Giao thức của phân tầng điều khiển truy nhập MAC của 802.15.3 được phát hành tháng 11 năm 2003. Giao thức này phù hợp với tốc độ truyền dữ liệu cao của WPAN, tiết kiệm năng lượng, quản lý điều khiển công suất, hỗ trợ QoS và an ninh trong tầng vật lý. Công suất truyền của các thiết bị WPAN phải được điều khiển làm sao để không vượt qua các giới hạn được xác định trong các qui tắc của FCC. Sau đây chúng ta xem chi tiết về tầng MAC.
Hình 25: Tầng MAC điều khiển dòng dữ liệu truyền vào môi trường không khí và thực hiện các quy tắc công bằng để điều chỉnh giữa các giao thức
tranh chấp sử dụng đường truyền không dây
Tầng MAC ngay phía trên tầng PHY như hình vẽ 25, tầng MAC sử dụng sóng vô tuyến điện sẽ kết nối các điểm truy nhập dịch vụ - SAP (Service Access Point). PHY SAP tựa như cổng giao tiếp thông qua đó luồng dữ liệu (gói tin) từ tầng MAC chuyển qua PHY và ngược lại. Khi dữ liệu cần truyền đi từ thiết bị này đến thiết bị khác, chúng phải bắt đầu từ đỉnh của 1 ngăn xếp giao thức (WUSB, Bluetooth, …) và đi xuống từng tầng, đi ra ngoài thông qua phương tiện kết nối (RF hoặc có dây).
vào sóng điện từ truyền trong không khí ở bên truyền và thực hiện ngược lại ở bên nhận. MAC chịu trách nhiệm xử lý cấp đầu tiên của tiến trình chuyển dữ liệu.
Chẳng hạn như, kênh vô tuyến điện về bản chất của nó là tương đối không tin cậy. Không giống như các kênh truyền có dây, môi trường không dây có rất nhiều lỗi xảy ra khi truyền. Tầng MAC có trách nhiệm sửa lỗi. Đôi khi điều này thực hiện thông qua yêu cầu truyền lại. Khi truyền lại, trận tự của dữ liệu có thể bị đảo lộn. Các gói truyền lại thường không theo thứ tự lúc đầu . Do đó, trách nhiệm của MAC hiệu chỉnh lại thứ tự của dữ liệu. MAC sử dụng mẫu thứ tự của gói để khôi phục trận tự của dữ liệu.
Chức năng quan trọng khác của MAC là đặt địa chỉ. Nếu liên kết mạng có nhiều hơn 2 đối tác giao tiếp thì việc cần thiết là truyền đến đúng địa chỉ nơi nhận. Điều này đòi hỏi việc đặt địa chỉ. MAC SAP cung cấp việc đặt địa chỉ và chèn nó vào luồng giao tiếp dạng bắt buộc.
Để dữ liệu được trao đổi với các đối tác truyền thông được chính xác, nguyên vẹn và theo đúng thứ tự, chức năng tiếp theo của MAC là phải thực hiện quản lý được việc tranh chấp trong cùng môi trường truyền, chẳng hạn ứng dụng video đang sử dụng đường truyền, ứng dụng dữ liệu cũng muốn sử dụng đường truyền như vậy. Các vấn đề đó cần có quy tắc bảo đảm mỗi ứng dụng đều truy nhập vào môi trường truyền. Các giao thức được sử dụng để thiết lập bảo đảm đó gọi chung là QoS (Quality of Service). UWB MAC dùng một số giao thức khác nhau để đặt địa chỉ cho nhu cầu ứng dụng sử dụng sóng vô tuyến điện đó.
Trách nhiệm cuối cùng của MAC là điều khiển thông minh đối với các sóng vô tuyến điện cùng tồn tại. Chẳng hạn nếu ta tưởng tượng tình huống có 2 nhóm mạng, mạng các thiết bị UWB trong phòng khách và mạng khác trong phòng ngủ và ngăn cách 2 mạng này bởi cánh cửa khép kín. Kết hợp trong mỗi mạng sử dụng phổ độc lập và thời gian truyền được đồng bộ.
Với ví dụ trên khi cánh cửa 2 phòng mở. Khi đó 2 mạng có thể nghe thấy nhau dẫn đến mâu thuẫn giữa chúng về việc chọn mạng và xử lý thời gian
truyền của của các thành viên trong mạng. MAC chịu trách nhiệm phát hiện tình huống đó và tiến hành từng bước để thay đổi thời gian của mạng cho đến khi chúng được đồng bộ.
Sau đây, chúng ta lược qua lịch sử hình thành và tổ chức MAC. Đầu tiên, UWB được khởi xướng bởi nhóm ủy ban IEEE 802.15.3a. Công việc của tổ chức này là nhằm sửa đổi tầng PHY cho tương thích với tầng MAC 802.15.3 đã có. Bởi tầng MAC này chỉ là kế thừa từ mạng 802 (nhất là thiết kế của chuẩn 802.11). MAC của 802.15.3 có thiết kế AP (Access Point) giống với thiết kế AP của 802.11 (WiFi).
Công việc của 802.15.3a chủ yếu hướng tới phân đoạn của tầng PHY, bởi có 1 số thành viên quan trọng trong tổ chức cho rằng MAC hiện tại sử dụng tốt. Chủ yếu là các nhà sản xuất điện tử cho người tiêu dùng cảm thấy bất mãn, họ thấy thiết kế của 802.15.3 hiện tại không đáp ứng được yêu cầu trong các ứng dụng của họ.
Chỉ đến năm 2004, khi tiến trình xử lý của IEEE không đạt được kết quả như mong muốn đối với tầng PHY (có rất ít thay đổi cần thiết đối với MAC), một số thỏa hiệp của IEEE đã được ký kết để hỗ trợ sửa đổi thiết kế MAC, bởi vậy MAC được hỗ trợ phát triển hạ tầng phân cấp. Phát triển ban đầu được tổ chức ngắn hạn là MBOA, họ đã nỗ lực củng cố vấn đề của WiMedia và đưa ra các ý tưởng để tiêu chuẩn hóa ECMA. Trong quá trình sát nhập các tổ chức SIG với MBOA xuất hiện nhiều vấn đề phức tạp. Điều này dẫn đến việc phải thay đổi thiết kế MAC từ lõi của 802.15 thành 1 kiến trúc phân cấp mới.
Trong khi về tổng thể WiMedia và Bluetooth đã rất hoàn hảo với mô hình phân cấp của MAC thì Wimedia lại có vấn đề với mô hình phân cấp của USB. Ngược dòng lịch sử, các giao thức USB được thiết kế với giả định rằng PC chịu được chi phí cao và tính toán lớn, nhưng các thiết bị ngoại vi trên thì không thể. Việc giao thức giao tiếp khá lớn đưa vào trong các thiết bị ngoại vi là không khả thi bởi vì các thiết bị ngoại vi không thể tăng giá chỉ để thích ứng với sóng vô tuyến điện.
Giải pháp cho vấn đề này là xây dựng nơi xử lý tập trung. Nếu PC có thể hoạt động trên mạng ngang hàng với vai trò là người ủy quyền (proxy) cho các thiết bị ngoại vi phía sau nó thì về mặt logic vấn đề trên đã được xử lý. Để làm được điều đó nó cần sửa đổi là MAC cho phép PC tạo 1 khối thời gian trên mạng khi nó giao tiếp với các thiết bị ngoại vi sẽ không bị xung đột với các hoạt động P2P.
Khi nói về Wimedia MAC, nó sẽ bao gồm các thành phần của MAC sử dụng sóng vô tuyến điện phổ dụng. Còn khi nói về WUSB MAC nó sử dụng cùng kỹ thuật của WiMedia MAC và nó phải hoạt động trong suốt chu kỳ đặt trước của Wimedia (tức WUSB sẽ phụ thuộc vào Wimedia MAC và Wimedia là trung tâm điều khiển hoạt động).
Các phân đoạn tiếp theo sẽ trình bày vắn tắt về các tiến trình chính của Wimedia MAC.
a) Lựa chọn kênh.
Giả sử ta có WiMedia sóng vô tuyến điện UWB có đủ năng lượng và sẵn sàng để bắt đầu hoạt động, công việc đầu tiên của Wimedia là dò tìm kênh để hoạt động. Một kênh sẽ bao gồm nhiều nhóm băng tần và Time-Frequency Code (TFC).
Sau khi thông tin này được cung cấp cho PHY, trạm bắt đầu lắng nghe để dò tìm các trạm cần giao tiếp.
WiMedia MAC không thiết lập chính sách khi bắt đầu dò tìm đối tác giao tiếp. Chính vì vậy, thiết lập giao tiếp ban đầu gặp khó khăn nhưng điều này là cần thiết (bắt buộc) bởi vì WiMedia được thiết kế trên nền tảng sóng vô tuyến điện phổ biến. Do đó, nó cần được thiết kế chung để tất cả các SIG đối tác của WiMedia đều sử dụng được.
Ngoài ra, giả sử tồn tại piconet giữa các thiết bị thì thiết bị phát hiện đầu tiên việc cần thay kênh sẽ thực hiện lệnh gửi đến các thành viên khác của piconet thông báo thay đổi kênh đang được khuyến cáo và cũng thông báo rằng chúng nên đổi vị trí. Thay kênh không phải là điều kiện bắt buộc đối với
thành viên nhưng nó được cho rằng hầu hết thiết bị sẽ tuân theo yêu cầu khi chúng có thể làm điều đó. Các hoạt động sẽ tiếp tục lại tại vị trí mới.
b) Đặt Beacon và đồng bộ hóa
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 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