（通信与信息系统专业论文）基于uwb技术的高速无线个域网mac协议研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 新兴的高速无线个域网具有比蓝牙更高的数据速率、更全面的业务及服 务质量支持、更短的连接时间等特点，得到了业界的广泛关注。超宽带技术 在与其它通信系统共存的情况下能够提供低功耗、高速率的数据传输，已逐 渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关 键技术之一。基于超宽带技术的高速无线个域网将满足人们对更高速数据速 率的需求，具有广泛的应用前景。 然而，数据速率的提高并不意味着网络性能的提高，优化的网络性能需 要一套完善的无线媒体接入控制技术来有效地使用无线信道及协调网络内各 个设备之间的通信。无线媒体接入控制协议，以提高系统吞吐量、保证公平 性和可靠性、降低接入时延为主要目标。本文对超宽带高速无线个域网的媒 体接入控制协议进行了深入的研究和分析。 目前应用于高速无线个域网的媒体接入控制协议主要是i e e e8 0 2 1 5 3 媒体接入控制协议。但由于超宽带信号的特殊性，i e e e8 0 2 1 5 3 媒体接入控 制协议应用于超宽带高速无线个域网时会出现一些不足。 本文针对基于超宽带技术的i e e e8 0 2 1 5 3 媒体接入控制协议竞争接入 期的c s m a c a 机制的缺点，提出了一种改进的信道接入机制。并利用n s 2 网络仿真软件对其性能进行了仿真。仿真结果表明改进的信道接入机制能够 获得更好的吞吐量及时延特性。本文还针对可变比特率业务流的特性提出了 一种改进的信道时间分配期的信道时间分配算法。仿真结果表明在可变比特 率业务流中，改进的算法使系统的吞吐量、延迟时间及丢包率都更优。 关键词：无线个域网；超宽带；媒体接入控制协议；i e e e 8 0 2 1 5 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef e a t u r e st os u p p o r tf a s t e rr a t e ，p r o v i d em o r ec o m p r e h e n s i v es e r v i c e s w i t hq o s r e q u i r e m e n ta n dn e e dl e s st i m et oc o n n e c tt h a nb l u e t o o t h ，t h eu p c o m i n g 1 1 i g h - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n ) i sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n u l t r aw i d eb a n d ( u w b ) t e c h n o l o g ya t t r a c t st h ew o r l db yi t sh i g hd a t a r a t e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nw h i l ec o e x i s t i n gw i t ho t h e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n o wi ti sa l s ol o o k e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s oh i g h - r a t ew p a nb a s e d o nu w b t e c h n o l o g yw i l ls a t i s f yp e o p l e sn e e dt ot r a n s f e rs u p e rh i g hd a t ar a t e ， a n dh a sc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s h o w e v e r ，t h ei n c r e a s eo ft h et r a n s m i s s i o nr a t ed o e sn o tm e a nt h ei m p r o v e d c a p a b i l i t yo ft h en e t w o r k s t h eo p t i m a ln e t w o r k sn e e da ne f f e c t i v em e t h o dt o u t i l i z et h ew i r e l e s sc h a n n e la n dc o o r d i n a t et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e na n yt w o d e v i c e si nt h en e t w o r k s t h eo b j e c to fw i r e l e s sm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) t e c h n o l o g yi st oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t ，a n de n s u r ef a i r n e s s ，r e l i a b i l i t y a n dr e d u c ea c c e s sd e l a y t h ep a p e rt a k e st h o r o u g hr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h e m a c p r o t o c o lo fh i g h r a t ew p a n b a s e do nu w b t e c h n o l o g y c u r r e n t l y ，t h em a cp r o t o c o lf o rh i 【g h r a t ew p a n i st h ei e e e8 0 2 1 5 3m a c p r o t o c 0 1 h o w e v e r ，d u et ot h eu n i q u e n e s so fu w bs i g n a l s ，t h ei e e e8 0 2 1 5 3 m a c p r o t o c o lb r i n g ss o m ed e f i c i e n c i e s a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g et h a tc s m a c as c h e m ei n8 0 2 1 5 3m a cp r o t o c o l b a s e do nu w b t e c h n o l o g y ，t h ep a p e rp r o p o s e sa l li m p r o v e ds c h e m e s i m u l a t i o n i sp e r f o r m e dw i t ht h en s 一2n e t w o r ks i m u l a t o r , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t t h ei m p r o v e ds c h e m ec a l lg a i nb e t t e rt h r o u g h p u ta n dd e l a yp e r f o r m a n c e a n d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lp r o p e r t yo ft h ev a r i a b l eb i tr a t e ( w r ) f l o w ，t h ep a p e r b r i n g sf o r w a r da ni m p r o v e m e n to fc h a n n e lt i m ea l l o c a t i o na l g o r i t h mo fc t a pi n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 0 2 1 5 3m a cp r o t o c 0 1 b a s e do na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h es t a n d a r d a l g o r i t h ma n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h m ，w ec a nd e r i v et h a tw i t h i nt h ev b rf l o w ， t h ei m p r o v e da l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h es t a n d a r da l g o r i t h m k e yw o r d s ：w p a n ；u w b ；m a cp r o t o c o l ；i e e e8 0 2 1 5 3 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：挪手航 日期：加7 年；月聒日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：郭字航 导师( 签字) 喜氙只目 日期： 加7 年；月6 日2 0 0 7 年弓月伪目 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机网络和移动通信技术的发展，便携的数字处理设备己经成为 人们日常生活和办公的必需品，这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、m p 3 、 计算机外设、移动电话和家用电子产品等。它们各自具备独特的功能和不同 的用途，人们往往需要同时携带不同的设备，并在设备间进行数据的交互操 作，从而形成一个人自适应网络。考虑到人们对移动办公的需求，传统的有 线局域网受到布线的限制而无法应用，因此产生了一种短距离、低功率的无 线通信技术无线个域网络技术，它将个人自适应网络中的设备连接起来 形成网络，真正实现设备之间可移动的、自动的互联。 目前无线通信技术从涵盖范围划分主要包括四大类( 如图1 1 所示) ： 无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、无线城域网ma n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) 、无线广域霞j ( w w a n ，w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) 。其中 w p a n 是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的 连接而提出的新兴无线通信网络技术。w p a n 是对w l a n 、w m a n 的一个 补充，是对用户的进一步延伸。w p a n 能够有效地解决“最后的几米电缆” 的问题，进而将无线联网进行到底。 卜卜一s h o r t r a n g e _ 叫- 1 0 1 0m 0 1 0 0m 0 一1 0 k m 图1 1 无线通讯标准发展层次示意 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下一代便携式消费型电器和通信设备将支持高速率的多媒体业务，其应 用包括高质量的视频和声频配送，多兆字节音乐和图像文档传送等。这些应 用必需得到高速率无线个域网的支持和服务，因此高速w p a n 应运而生。图 1 2 给出了在高速w p a n 中使用的设备的示意图。这些设备包括数字摄像机、 数字电视机、数字照相机、m p 3 播放机、打印机、投影仪和笔记本电脑等。 高速w p a n 所面向的应用可分为两类：大数据文件传输和具有实时要求的视 频和高质量音频传输。 图1 2 高速率w p a n 目标应用 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频 谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其 提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带 ( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 技术引起了人们的重视，已经逐渐成为无线通信领域 研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 u w b 无线技术具有以极宽的频带换取高速、大容量、低功耗和低成本 的优点。它能够在很低的功率谱密度下，在户内提供超过4 8 0 m b p s 的可靠数 据传输。此外它还具有高精度测距定位，保密性强，抗干扰性强等特点。一 个相同作用范围1 0 米的u w b 无线通信系统，其速率可达到无线局域网 8 0 2 1 1 b 的1 0 倍，蓝牙的1 0 0 倍，而其平均功率仅为上述系统的1 1 0 1 1 0 0 ， 而且还具有更低的成本。 u w b 技术本身固有的优点可以显著地提高高速w p a n 的网络性能，扩 展高速w p a n 的应用范围。超宽带高速w p a n 将满足人们对更高速数据率 的需求，具有广泛的应用前景。 2 撇e p孓十 尸星吖但p 伊 僦 、 最 w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 由于u w b 的近距离高精度测距定位以及传输速率、传输距离、发送功 率三者间的动态调整( 网络拓扑随速率变化) 等技术特点，把高速无线个域 网与u w b 技术相结合后，将会带来一系列的问题，需要深入研究。 在无线移动网络中，多个节点共用同一无线信道，因此需要媒体接入控 制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议来协调各个节点对信道的使用，从而实现 数据的高效可靠传输。m a c 协议将直接影响到网络接入的公平性、吞吐量、 时延以及分组丢失率等重要的网络指标。无线网络比有线网络更复杂，因此 其m a c 协议需要完成的功能更多，协议也更加复杂。 u w b 传输技术对媒体接入控制技术和协议提出了更高的要求。u w b 网 络的m a c 协议，必须紧密结合u w b 系统的特点和所面向的应用，同时考 虑到能耗、安全性、兼容性等其它因素。u w b 网络的m a c 协议需要注意以 下问题： 1 、协调信道，尽量保证节点公平占用信道。 2 、保证信道利用率高，充分利用有限的信道资源。 3 、低功耗。需要减少传输的冲突，避免信号重传；减少控制开销；信道 空闲时减少对信道的监听( 信道空闲时的对信道的监听所消耗的能量是正常 传输时的5 0 ) ；减少平时对信道的监听。 4 、降低传输延迟和信号抖动，这对于实时的音视频传输尤其重要。 5 、要能够适应灵活易变的网络拓扑结构。 6 、要能够保证数据传输的q o s 。 毕竟高速无线个域网已有的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议不是针对u w b 物 理层设计的，它没有充分考虑和利用u w b 传输技术的特点。在u w b 网络 中应用i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议时，存在很多不足与需要改进的地方。所以 超宽带高速无线个域网的m a c 协议在充分利用u w b 物理层特性的同时， 需要克服由高速率、低功耗等特点带来的复杂性。因此对基于u w b 技术的 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高速无线个域网m a c 协议进行优化具有重要的理论与实际价值。然而目前 对超宽带高速无线个域网的各项研究尚处于起步阶段，为使之实用化还需要 付出更多的努力。 1 3国内外研究现状 对于超宽带高速无线个域网的m a c 协议，是借用已有的协议还是开发 一种全新的协议，当前业界尚有争议，主要有以下三种观点： 1 、采用已有的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议。 u w b 论坛的m a c 层仍然沿用i e e e 8 0 2 1 5 3 的m a c 标准。 2 、开发全新的m a c 协议。 w i m d e d i a 联盟对i e e e8 0 2 1 1 ，i e e e8 0 2 1 5 3 和欧洲电信标准委员会制 定的h i p e r l a n 系列标准的m a c 标准进行了详细研究。结果表明这些标准的 m a c 标准均可应用在u w b 高速无线个域网中，但都不理想，原因在于这些 协议没有充分考虑u w b 技术所具有的优点、功能、特性及其应用环境。2 0 0 5 年1 2 月，w i m e d i a 联盟发布了行业第一个商用u w b 标准：e c m a 一3 6 8 i 。 此标准定义了基于m b o f d m 的物理层和基于分布式架构的m a c 层( 目前 此标准还只在美国适用) 。 e c m a 3 6 8m a c 协议的时间也和8 0 2 1 5 3m a c 协议一样被分为一个个 的超帧，用于协调设备之间的操作。超帧长为6 5 5 3 6 m s ，分为2 5 6 份 m a s ( m e d i u m a c c e s ss l o t s ) ，每个m a s 为2 5 6 m 。一个超帧由两部分构成： 信标期( b p ) 和数据传输期( d t p ) 。超帧格式如图1 3 所示。在b p ，通过每个 设备发送的信标帧交换管理和控制信息，b p 保证了顺序接入无线媒介，允许 设备之间的同步和移动，以及设备的快速发现。在d t p ，e c m a - 3 6 8m a c 提供了两种数据通信服务完成媒体访问控制，这两种服务分别由 d r p ( d i s t r i b u t e dr e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 和p c a ( p r i o r i t i z e dc h a n n e la c c e s s ) 协议 支持。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图1 3w i m e d i am a c 协议的超帧结构 与i e e e8 0 2 1 5 3m a c 标准相比，e c m a 3 6 8m a c 协议主要具有以下不 刚2 】： ( 1 ) 取消了微微网的概念，因此省却了网络管理方面的开销。 ( 2 ) 取消了移动终端身份( 协调器p n c 和设备d e v ) 的区别，任何一个 设备都有权利发起超帧，因此网络的拓扑结构具有相当的灵活性。 ( 3 ) 取消中心控制式的资源分配方案，采用分布式资源分配方案。 ( 4 ) 超帧结构有很大不同。 3 、借用现有协议，依据u w b 系统的特点，进行补充改进。 尽管对u w b 网络采用何种m a c 技术和协议尚存在争议，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组、其它不少公司和研究机构都认为，i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 协议与u w b 传输技术的特点和所面向的应用基本一致，且其复杂度较低，协议总体性能 较高，是一种较为合适的选择。同时，在对i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 协议进行 相应的补充和改进后加以采用，会大大加快u w b 技术的商用、降低开发成 本。因此，倾向于采用补充改进后的i e e e8 0 2 1 5 3 的m a c 协议。 目前，各大公司和研究机构针对i e e e8 0 2 1 5 3m a c 应用于u w b 物理 层存在的不足进行了研究，提出了一些改进方案。主要有： 1 、a c k 机制的研究 针对不同的应用场景，i e e e8 0 2 1 5 3 协议中定义了三种数据传输的a c k 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机制：n o - a c k ，i m m e d i a t e - a c k ( i m m a c k ) 和d e l a y e d a c k ( d i y a c k ) 。对 于不同的a c k 机制，文献【3 】研究了如何配置系统中的参数使吞吐量性能最 优的问题。研究表明，在不同的信道误码率( b e r ，b i t e r r o rr a t i o ) 下存在一个 最优的数据帧长度，使系统的吞吐量最大，影响最优数据帧长度的因素包括 信道b e r 、传输速率、短帧间隔( s l f s ，s h o r ti n t e r f r a m es p a c e ) 和最小帧间隔 ( m i f s ，m i n i m u mi n t e r f r a m es p a c e ) 等。对于d l y a c k 机制的研究也是目前的 一个热点，相比于i m m a c k 机制，d l y a c k 机制通过减少冗余a c k 的发 送使系统的吞吐量得到很大提升。文献 4 研究了d l y a c k 机制的时延性能， 对b u r s t 取值的优化问题作了深入分析，并提出根据缓冲区中队列来动态调整 b u r s t 大小的方式来提高性能。文献【5 】建立了分析模型，对d l y a c k 机制在 瑞利衰落信道下的性能作了研究，结合马尔科夫链的分析得到了吞吐量和时 延等性能的数学表达式。 2 、采用新的传输调度策略 调度算法的目的是合理地分配利用超帧中的时间，使得在保证q o s 的前 提下尽可能地改善系统性能。最近几年有关调度算法的研究已经取得了很大 的进展，许多文献在i e e e8 0 2 1 5 3 协议的基础上提出了不同的调度方案睁1 1 1 。 其中多数的研究工作侧重于如何提高业务的服务质量( q o s ) 以及提高资源的 利用率等；另外还有一些研究侧重于如何节约设备的能量。下面将对超宽带 高速w p a n 中m a c 层调度算法进行总结与分析。 ( 1 ) 以提高q o s 为目的的m a c 层机制 在超宽带高速w p a n 中，有效地分配网络资源是实现q o s 的重要保证。 8 0 2 1 5 3m a c 协议采用中心控制和资源预留的方式，通过“请求应答 过 程进行信道资源的分配。这种方式对于固定比特率( c b r ，c o n s t a n tb i tr a t e ) 业务( 如单向非实时视音频) 是有效的，但对于可变比特率( v b r ，v a r i a b l e b i t r a t e ) 业务( 如实时音视频流) 或不定比特率( u b r ) 、_ i k 务( 如互动视频游戏) ， 可能存在响应时间长、帧丢失或带宽利用率低的问题。 文献 6 】提出了两个超帧分配算法，一个是静态分配算法，另一个是动态 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分配算法，并且对两个算法做了比较。其中，静态分配算法使用一个恒定长 度的超帧长度。这种算法非常简单，特别适合于固定速率多媒体业务的传输。 然而，对于m p e g 4 多媒体业务来说，编码速率和数据帧的长度动态变化， 固定的时隙长度可能会导致严重的信道浪费，信道的容量会大大降低。相反， 动态分配算法中，超帧长度不是固定的，设备( d e v ) 的分配时隙的长度可以 动态地根据d e v 的请求来变化，使用动态分配算法，能够避免时隙的浪费。 文献【7 】详细介绍了一个优化m a c 调度算法，该调度算法利用应用层的 业务特点进行时隙分配。在这个调度算法中，为了准确分配时隙，源节点对 m p e g 数据流中图片组( g o p ，g r o u po f p i c t u r e s ) 的i 帧、p 帧和b 帧的最大尺 寸进行了估计。利用这些估计值，可以计算设备的平均信道时隙长度。然后， p n c 根据这估计值进行时隙分配。与固定尺寸的时隙分配算法相比，仿真结 果显示该算法实现了低延迟，低抖动，低丢包率，同时提高了系统的业务吞 吐量。但是，这种算法必须预先知道帧序列格式，而且按照峰值带宽分配， 不可避免会带来利用率低的问题。 文献【8 】首先设计了一个全新的调度算法，理论分析和仿真结果证明了相 比于8 0 2 1 5 3m a c 机制，提出的调度算法既可以减少平均等待时延，又可以 满足q o s 的需求。由于提出的调度方案使得更多的设备可以同时在信道上传 输，而现有的接入信道的c s m c a 机制和物理层包头阻碍了更多设备申请 信道，所以为了更好的利用所提出的调度方案，文中又进一步提出了m a c 层一系列改进方案，并用理论证明了此方案避免了冲突碰撞，提高了系统的 吞吐量。 文献【9 】中，作者根据m p e g 4 多媒体业务的特点，提出了一个动态m a c 调度算法。该算法主要针对m p e g 4 多媒体业务，但是也适用于分层编码的 多媒体业务。仿真结果表明使用该算法，所分配的时隙的长度比较接近实际 的传输的数据帧的长度，从而有效解决了信道浪费的问题，并且大大减小了 视频帧的时延抖动。 ( 2 ) 以节约设备能量为目的的m a c 层机制 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在w p a n 中存在一些以电池提供电源的设备，比如手机，p d a ，摄像机 等。如何能延长电池的使用时间也是研究者关注的一个热点。对于 i e e e 8 0 2 1 5 3w p a n 中，由于m a c 层采用的集中调度，因此设备的耗能主 要在于空闲状态的消耗能量。因此在m a c 层中节能最有效的机制是，当设 备不进行通信时，进入省电模式。已经有一些文献来研究w p a n 中的能量管 理问题，即主要对节点的传输、接收、等待状态的能耗及各自所需时间进行 了定量的分析，按照一定的优先级采用适当的调度算法，达到提高传输率， 降低能耗的目的。 文献 1 0 1 提出一种可用于超宽带w p a n 的能量管理方案，其核心思想是 设备在通信时，不单单使用8 0 2 1 5 3 标准中规定的点对点的通信模式。文中 提出了一种利用交流电源设备作为中继设备的中继模式。在通信过程中根据 设备的能量决定是使用点对点模式还是使用中继模式。仿真结果表明这种利 用了两种模式来通信的协议比标准中的单一点对点模式可以有效地节约电池 供电设备的能量。 文献f 1 1 提出了一种新的帧间节能方案。当一个设备同时和多个设备进 行通信时，为了节约设备的能量，当它与其中一个设备通信结束时，它就进 入休眠状态；当它需要和另一设备通信时，它必须从休眠状态转入到收发状 态。因此，此设备在一个超帧内会进行多次“休眠状态一活动状态”的转换。 作者研究发现，不同的信道时间分配( c t a , c h a n n e lt i m ea l l o c a t i o n ) j i m 序，会导 致不同的转换次数，从而消耗不同的能量。因此一种合适的c t a 顺序可以达 到节约能量的目的。文章中提出了寻找最优顺序的最小度搜索算法( m d s ， m i nd e g r e es e a r c h i n g ) ，该算法能寻找到一种合适的c t a 顺序，使得设备的 状态转换次数最小，从而节约设备的能量。然而这种频繁在超帧内改变c t a 的位置会导致视频或音频帧的抖动，这会严重影响多媒体业务的服务质量。 3 、物理层和m a c 层跨层联合优化设计 由于物理层和m a c 层的数学模型的建立较困难，联合仿真模型也很难 搭建，这方面的研究成果并不多。目前已有的p h y m a c 研究，主要是从最 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大化信道吞吐率和最小化功率损耗这两个角度来讨论的。 无线通信系统中信道具有多径传输、多普勒频移、阴影衰落等特性，这 使得数据传输的可靠性受到很大的影响。自动重传请求( a r o ，a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 技术已被广泛应用于无线通信系统中，用以保证数据传输的 可靠性。混合自动重传请求( h a r q ，h ：y b r i da r q ) 技术结合了前向纠错( f e c ， f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 和a r q ，可以很大程度上改善无线信道的恶劣造成 的影响，它被认为是第三代无线通信系统( 比如c d m a 2 0 0 0 1 x e v ，w c d m a h s d p a 等) 以及3 g p p 中的一项关键技术，也被认为是今后高速无线局域网 和个域网得以实现的一项关键技术。另一方面，为了应对无线信道时变特性， 自适应编码调制“州c ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 技术被认为是一种非 常有效的方式。在保证通信系统的有效性方面，p h y 层的a m c 技术和m a c 层的a r 0 技术有很多互补的地方，目前有许多文献将两者相结合进行跨层 联合优化设计【1 2 d 钔。文献【1 2 】研究了a m c 与a r 0 结合后的吞吐量性能以及 a m c 中门限的选择方案。文献【1 3 】对于结合h a r q 的情形作了详细分析。文 献 1 4 】研究了将调度方案与a m c 、h a r q 相结合的情形。 以上三类改进，都基于无线微微网结构，适合采用u w b 无线通信技术 的应用需求，对i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议某些方面的性能确实有一定的提高。 相比而言，第一类方法实现简单，针对特定的应用能很好的改进性能；第二 类方法采用m a c 层调度的方式，比第一种方法难度大；第三类方法要很大 程度依靠物理层，实现难度最大。 除了以上三类改进方法外，许多人都以i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议为框架， 根据不同的应用提出了基于它的改进协议。例如对传输帧的格式进行改善， 以减少帧的长度，达到降低传输量、节能的目的【1 5 6 1 ；采用速率调节的方法， 对于不同的应用采用不同的传输速率，从而达到降低能耗，提高网络效率的 目的【1 7 舶】：还有专门针对由u w b 组成的无线微微网的改进，对u w b 无线 微微网的性能也有一定的提耐2 0 m 1 。 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 本文的工作 本文共有五章，内容安排如下： 第1 章主要介绍了本课题的研究背景，说明了课题研究的目的和意义， 总结了国内外研究现状，最后总结了本文的主要工作和内容安排。 第2 章简要介绍了u w b 无线通信技术和高速无线个域网的基本概念， 在此基础上介绍了超宽带高速无线个域网的基本概念及应用，分析和比较了 当前主流的超宽带高速无线个域网的物理层技术：u w b 论坛提出的d s u w b 系统和w i m e 击a 联盟的提出的m b o f d mu w b 系统。 第3 章对无线网络m a c 协议进行了深入的研究。介绍了m a c 协议的基 本概念和衡量m a c 协议性能的技术指标，分析了影响m a c 协议性能的主要 因素，给出了m a c 协议的分类方法。 第4 首先介绍了i e e e8 0 2 1 5 3 标准的m a c 协议，分析了基于u w b 技 术的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议的不足，并针对其不足给出了进一步的研究方 向。然后提出了一种改进的竞争接入期的信道接入机制，另外还提出了一种 改进的信道时间分配期的信道时间分配算法。 第5 章是对本文相关工作的系统性能仿真与分析。首先介绍了n s 。2 网络 仿真软件的基本原理，介绍了m a c 协议在n s 2 中的仿真步骤，具体分析了 8 0 2 1 5 3m a c 协议的实现过程，给出了网络仿真场景的设置和具体实现。然 后，对信道接入机制的改进方案进行了仿真及性能分析。介绍了仿真参数设 置，给出了仿真的性能指标，对8 0 2 1 5 3m a c 协议中的c s m c a 机制和本 文提出的改进机制进行了仿真比较。最后，对信道时间分配算法的改进方案 进行了仿真及性能分析。介绍了具体的业务流参数的配置，针对不同的业务 流对8 0 2 1 5 3m a c 协议中的p t d m a 算法和本文提出的改进算法进行了仿真 比较。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章超宽带高速无线个域网概述 2 1i ，w b 无线通信技术概述 2 1 1 u w b 无线通信发展简介 u w b 技术的历史，可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统的 专利。这项专利因为第二次世界大战的原因，直到5 0 年代才发表。在这段时 问，人们对m a x w e l l 方程的通解也有了较深入的研究。2 0 世纪6 0 年代对时 域电磁学的研究进一步促进了u w b 技术的发展。 早期的u w b 系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，所以又 称为基带、无载波或脉冲系统。早期的u w b 技术主要应用于军用的雷达， 以及低截获率低侦测率的通信系统。近年来，u w b 技术开始应用于民用高 速无线通信领域，并有了较大的发展和变化，产生了进行载波调制的直接序 列码分多址( d s c d m a ，d i r e c ts e q u e n c ec d m a ) 和多带正交频分复用 ( m b o f d m ，m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 等多种实 现方式。 无论是早期的基带脉冲方式，还是最近提出的载波调制方式，u m b 技术 的基本特点是采用共享的方式使用极宽( 高达数g h z ) 的频谱，从而可能提 供很高的数据速率( 最高可达1 g b p s 以上) 。为了不影响在其频谱范围内的 其它通信系统，u w b 系统的发射功率受到了严格的限制，2 0 0 2 年4 月，美 国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 发布了民用 u w b 设备使用频谱和功率的初步规定。f c c 对u w b 的定义是：信号频谱的 相对带宽大于等于2 0 或者绝对带宽大于等于5 0 0m h z 。这里的相对带宽被 定义为： 夙= 高彘2 ( 2 1 ) ( 扣+ 正) 、 7 其中f h 和f l 分别为系统的高端和低端频点( 按1 0 d b 计算) 。根据f c c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 g h z 一1 0 6 g h z ，并在这一 范围内，有效各向同性发射功率( e i r p ，e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超 过4 1 3 d b m m h z 2 z l 。 f c c 对u w b 的定义并没有约定信号的时域波形特征，所以产生u w b 信号的方式并不唯一，即u w b 无线通信系统的实现方案也不一样。u w b 技 术根据底层u w b 信号的实现形式不同，可分为两大类：一类是d s u w b 方 案，另外一类是m b o f d m 方案。 目前，围绕着u w b 国际标准形成了两个针锋相对的集团。以f r e e s c a l e 、 m o t o r o l a 、s e m i c o n d u c t o 等公司为代表支持d s u w b 技术的u w b 论坛目前 有7 7 家会员，其中有十几家高校和研究所，占了近1 5 。u w b 论坛的产品 更多集中于电视、d v d 和机顶盒市场，具有代表性的芯片是f r e e s c a l e u w b 。 以i n t e l 、t i 、w i s a i r 等公司为代表支持m b o f d m 技术的w i m e d i a 联盟已有 1 7 0 多个成员，几乎集中了所有的大型跨国公司和集团，并且得到无线u s b 和无线1 3 9 4 的支持。w i m e d i a 联盟注重于电脑和无线消费品市场，包括照相 机和m p 3 播放器等，具有代表性的芯片是w i s a i r u w b 。 2 1 2i 胍侣技术的特点 与现有的短距离无线通信技术相比较，u w b 技术具有如下特点： 1 、传输速率很高。u w b 的数据传输速率轻易可达到l o o m b p s 以上，第 二代产品可望达到5 0 0 m b p s 以上。 2 、低能耗。u w b 设备定位于1 0 米以内的w p a n ，因此产品能耗较低。 3 、频带宽。一般说来，目前u w b 通信的频带宽度都很宽( 大于5 0 0 m h z ) 。 而g s m 手机使用的带宽只有3 0 k h z ，8 0 2 1 1 b 的带宽也不过是2 0 m h z 左右。 与现有的无线通信技术相比，由于u w b 设备本身的发射功率较小，再加上 频带宽度极宽，因此其功率谱密度非常之低。具体来讲，比f c c 规定的计算 机放射电磁噪音值“p a r t l 5 ”( 规定在4 1 3 d b m m h z 以下) 还要低。也就是 说，输出功率谱密度还不及设备本身的电磁辐射噪音。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 、低成本。u w b 产品的目标是将这些电路都可以集成到一个芯片上， 因此其收发电路的成本很低。现在有的设备生产商已经可以将这种电路集成 到一个硬币大小的芯片上了。 5 、抗干扰。u w b 对多路径干扰具有固有的抑制能力，因此特别适合用 于室内环境。 2 2 高速无线个域网概述 无线个域网是指能在便携式消费型电器与通信设备之间实现短距离特别 连接( a dh o cc o n n e c t i v i t y ) 的网络。w p a n 所覆盖的范围一般在1 0 m 半径以内。 术语“特别连接”包含两层意思，一是指设备既能承担主控功能，又能承担 被控功能的能力；二是指设备加入或离开现有网的方便性【矧。w p a n 目前已 成为通信网络中一个至关重要的组成部分，同时也是4 g 无线通信和控制中 的主流技术，并能与2 g 、3 g 移动通信的各种空中接口实现无缝连接。 i e e e 计算机协会的8 0 2 局域和城域网络标准委员会成立了8 0 2 1 5 工作 组专门制定w p a n 的标准，其下属五个工作组，分别制定适合不同应用的 w p a n 标准( 8 0 2 1 5 1 8 0 2 1 5 5 ) 。其中，工作组i ( t g l ) 负责基于蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术的无线个域网标准；工作组2 ( t g 2 ) 主要致力于解决w p a n 与其它工作 在i s m 波段的无线设备( 主要是w i f i 设备) 共存的问题；工作组3 ( t g 3 ) 负 责制定高速w p a n 标准；工作组4 ( t g 4 ) 负责制定低功率、低速率w p a n 标 准；8 0 2 1 5 5 还在制定中，主要研究如何使w p a n 的物理层和m a c 子层支 持网状网，不再需要z i g b e e 或坤路由【2 4 1 。 i e e e8 0 2 1 5 3 标准是针对高速w p a n 制定的物理层( p i t y ) 和媒体接入控 制层标准【2 5 1 ，支持各种便携电器之间的多媒体连接。该标准物理层工作在 2 4 g h z 和2 4 8 3 5 g h z 之间的不需许可证频段，可与i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 5 1 和8 0 2 1 5 4 标准兼容，并能满足这些标准无法满足的应用需求。 虽然有些无线局域网技术，如i e e e8 0 2 11 a ，i e e e8 0 2 1l b 和h i p e r l a n 也可以实现高速率这一目的，也是瞄准了2 4 g h z 和5 g h z 这两个不需许可证 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的频谱。但通过分析比较可知，i e e e8 0 2 1 5 3 高速率w p a n 技术具有特别 适合便携式消费电器和通信设备及其应用的特点，其最主要的特点是：。 1 、能为多媒体业务提供具有服务质量保证( q o s ) 的a dh o c 连接； 2 、网络采用动态拓扑，使得便携式装置能够在极短的时间内加入或者脱 离网络； 3 、先进的能耗管理策略，可节省电池功率； 4 、m a c 和物理层设计对短距离( 小于1 0 米) 通信最优，并且成本低、 复杂度低； 5 、支持高达5 5 m b p s 的数据速率，可传输高清晰度视像和高保真度声音。 2 3基于u w b 技术的高速无线个域网 2