người chủ của vùng mới được quyền sử dụng khe thời gian đó. Nếu chủ vùng quyết định không sử dụng nữa và muốn giải phóng thì cần gửi thông báo không sử dụng vùng DRP đến các node mạng khác và nhận được phản hồi trở về cho việc đó.
Ngoài việc đặt vùng cứng, có cả phương pháp đặt vùng mềm trong hệ thống DRP. Kỹ thuật này kết hợp DRP và PCA. Khi đó, Khe MAS được mở cho tranh chấp áp dụng kỹ thuật PCA và chủ của vùng sẽ có mức ưu tiên hơn trong tranh chấp truy cập.
protocols)
Trong WUSB Multimedia, các giao thức rất đa dạng và chúng cùng tồn tại, bao gồm: Internet Protocol (IP), Wireless 1394, CWUSB, và Bluetooth. Các giao thức trên sẽ không xử lý trực tiếp trong UWB sóng vô tuyến điện. Nhưng mỗi giao thức trên sẽ phải kết hợp với tầng phần mềm thích hợp - điển hình là tầng thích nghi giao thức - PAL (Protocol Adaptation Layer) (xem hình 27). MAC WiMedia bao gồm một thành phần có nhiệm vụ giúp MAC giao tiếp với các PAL (Lưu ý ứng dụng có thể có nhiều PAL và trong trường hợp này, MAC chỉ định để điều phối chia sẻ truy cập môi trường).