（通信与信息系统专业论文）分布式高速无线个域网同步及无线资源管理技术研究.pdf

摘要 摘要 各种智能化、小型化的无线终端和智能家庭终端的大量出现，它们之间的信息共享与数据交换 需求极大地推动了高速无线个域网( h i g h r a t e w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 技术的发展，使其成 为目前无线通信领域的研究热点。围绕高速无线个域网技术标准的讨论一直在进行中，从i e e e 8 0 2 1 5 3 到8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 3 c ，直至2 0 0 5 年1 2 月国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 的颁布。 在分布式高速w p a n 中，终端设备是随机地、可移动地分散在网络中，形成了类似于a dh o e 网络的对等式网络架构，同步是其首要解决的问题。其次，分布式高速w p a n 无线传输数据、图像、 音视频等多媒体业务的任务促使无线资源管理成为其关键技术。在此背景下，本学位论文对基于 e c m a 3 6 8 协议的分布式高速w p a n 的同步技术和无线资源管理技术进行探讨和创新。 以无线个域网知识和同步、无线资源管理的基本概念为基础，论文首先阐述了e c m a 3 6 8m a c 协议规范的网同步技术和信道分配机制、功率控制技术、分组调度算法以及信道接入控制技术四种 无线资源管理技术。 接下来，论文第三章针对分布式高速w p a n 内同时存在多个扩展信标群且b p s 未交迭的情况， 在现有e c m a 3 6 8 协议给出的实现多扩展信标群同步的网同步算法的基础上，提出了一种基于扩展 信标群合并权重的网同步改进算法，并对两种算法进行了理论研究和仿真分析，结果表明该网同步 改进算法不仅能大大减少网络同步过程花费的时间，还能减少设备冈为同步调整而导致的数据通信 中断，并且网络规模越大，网同步改进算法的性能优势越明显。 论文第四章深入研究了e c m a 3 6 8 协议支持的d r p 信道接入控制技术，首先给出了一种基于服 务间隔的m a s 预留分配方法，用于设备通过d r p 方式接入信道时确定在超帧中预留的m a s 数目 和位置，然后比较了在m a s 预留块中分别使用标准支持的两种数据传输方式发送d r p 数据时系统 的吞吐率性能，得出结论：突发数据传输方式能更合理、高效地利用预留的有限信道资源，而且在 信道状况比较好时，还能使用m a c 业务数据单元( m s d u ，m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 聚合技术进一 步提高系统的性能。 论文最后深入研究了e c m a 3 6 8 协议支持的另一种p c a 信道接入控制技术，针对其在的分布式 多跳单径路由高速w p a n 内存在的多跳传输长时延问题，提出了一种跨层设计的提高型p c a 算法。 仿真结果表明，提高型p c a 算法在不降低网络吞吐率的条件下相比p c a 算法优化了系统的时如性 能。 关键字：高速无线个域网e c m a 3 6 8网同步无线资源管理信道接入控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o ns h a r ea n dd a t ae x c h a n g ea m o n gw i r l e s ss m a r tt e r m i n a l sa n d c o n s u m e re l e c t r o n i c sg r e a t l yp r o m o t et h er e s e a r c ho nh 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 ，w h i c hi s ah o tt o p i ci nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa tp r e s e n t d i s c u s s i o no nh i g h r a t ew 洲s t a n d a r dh a s b e e ng o i n go n , f r o mi e e e8 0 2 1 5 3t o8 0 2 1 5 3 a ，8 0 2 1 5 3 c ，a n dt i ut h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d e c m a 3 6 8 3 6 9 i nd i s t r i b u t e dh i g h - r a t ew p a n ，s y n c h r o n i z a t i o ni st h ef i r s ta n df o r e m o s tp r o b l e m ，f o rn o d e sa r o r a n d o m l ya n dm o v a b l yl o c a t e di nt h en e t w o r ka n dap e e rt op e e rn e t w o r kt o p o l o g yi sf o r m e d d i s t r i b u t e d h i g h - r a t ew p a ni sd e s i g n e df o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tb e c o m et ob ei t s k e yt e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa ti n v e s t i g a t i o na n di n n o v a t i o no v e rs y n c h r o n i z a t i o na n dr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n tf o rb c m a 一3 6 8b a s e dh i g h - r a t ew p a n a tf i r s t ，o nt h eb a s i so fk n o w l e d g ea b o u tw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r ka n dc o n c e p t i o n so f s y n c h r o n i z a t i o na n dr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，n e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o na n df o u rk i n d so fr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n tm e t h o d sa r ee x p a t i a t e d , w h i c ha l ec h a n n e la l l o c a t i o ns c h e m e ，p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dm e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h e r ea r em u l t i p l ee x t e n d e db e a c o ng r o u p si nah i g h - r a t ew p a nw i t ht h e i rb p s o v e r l a p p i n g ，am e r g e rw e i g h t - b a s e de n h a n c e dn e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h et h i r d c h a p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n a n dt h e nn u m e r i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h ma n dt h e e x i s t i n ga l g o r i t h mi ne c m a - 3 6 8a p r e s e n t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h i sp r o p o s e de n h a n c e da l g o r i t h mn o t o n l ys h o r t e n st h et i m es p e n to nn e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o n ，a n da l s om i n i m i z e sp o t e n t i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n d i s r u p t i o n ，e s p e c i a l l yw h e nt h en e t w o r ks i z ei sv e r yl a r g e d r pm e d i aa c c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g ys u p p o r t e db ye c m a 3 6 8i sd e e p l yr e s e a r c h e di nt h ef o l l o w i n g f o r t hc h a p t e r as e r v i c ei n t e r v a l - b a s e dm a sa l l o c a t i o nm e t h o df o rr e s e r v a t i o ni sg i v e ni nt h eb e g i n n i n g , w h i c hi su s e db yn o d e sw h ow i l la c c e s si n t ot h ec h a n n e lb yd i 姆t om a k es u l eh o wm a n ya n dw h i c hm a s s s h o u l db er e s e r v e di nt h es u p e f f r a m e a f t e r w a r d , b yc o m p a r i n gt h en e t w o r kt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ew h e n n o d e st r a n s m i tf r a m e si nt w od i f f e r e n tk i n d so fd a t at r a n s m i s s i o nm o d e sd u r i n gr e s e r v a t i o nb l o c k s ，a c o n c l u s i o nc a nb ed r e wt h a tb u r s tt r a n s m i s s i o nm o d ew o r k sb e t t e r i na d d i t i o n ，i ft h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t i sg o o d , am s d ua g g r e g a t i o ns c h e m ec a l lf u r t h e ri m p r o v es y s t e m sp e r f o r m a n c e l a s tb u tn o tl e s t ，a n o t h e rp c am e d i aa c c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g ys u p p o r t e db ye c m a - 3 6 8i ss t u d i e d b e c a u s el o n gd e l a yp r o b l e mw i l lb ec a u s e di fp c ai su s e di nm u l t i - h o ph i g h - r a t ew p a nw i t hs i n g l e - p a t h r o u t i n gp r o t o c 0 1 t os o l v et h ep r o b l e m ，ac r o s s l a y e re n h a n c e dp c aa l g o r i t h mi sp r o p o s e x ls i m u l a t i o n r e s u l t sv a l i d a t eo u rv i e wa n ds h o wt h a tt h ee n h a n c e da l g o r i t h mc a no p t i m i z en e t w o r kd e l a yp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h i g h r a t ew p a n ，e c m a 一3 6 8 ，n e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o n ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ， m e d i aa c c e s sc o n t r o l 缩略词 几 佾n w m a n w 圳 ，p a n u w b p h y p l c p p p d u p s d u m a c m s d u a c k r r m f d m a t d m a c d m a c s m a b p d t p b p s t b s m a s p c a d i 心 l 玎s c t s n 蝌 m h r a c u p t x o p a i f s s i f s 缩略词 w 证e l e s sw i d ea r e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w i r e l e s sl o e a la r e an e t w o r k w 讹l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k u l t r aw i d e b a n d p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l p h y s i c a lp r o t o c o ld a t au n i t p h y s i c a ls e r v i c ed a t au n i t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a cs e r v i c ed a t au n i t a c k n o w l e g m e n t r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c e s s b e a c o np e r i o d d a t at r a n s m i s s i o np e r i o d b e a c o np e r i o ds t a r t 耽n e b e a c o ns l o t m e d i u ma c c e s ss l o t p r i o r i f i z e dc o n t e n t i o na c c e s s 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 o l r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r m a ch e a d e r a c c e s sc a t e g o r y u s e rp d o n t y t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y a r b i t r a t i o ni n t e r - f r a m es p a c e s h o ai n t e r - f r a m es p a c e v 无线广域网 无线城域网 无线局域网 无线个域网 超宽带 物理层 物理层汇聚协议 物理层协议数据单元 物理层服务数据单元 媒体控制接入 m a c 层业务数据单元 应答 无线资源管理 频分多址 时分多址 码分多址 载波侦听多点接入 信标期 数据传输期 超帧起始时刻 信标时隙 媒体接入时隙 分优先级的竞争接入 分布式预留协议 发送请求 清除请求 网络分配矢量 m a c 帧帧头 接入类型 用户优先级 传输时机 仲裁帧间距 短帧间距 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 日期：型0 q l 日期： 兰竺! z ：主：圣耸 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：埠导师签名： 日期： 第1 章绪论 i i 引言 第1 章绪论 随着计算机网络和全球移动通信技术的发展，便携的披字处理设备已经成为人们日常生括和办 公的必需品这些数字处理设备包括笔记本电脑、个人数字助理( p d a p e r s o n a l d i s i t m a s s i m 删) ， 计算机外设、m p 3 m p 4 、移动电话、数码摄像机、d v d 、数字机顶盒等电子产品它们都具有强大 的数字处理能力和较大的存储空阃，支持语音，数据和视频图像等多媒体业务的综台传输目前， 这些电子设备之间的信息交换大都采用有线电缆连接，使用非常不方便，人们需要种无线技术将 十人操作空间内的这些设备无线连接起来实现它们之问可移动的自动互联。高速无线个人区域网 正是顺应这种需求而提出的概念使得清费大众能够以一种全新的方式，在工作室、家庭以及旅缝 当中方便灵活地使用身边的电予设备。 1 2 无线个域网简介 无线个人区域网( w p a n ，w u e l e s s p e r s o n a l a r e e n e t w o r k ) ，倚称无线十域阿，是指疆盖范围在 1 0 m 左右采用无线电或者红外线等传输技术，实现个人电子设备问无线无缝连接的无线通信阿络 w p a n 是与无线广域网( w w a n w - 雌l e s sw i d ea r mn e t w 饿k ) 、无线城域舟( w m a n 。w - t r e k 啦 m 酣。舢岫a 哟t 呻i k ) 、无线局域阿( w l a n ，v n t r e l e a l o c a i a r m n e i w o r k ) 并列但覆盏范围相 对较小的呵络b 】。在网络构成上，w p a n 位于整个阿络链的末端能够有效解决。最后的几米电统” 的问题，进而“将无线联阿进行捌底” 望暖 ；1 i 肾 纂孳一摹 茸i - i 无线个域网的网络体系结构 图i - l 描述了三种典型的w p a n 网络体系结构；场景一是计算机与它的外围设备进行无线连接， 替代了现在使用的电缆连接；场景二是w p a n 通过接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 与有线咀太网络相 连，可以实现无线终端高速接入互联网使得百兆以上的高速无线接八成为可能；场景三是w p a n 和a d h o c 阿络相连，可以实现多个设备2 问进行临时组网交互信息，井通过多龋方式扩大网络的覆 盖范围。本文的研究主要考虑第一种体系结构的网络，该场景里的设备也具有自动组网功能且设 1 描 -磐，。耐孑 。昌一， 东南人学硕上学位论文 备是可移动的，它们之间可以相互发现并动态加入和离开网络，这些设备既可以作为终端，与网络 中的其它设备通信，也可以作为中转设备，转发目的地址不是自己的数据帧，就像一个路由器。 在最近十几年时间里，w p a n 技术得到了飞速的发展，按照数据传输速率的不同，无线个域网 可以分成低速w p a n 和高速w p a n 两类。低速w p a n 技术主要包括红外技术( i r d a ，i n f r a - r e ld a t a a s s o c i a t i o n ) 、家庭射频技术( h o m e r f ，h o m er a d i of r e q u e n c y ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、z i g b e e 、射频 识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 等；高速w p a n 技术主要包括超宽带技术( u w b ， u l t r aw i d e b a n d ) 、无线u s b 以及无线1 3 9 4 等，各种低速和高速w p a n 技术在功耗、成本、传输速 率、传输距离、组网能力等方面各具特点，从而在不同应片j 领域均有着各自的影响力。 红外技术在世界范嗣内已非常普及，目前绝大多数的笔记本电脑上都安装了h d a 接口，但由于 其视距传输和耐用性差的缺点致使其应用范围非常有限，家庭射频技术曾经普及率很高，但由于标 准没有公开，仅获得数十家公司的支持，并且在抗干扰能力等方面与其它技术相比存在很多不足， 在发展道路上以失败告终，剩下的蓝牙、z i g b e e 、r f i d 等支撑着低速w p a n 领域的天地。 国际电子与电气工程师协会( i e e e ，i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 和国际电信 联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 等组织都致力于w p a n 标准的研究【3 l 4 l 。1 9 9 8 年3 月1 2 日，i e e e8 0 2 1 1 工作组成立了w p a n 研究组，当时的主要上作是实现w l a n 和w p a n 的无缝连接。一年后，小组得出结论：现有w l a n 技术标准中的规定不太适片j 于、p a n 。因此，1 9 9 9 年3 月，w p a n 研究组单独成为i e e e8 0 2 1 5 工作组，旨在开发无线个域网标准，并实现同i e e e8 0 2 1 l 协议族的融合。表1 1 给出了主要的i e e e8 0 2 1 5 系列协议。 表1 1i e e e 8 0 2 1 5 系列协议标准 i e e e8 0 2 1 5 系列协议 定义内容 商业名称 i e e e8 0 2 1 5 1 i e e e8 0 2 1 5 1 a蓝牙1 1 1 2b l u e t o o t h i e e e8 0 2 1 5 2 w p a n 与w l a n 的共存 i e e e8 0 2 1 5 3高速无线个域网 i e e e8 0 2 1 5 3 a ( 已解散) 高速无线个域网( u w b ) w i m e d i ai m i e e e8 0 2 1 5 4 低速无线个域网 z i g b e e i e e e8 0 2 1 5 5w p a n 的m e s h 结构补充 1 3 高速无线个域网技术 高速无线个域网是目前无线通信领域的热点研究课题之一，下面我们从历史背景、标准化现状、 技术特性和应用领域四个方面介绍当前流行的高速无线个域网技术5 】： 1 ) 历史背景和标准化现状 最早关于高速无线个域网的研究是2 0 0 3 年i e e e 提出的短距离高速w p a n 标准i e e e8 0 2 1 5 3 ， 它制定了高速无线个域网的媒体接入控制层( m a c ，m e i d a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 和物理层( p h y ，p h y s i c a l 2 第1 章绪论 l a y e r ) 规划6 1 ，工作在无需批准的2 4 g h z 频段，传输速率可达l1 5 5 m b p s ，适合多媒体的传输。 同时，自从2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ，f e d u 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 ) 批准 把3 1 g h z - - 一1 0 6 g h z 的频段免授权分配给民用超宽带( u 、粕，u l t r aw i d e b a n d ) 使用，超宽带技术 受到了市场的大量亲睐，i e e e 又成立了i e e e8 0 2 1 5 3 a ( t g 3 a ) 任务组【7 l ，目的是使用u w b 技术 提高w p a n 速度，制定最高传输速率可达5 0 0 m b p s 、物理层基于u w b 技术的短距离高速w p a n 标 准。然而，8 0 2 1 5 3 a 标准朱能制定完成，其最人贡献是把二十多种物理层标准合并成两种方案：由 u w bf o r u m 建议的直接序列超宽带( d s u w b ，d i r e c t s e q u 即c cu w b ) 方案【8 】和由w i m e d i a 联盟 提出的多带正交频分复用( 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 f i f l e x i n g ) l r w b 方案【9 】。因为这两种竞争性提议一直未能达成7 5 的多数同意，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组于2 0 0 6 年初 宣告解散。另外，i e e e 还于2 0 0 5 年3 月成立了i e e e8 0 2 1 5 3 c ( t g 3 c ) 任务组【1 0 1 ，主要研究8 0 2 1 5 3 物理层的毫米波( 5 7 g h z 6 4 g h z ) 替代方案。 后来为了解决这种僵局，w i m e d i a 联盟绕过i e e e 的标准化过程，转而向欧洲计算机制造联合会 ( e c m a ，e u r o p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 寻求支持，2 0 0 5 年1 2 月，e c m a 通过了 w i m e d i a 联盟的u w b 标准，并颁布了e c m a 3 6 8 和e c m a 3 6 9 的短距离高速w p a n 标准。其中， e c m a 3 6 8 定义了基于m b o f 【) m 技术的p h y 层和基于分布式架构的m a c 子层，而e c m a 3 6 9 则规定了m a c 层和p h y 层的接口。随后，e c m a 将两项标准提交i s o i e cj t c i ，并于2 0 0 7 年初 被批准为i s o c 正式标准发布。2 0 0 7 年1 2 月e c m a 又发布了e c m a 3 6 8 标准的第二版本。 2 ) 技术特性f l l 】【1 2 1 从物理层角度来看，超宽带技术是构建高速w p a n 的首要选择。早期的超宽带系统是利用占用 极宽频带的超短基带脉冲实现，主要应用于军用雷达以及低截获率“氐侦测率的通信系统；民用领域 的超宽带系统则是通过d s u w b 或m b - o f d mu w b 等方案实现。无载波脉冲u w b 系统的优势是 收发信机结构简单，实现成本低，但脉冲在通信过程中需要较长的信道捕获时间，并且在信号处理 过程中需要非常高速的模数转换器，频谱利用率不高；载波超宽带系统则需要比较复杂的发送端和 接收端，但有极强的抗窄带噪声能力和较高的频谱利用率。 无论是早期的基带脉冲方式，还是民用的载波调制方式，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i g b p s 以上) 。与其 它短距离无线通信技术相比，u w b 技术还具有低功耗、低成本、抗多径能力强、穿透能力强、定位 精确等技术特性。 从媒体接入控制层角度来看，由于物理层采用了u w b 传输技术，对m a c 层提出了更高的要求。 高速无线个域网的m a c 层协议有两个：i e e e8 0 2 1 5 3m a c 和e c m a 3 6 8m a c ，前者适用于有中 心控制节点的集中式结构网络，后者适用于无中心控制节点的分布式结构网络。 i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议具有以下特点：1 ) 为多媒体业务提供具有q o s 保证的a dh o c 连接；2 ) 设备可以很方便的加入或离开网络；3 ) 先进的能耗管理策略；4 ) 优化的面向短距离( 1 0 米左右) 通信的低成本、低复杂度的m a c 层实现；5 ) 支持高达5 5 m b p s 速率的视频和高质量音频传输。 e c m a 3 6 8m a c 协议与i e e e8 0 2 1 5 3m a c 协议相比，主要具有以下不同：1 ) 取消了微微网 ( p i c o n e t ) 的概念，取消移动终端身份( 协调器p n c 和设备d e v ) 的区别，所有设备都处于同一 3 东南人学硕士学位论文 地位，任何设备都有权利发起超帧；2 ) 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： 3 ) 超帧结构有很大不同；4 ) 竞争接入周期对业务分优先级。 3 ) 应用领域 目前，关于高速无线个域网技术的研究不仅在标准化方面，而且在市场产品方面也有很人的突 破。w i m e a i a 联盟的e c m a 3 6 8 3 6 9 标准已被多个著名商业机构采纳并应用于研发的新产品中，例 如无线u s b ( w u s b ，w i r e l e s su s b ) 、无线1 3 9 4 ( w 1 3 9 4 ，w i r l e s s1 3 9 4 ) 、新一代蓝牙等。 众所周知，u s b 、1 3 9 4 和蓝牙技术分别在计算机、消费电子和移动通信三大领域( 3 c ，c o m p u t e r 、 c o m u n i c a t i o n 、c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 中广泛应用。现在的u s b 外设人都是有线的，需要通过一根 线缆与p c 主机相连，例如打印机、数码相机和外置硬盘等，这个线缆数目非常巨大；1 3 9 4 设备较 多的使用在消费电子市场，例如数字机顶盒和d v d 机可以同时播放，而电视机和刻录机可以选择其 中的任何一个节目源，1 3 9 4 线缆的数目会随着今后数字电视的普及而变得巨大。1 3 9 4 与u s b 最人 的不同是外设和外设之间是对等的架构，可以直接通讯，而u s b 采刚的是主从的架构，操作必须 由主机来主导，从这个方面来说，无线1 3 9 4 更适合于无线电子产品的互联。蓝牙专f 。】利益组将蓝牙 和u w b 技术结合起来形成新一代高速u w b 蓝牙标准，有望将其3 m b p s 的传输速率提高到4 8 0 m b p s 。 基于w i m d e d i a 标准的w u s b 、w 1 3 9 4 和新一代高速u w b 蓝牙有着良好的发展前景。 综合上述分析，超宽带( u w b ) 技术凭借其高速率、高性能、低成本、低功耗等突出优点，已 经被公认为高速w p a n 中最具竞争力的物理层技术，分布式的e c m a 3 6 8m a c 层标准相对来说更 具优势，本文将研究基丁e c m a 3 6 8 标准的分布式高速无线个域网的同步技术及无线资源管理技术， 在接下米的两节中我们将分别概括性的介绍下e c m a 3 6 8 标准和无线通信网络中的同步及无线资源 管理技术。 1 4e c m a 3 6 8 协议综述 1 4 1 物理层 e c m a 3 6 8p h y 标准利用了3 1 g h z i o 6 g h z 的部分或全部频谱资源，支持多种数据传输速率： 5 3 3 m b p s 、8 0 m b p s 、1 0 6 7 m b p s 、1 6 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 、3 2 0 m b p s 、4 0 0 m b p s 和4 8 0 m b p s 。标准把频 谱划分成1 4 个频带( b a n d ) ，每个频带有5 2 8 m h z 的带宽，前面的1 2 个频带分成4 组，每组3 个频 带，最后两个频带并为一组。 物理层采用o f d m 调制技术米传送信息，载波分为数据载波、保护载波、导频载波以及空载波。 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 ) 码选用卷积码，码率为1 3 、1 2 、5 8 和3 4 。经过编码 调制后的数据结合时频码( t f c ，t i m e - f r e q u e n c yc o d e ) 进行传输。在e c m a 3 6 8p h y 标准中存在 两种t f c ，一种是时频交织( t f i ，t i m e f r e q u e n c yi n t e r l e a v i n g ) ，把编码调制后的数据信息在一组 三个频带内进行传输：另一种是固定频带交织( f f i ，f i x e df r e q u e n c yi n t e r l e a v i n g ) ，数据在同定的 一个频带内传输。就前四个频带组而言，标准在t f i 模式下规定了四种t f c ，在f f i 模式下规定了 三种t f c ，从而每个频带组可以提供7 个逻辑信道；对于第5 个频带组，标准只在f f i 模式下定义 4 第1 章绪论 了两种时频码。所以，e c m a 3 6 8 标准的物理层总共可以提供3 0 个逻辑信道。 在进行o f d m 调制的时候，标准采用时域扩展和频域扩展技术。时域扩展就是在连续两个o f d m 符号上传输相同的信息；频域扩展就是在同一个o f d m 符号的两个不同的子载波上传输相同的信息， 在频带内提供频率分集。当时域扩展和t f c 模式结合的时候，系统就能在频带之间提供频率分集。 e c m a 3 6 8 标准的物理层构建了一个点对点的通信通道，包含三个主要功能模块：物理媒体依 赖( p m d ，p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层、物理层汇聚( p l c p ，p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 子层以及物理层管理( p l m e ，p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 子层。p m d 子层主要是在两点或 者多点的情况下互相传输信息的物理媒体；p l c p 子层促使m a c 层的工作在最小程度上依赖于p m d 子层，能够简化物理层与m a c 层之间的服务接口；p l m e 子层主要联合m a c 层管理单元来管理本 地物理层。核心子层是p l c p 子层，它提供了一种方法将物理服务数据单元( p s d u ，p h ys e r v i c ed a t a u n i t ) 封装成p l c p 协议数据单元( p p d u ，p l c pp r o t o c o ld a t au n i t ) ，然后把p p d u 从设备发射机 中发送出去。 1 4 2m a c 层 媒体接入控制( m a c ) 层的基本功能是让网络内的多个用户共享同一媒介资源，通过规定一系 列规则，让网络中的所有节点有序、高效、公平地共享使用无线媒体资源。另外，m a c 层还控制着 对物理层的访问，并为上层协议提供可靠的无线连接等。 e c m a 3 6 8 的m a c 层的功能主要包括如下几个方面： 1 ) 在无线收发范围内，协调各设备在一个单独信道内通信； 2 ) 实现协调点间的同步： 3 ) 基于信道预留的分布式接入信道； 4 ) 基于信道竞争的分优先级接入信道； 5 ) 提供处理设备移动和干扰的机制； 6 ) 合理安排帧的发送和接收来管理设备功率以达到：市能； 7 ) 利用加密算法以保证数据的安全传输； 8 ) 自动计算两个设备间通信距离。 e c m a 3 6 8 媒体接入控制层传输的是m a c 帧，从帧结构的角度看，m a c 帧分为了m a c 帧头 和m a c 帧体两部分，m a c 帧头送往物理层p p d u 中的p l c ph e a d e r 中，而m a c 帧体送往物理层 p p d u 中的p s d u 中；从帧类型的角度，m a c 帧分为信标帧、命令帧、控制i 唢和数据帧四类，其中 上层数据是以m a c 业务数据单元( m s d u ，m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 的形式置于m a c 帧体内。 为了降低边缘链路的帧差错概率，一个数据帧可以拆分成多个片段，各片段分配一个m s d u 序 列号和片段号，并在接收设备端重组来减少帧的错误率。 针对不同的应用情况，标准中提供了三种不同的帧传输确认机制：无确认( n o a c k ) 机制，当 数据帧不要求保证成功投递，或对帧的传播时延敏感时，接收端不需要发送确认帧；立即确认 ( h a m a c k ) 机制。接收端每收到一个数据帧都要向发送端发送确认帧：块确认( b a c k ) 机制， 发送端向接收端发送一组数据帧，当要求确认时，接收端会将各个帧的确认帧一起发给发送端。当 5 东南人学硕卜学位论文 需要确认时，b a c k 机制比i m m - a c k 机制使得网络负载更少。 另外，标准还支持帧重传机制，当发送端使用i m m a c k 或b - a c k 机制而未收到确认帧时就会 重新发送先前所发的帧或丢弃这个帧。选择重传还是丢帧取决于所发数据帧或命令帧的类型、尝试 发送次数、发送时间等因素。 e c m a 3 6 8 的m a c 层提供三种信道接入方式：在信标期内发送信标帧；设备可以预约信道进 行数据收发；以及设备还可以分优先级的竞争接入信道进行数据收发。 1 5 同步及无线资源管理技术综述 1 5 1 同步技术 同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) 是通信系统中一个重要的实际问题，几乎在所有的通信系统中都要首先 解决同步问题。同时，同步义是通信系统中进行信息传输的关键问题，其工作质量决定通信的质量， 为了保证信息的可靠传输，要求系统应有稳定、可靠、准确的同步。同步的种类很多，按同步功能 划分主要有载波同步、位同步、帧同步和网同步【l 引。 1 ) 载波同步：对于载波调制的通信系统，接收端采h j 同步解调或相干检测时，接收机需要提供 一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这种相干载波获取的过程就称为载波同步； 2 ) 位同步：又称为码元同步，是数字通信系统特有的同步技术。在数字通信系统中，任何消息 都是通过一连串码元序列传送的，所以接收端需要知道每个码元的起止时刻，这就要求在接收端产 生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻对齐，把在接收端产生与接收码元 的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步： 3 ) 帧同步：在数字通信系统中，为了提高信息交换、传递等处理速率并不是以一个码元为单位 进行的，而是以一组码元为单位，称其为帧，这样在发送端要对信息进行分组处理，即对信息进行 分装和打包处理，在接收端将这些分组区分出来去掉发送端附加的字符，恢