超宽带AdHoc网络中QoS路由协议的研究.doc

超宽带AdHoc网络中QoS路由协议的研究 xx年12月，以TI等公司提出的MB-OFDM UWB方案1为基础，ECMA推出了高速UWB物理层和MAC层标准ECMA-368/369协议2，并在xx年被国际标准化组织（ISO）正式批准为国际标准ISO-26907/26908。 UWB芯片设计和开发方面，近年来国际上在调制载波UWB芯片方面发展也较快，Staato、Wisair、Alereon、Infineon、Artimi等公司都推出了各自的芯片和解决方案。 既有基带、RF射频或MAC的单功能芯片，也有集成基带和MAC，或集成RF和基带的集成芯片，Staato公司还推出了集成基带、MAC和RF的单芯片。 大多数物理层芯片工作在35GHz频段，Infineon和Artimi等公司正计划推出工作在35GHz和69GHz的双频UWB物理层芯片。 目前，高速UWB芯片还处于试验和预商用阶段，还没有大规模应用。 脉冲UWB技术方面，一般采用跳时、脉冲位置调制、脉冲极性调制等技术，将信息调制到基带窄脉冲序列上进行传输。 典型的基带窄脉冲宽度在亚纳秒级，具有数GHz的带宽。 基本的信号检测方法主要包括峰值检测法3，能量检测法4，瑞克接收法5及相关检测法等。 随着新技术的不断应用，脉冲UWB方式已从原来的仅适用于低速应用向能实现高传输速率发展，在理论与方法上取得了显著进展。 但与调制载波UWB相比，国内外这方面的实验系统和芯片开发工作尚处于研究阶段。 国内在国家863计划等项目的持续支持之下，已有多所高校和研究机构对UWB技术进行了专门研究，其中东南大学、中国科学技术大学和清华大学等对包括脉冲UWB、调制载波UWB等在内的各种UWB技术都进行了全面、深入的研究，获得了多项核心专利，并于xx年底分别实现了基于多带OFDM制式和IR制式的高速2华华中科技大学硕士学位论文UWB实验演示系统。 联想、中兴通讯、华为等多家公司也对UWB技术的研发给予高度的关注和支持。 总体来看，中国目前已经初步掌握超宽带无线通信技术的核心芯片和软件应用的开发能力，并且对于其中关键技术的研究也已取得了重要进展。 在20世纪70年代到90年代早期，研究移动自组网技术主要目的是为了满足军事应用的需求，所以很难从公开的出版物上获得有价值的理论与技术成果。 直到90年代中期，随着一些技术的公开，Ad Hoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点6。 Ad Hoc网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为移动自组织网。 Ad Hoc网络在结构上并没有固定的网络基础设施，由一系列的移动节点组成，网络中的节点可以动态且任意分布，节点间可以通过无线的方式互连。 在整个网络中，由于移动终端的无线覆盖范围有限，两个无法直接进行通信的节点可以借助其它节点进行分组转发。 所以，每一个节点充当的是一个路由器角色，它们能完成寻找路由以及转发报文的功能。 随着UWB技术的逐步成熟和AdHoc移动网络的发展，必然带来对综合数据业务的需求（如多媒体业务需求），因此QoS路由协议的设计和实现就变得非常迫切而且很有意义。 1.2研究内容及意义本课题为“十一五”863计划重点资助的项目UWB共性技术研究与验证系统研发，课题编号为xxAA011202。 课题的实际目标就是设计出UWB软件MAC层系统方案，并通过在室内无线互联应用试验系统的研制，对方案的可靠性进行验证。 主要研究内容如下1)设计具有QoS保证机制的无线移动互联组网应用，能够提供区分用户、业务等级以及流量控制的服务质量保证，对不同的业务划分优先级，以提供不同等级的QoS保证，同时需要考虑传输速率、时延和链路拥塞程度的参数；2)研究并实现能够适应并支持多跳的自组网络链路状态变化的路由算法，依据带宽、时延、时延抖动等链路参数及时获取和更新维护路由信息；3华华中科技大学硕士学位论文3)利用OPNET仿真平台验证路由算法可行性及系统的性能指标分析。 在室内无线互联应用示范中，网络协议支持节点数可以超过100的网络规模，数据传输速率达到100Mbps及以上，并要具有QoS保证机制，支持无线多媒体综合业务，能够区分用户、业务等级以及流量控制的服务质量保证，对不同的业务进行划分优先级，来提供不同等级的QoS保证，需要考虑传输速率、时延和链路拥塞程度的参数。 此外，在无线互联自组网中，所有网络节点地位平等，各节点在网络控制、路由选择和流量管理等方面能力相同，因此属于对等式的平面网络，其特点是比较简单，网络比较健壮性好。 无线自组网不依赖任何基础网络设备，每个节点具有主机和路由的双重功能，在源节点和目的节点之间一般存在多条通信路径，可以选择最优化的路由。 此外，在无线自组网应用中可以实现多个设备之间进行临时组网交互信息，并通过多跳方式扩大网络的覆盖范围。 但由于在UWB AdHoc网络中，链路的状态受节点的移动以及周围环境影响较大，尤其是大规模的网络中，带宽、时延、时延抖动等链路参数很难及时获取和更新维护，因此还需要借鉴无线移动自组网的DSDV路由协议，找到能够获得满足业务要求的路由，提前预测链路的中断，以便及时切换替代路由。 1.3论文组织结构本文各章节内容安排如下第1章介绍了课题的研究背景，研究内容及意义，最后是全文的组织结构；第2章介绍了课题相关的协议原理及技术，着重介绍了UWB的MAC层协议，以及NDIS中间层驱动程序设计；第3章对移动Ad Hoc网络中的QoS路由协议做了大量研究，分析了两种网络中比较流行的QoS模型以及应用较为成熟的移动自组网路由协议原理和特点；第4章在理解了QoS路由协议的基础上，提出了基于DS服务模型的QoS机制和基于DSDV的路由选择协议，详细介绍了验证系统的设计方案，并重点阐述了QoS4华华中科技大学硕士学位论文机制设计方案和路由选择协议设计与实现；第5章介绍了验证系统的测试方案和结果分析；第6章总结全文，介绍了自己在本课题中的工作及贡献，并对未来的工作做了展望。 5华华中科技大学硕士学位论文2相关协议原理及技术介绍2.1UWB的的MAC层协议简介超宽带的MAC层协议主要标准是依据ECMA-368MAC规范2，该规范详细规定了PHY物理层和MAC媒体接入控制层，使用的频谱范围为3.1GHz10.600GHz，支持的最高速率可达480Mbit/s。 MAC子层结构符合ISO/OSI-IEEE802标准的MAC子层参考模型7，如图2-1所示。 MAC服务由MAC SAP提供给单个MAC服务客户，通常是某个上层协议或适应层。 PHY子层通过PHY SAP依次向各个MAC子层提供服务。 MAC协议应用于对等MAC子层间。 应用层表示层会话层传输层网络层逻辑链路控制层MAC层数据链路层物理层物理层MAC物理层MAC MAC协议PHY协议MPDUPPDUMSDUPSDUMSDUPSDUMAC SAPMAC SAPMACSAPMACSAP图2-1UWB MAC层体系结构参考模型UWB的MAC层协议是一种全分布式的协议，每一个设备都具有MAC层定义的各种功能，如具有分配协调信道资源使得不同设备能正常使用而避免冲突的功能、具有分布式的媒体预留机制来保证服务质量的功能、具有测距、RTS/CTS等可选功6华华中科技大学硕士学位论文能。 因此MAC层保证了设备的移动性，设备间完全依靠相互协作来维持正常的工作。 UWB的MAC层还提供了PCA优先竞争访问机制以便同步的和异步的数据传输，并采用了CSMA和TDMA的联合来实现PCA。 DRP分布式预留协议就是用预留信道来实现TDMA机制，以便进行同步传输和其他数据交换，为了充分利用网络资源，该标准提出了基于CSMA的竞争访问机制，并制定相关协议来确保设备间公平享用信道资源8。 总体来说，在ECMA标准中规定的PHY和MAC层能很好地适用于高速、便携的或固定的电子设备之间的通信中。 而且基于ECMA标准的UWB网络结构不依赖于任何中心设备，具有比较强的稳定性和灵活性。 2.1.1UWB的超帧结构超帧是UWB系统进行帧交换的基本定时结构，所有帧都在超帧内传输，超帧结构是定时同步和资源分配的基础。 在ECMA-368标准中超帧的持续时间（即超帧的长度）为65.536ms，由256个MAS媒体访问时隙组成，每个MAS的持续时间为256s，超帧的结构如图2-2所示。 时间一个超帧周期数据传输期(DTP)BPST?信标期(BP)长度可变MAS图2-2超帧结构图一个超帧周期由BP信标期和DTP数据传输期两部分组成。 BP可能跨越1个或多个连续的MAS，由其作用范围内的设备数量决定，最多可占32个MAS。 信标期是用来收发信标帧的专用周期，BP中第1个MAS的开端或超帧中第1个MAS的开端称为BPST，每个超帧总是由BPST开始，它是设备间的同步标志。 BP由信标时隙组成，最多有95个信标时隙，每个信标时隙长85s。 BP中信标时隙从0开始按序排列，BP的前2个信标时隙作为信令时隙，用于扩展邻居的BP长度。 7华华中科技大学硕士学位论文所有设备（休眠除外）都在某个信标时隙发送自己的信标，并且在每个超帧的所有信标时隙中侦听邻居的信标。 如果设备要在信标时隙中发送，必须在信标时隙起始点就开始。 设备节点在信标期通过发送信标帧接入无线媒介，交换管理和控制信息，实现设备之间的同步和移动，以及其它设备的快速发现。 DTP紧接在BP之后，是设备之间传输数据帧、命令帧和控制帧的时间周期。 DTP内的MAS类型有DRP分布式预留协议和PCA优先竞争访问两种，分别代表两种数据通信方式，支持同步或异步的数据通信服务。 2.1.2MAC帧格式及类型帧是设备在MAC子层与对等实体间通信的数据单元，MAC帧由固定长度的MAC帧头、可变长度的MAC帧负载和校验序列组成，MAC帧结构如表2-1所示表2-1超帧结构10字节可变字节4字节帧头帧负载FCS MAC帧头帧头中含有帧控制字段、源地址和目的地址等信息。 MAC帧通过目的地址进行寻址，接收设备接收属于自己的帧，也通过帧头识别不同的帧类型和子帧类型。 MAC帧头见表2-2。 帧负载即负载数据，承载着发送给一个或一组设备的信息，负载长度是0-4096个字节的变长结构。 不同类型帧的负荷包含不同的结构的信息内容，代表不同的含义。 校验序列占4字节的长度，与帧负载的数据校验相关，用于判定一个帧是否被正确接收。 若帧负载大小为0，则无FCS字段，也没有MAC整体。 表2-2超帧帧头结构2字节2字节2字节2字节2字节帧控制目的地址源地址序列控制访问信息UWB的MAC协议定义了信标帧、控制帧、命令帧、数据帧和汇聚数据帧等五种帧类型9。 8华华中科技大学硕士学位论文信标帧是与设备自身的标识、状态、功能、请求等相关联的一组数据。 信标由控制中心产生，数据格式由信标帧组成，发送时间安排和传送管理信息，信标中包含重要的控制和管理信息，如设备的当前功能、工作状态和通信需求等。 活跃的设备必须定期发送信标，因此信标是一种检测设备存在的基本手段。 控制帧用以完成数据收发控制等功能。 例如确认帧是一种控制帧，由目的设备发送，对帧的接收情况进行确认；RTS/CTS帧是另一对子类型，与无线局域网中同类数据帧功能一样，用以解决隐藏终端问题；UDA/UDR帧用来释放设备之间不需要的预留时间。 命令帧指设备之间的命令请求，如测距请求、密钥获取、预留信道等。 例如当需要测量两个设备间距离时，一方发出测距请求帧即可启用测量程序。 数据帧来承载上层传递到MAC子层的数据。 上层数据送至MAC子层时，称为MAC服务数据单元，即MSDU，由MAC子层以数据帧的方式与其他设备互相交换。 汇聚数据帧由若干长度较小的MSDU合并组成，这是为了充分利用信道资源。 在汇聚数据帧里，负载包括一个汇聚头和多个MSDU，帧负载大小和其他帧负载大小受相同的最大值限制。 2.2NDIS中间层驱动程序介绍NDIS是Windows网络驱动程序接口标准10，NDIS中间层驱动程序结构如图2-3所示，NDIS中间层驱动程序位于微端口驱动程序和协议驱动程序之间。 基于NDIS设计的中间层驱动程序可以截获在网络上收发的所有数据包，同时由NDIS提供丰富的包和缓存处理函数，可以方便地完成对截获的数据包进行封装、调度的管理，关键的一点是对数据包还可以实现零拷贝的操作，提供对数据包的处理效率。 9华华中科技大学硕士学位论文传输驱动程序（例如TCP/IP）NIC驱动程序中间层驱动程序微端口接口微端口接口协议接口协议接口NDIS中间层驱动图2-3NDIS中间层驱动程序结构2.2.1初始化过程NDIS中间层驱动程序的初始入口点为DriverEntry函数，中间层驱动程序在该函数中为下层的微端口驱动提供协议接口函数声明，同时为上层协议驱动提供微端口接口函数声明。 在完成注册初始化后，中间驱动程序已经为微端口驱动和协议驱动指定了特定的属性，在其中我们就拥有了网络上的数据包的控制权，可以对数据包进行加密、过滤、封装、分组或者重组。 例如要对发送的网络包进行重新封装，即重构微端口驱动指定的发送实例MPSendPackets和MPSend函数。 这两个函数分别用于不同的场景，MPSend函数一次只处理一个包，MPSendPackets一次可以处理多个包，老式的网卡调用MPSend函数，一些芯片如Intel的网卡驱动调用MPSendPackets函数。 在MPSendPackets和MPSend函数中读出网络数据包的内容，添加特定的数据头就可以将IP报文封装成ECMA368的MAC层数据帧格式。 2.2.2发送数据包NDIS数据包发送流程如图2-4所示10华华中科技大学硕士学位论文协议驱动层微端口驱动层NdisSend/NdisSendPacketsPtSendCompleteNdisSendNdisMSendComplete1234图2-4NDIS数据包发送流程1)协议驱动层需要向中间层驱动传递数据包时，选择调用NdisSend函数完成发送操作；2)中间层驱动程序接收到上层传下来的数据包后，就可以对数据包进行封装过滤处理，然后调用NdisSend函数发送到微端口驱动层。 如果返回状态是NDIS_STATUS_PENDING，就通过PtSendComplete函数释放中间层申请的资源，并通知上层释放原始数据包，否则在发送返回就可以释放资源；3)当微端口驱动层发送完数据包以后，就会调NdisMSendComplete函数通知中间层已经完成发送请求，可以释放数据包资源；4)当中间层驱动程序收到微端口驱动层完成数据包发送的通知后，就会调用PtSendComplete函数释放数据包中属于中间层申请的相关资源，然后再通知上层去释放原始的数据包资源。 2.2.3接收数据包NDIS数据包接收流程如图2-5所示1111华华中科技大学硕士学位论文协议驱动层微端口驱动层PtReceive/PtReceivePacketMPReturnPacket2143NdisMIndicateReceivePacketNdisReturnPacket图2-5NDIS数据包接收流程1)当收到网络上数据包，微端口驱动层通过调用NdisMIndicateReceivePacket函数，向中间层驱动传递从网络上接收的数据包；2)中间层驱动程序在PtReceive函数中完成对原始的数据包处理，如果是应用层业务相关的数据，就会继续选择调用NdisMIndicateReceivePacket函数通知协议驱动层接收；3)当协议驱动层处理完中间层上传的数据包后，就会调用NdisReturnPacket函数通知中间层释放自己在数据包中申请的相关资源；4)中间层收到通知上层数据包已处理完毕，就可以在MPReturnPacket函数中释放自己申请的资源，然后调用NdisReturnPacket函数向微端口驱动层返回原始数据包的所有权。 2.3本章小结本章介绍了UWB的MAC层协议，同时讲解了NDIS中间层驱动程序的开发技术，通过NDIS的中间层驱动程序开发设计，能够过滤网络上所有的数据包，实现将网络数据包封装成UWB的MAC数据帧格式，以及地址学习和转换的功能，从而实现本项目的开发需求。 12华华中科技大学硕士学位论文3移动Ad Hoc网络中QoS路由协议研究在UWB室内无线互联示范应用中，最关键的技术是需要提供适合UWB系统的Ad Hoc网络的路由协议及QoS保证机制。 本章将通过对几种基本的路由选择协议及QoS机制分析，提出适合本系统的QoS路由策略，能够满足课题的需求。 3.1主要的性能指标文献61213中指出评估一个QoS路由协议的性能主要有如下指标1)吞吐量（Throughput）即网络实际的带宽，指单位时间内传送通过网络中给定点的数据量；2)端到端延迟（End-to-End Delay）指数据报文离开源端点与到达目的端点的时间差，计算包括网络传输的时延、编解码延迟、抖动缓冲延迟、固定时延；3)MOS值平均主观评分，在实际网络测试中，一般MOS值达到3分以上就表明网络质量处于较好的水平14；4)路由开销路由的控制信息少，开销小，协议运行的效率高，则所需要占用的带宽就低，能够提高发送数据分组的机会；5)链路时延链路建立检测延迟以及链路断开检测延迟。 在Ad Hoc网络中，需要有QoS保证机制，就要保证有高的吞吐量，低的端到端延迟，在保证网络中传输的数据包及时得到分发的前提下，还需要区分不同的用户及业务服务等级，才能提升网络质量，取得较高的MOS分数。 对于路由选择算法的设计，需要保证较低的路由开销及链路时延，才能够快速适应网络拓扑变化，提高自适应性。 3.2两种QoS模型分析比较现代网络中现有的保证QoS的模型主要有集成服务模型和区分服务模型两种15，以下分别对两种QoS模型进行分析介绍。 13华华中科技大学硕士学位论文1)集成服务模型，即IS模型IS模型要求在网络上保证每个流的QoS，而在大规模网络中有成千上万的流，随着流的增加，状态信息将急剧增加，这导致IS模型的可扩展性很差，基本上不能在移动网络中部署，一般都应用于企业内部网。 2)区分服务模型，即DS模型DS模型通过对汇聚流进行划分优先级，来提供不同等级的QoS服务。 DS模型利用IPv4头中的ToS字段或者IPv6的业务类型字段作为区分服务域，通过DS域的值来确定报文在每一跳的节点行为，即PHB逐跳行为，依靠在网络节点中对不同报文的分类、丢弃、整形和调度处理提供不同的QoS等级16。 对每跳节点行为来说，DS模型定义了两个服务水平?快速转发，即EFEF是最高的服务等级，分类服务协议对具有EF服务等级的业务数据流给以最好的QoS保证。 EF PHB可以提供低丢失率、低延迟、低抖动、确定带宽、端到端的服务17。 当采用加权公平排队，即WFQ等队列调度算法时，可以给EF业务流高的加权系数，让其参与队列调度。 超过管理策略所限定的最大流量的EF等级的业务数据将被丢弃。 ?确保转发，即AFAF是较低的服务等级，AF一般分为四个子类，每个子类中又可分三个优先权。 超过管理策略所限定的最大流量的AF业务数据流不可能得到更多的带宽资源，其数据包将被降低服务等级或者被丢弃。 DS模型的各部分都被设计为模块，各模块之间相互配合，可扩展性强。 DS模型的主要功能模块如图3-1所示14华华中科技大学硕士学位论文队列管理分类器队列调度数据流入口数据流出口图3-1DS模型的功能模块图针对UWB的Ad Hoc网络中系统要求，网络中提供有音视频、文件传输、互联网访问等不同业务，不同的业务需要提供的服务质量要求不一样，数据传输业务要求绝对的准确，却对时延没有很高的要求；语音业务对数据的准确性要求不高，但对时延要求非常高。 因此，参照DS模型设计的QoS子系统就可以为系统提供QoS保证机制，即能够提供区分用户、业务优先级以及流量控制的服务质量保证，同时为了保证TCP业务性能，需要在QoS系统中实现RED随机早期监测18等拥塞控制手段，保证大部分互联网业务的服务质量。 3.3移动自组网中基本路由协议由于本系统的中继、多跳特性与移动自组网的特性基本相同，且移动自组网络已经有了比较成熟的路由算法，所以本系统的路由选择算法考虑采用多跳移动自组网中的路由算法。 多跳移动自组网中没有基站一类的固定通信设备，每一个设备既是终端又是路由器，且都可以移动，因而多跳移动自组网中的路由算法相比通常的有线网路由算法来说有巨大的差别，并且对算法也提出了不同的要求和约束，主要表现在1920211)算法必须对网络拓扑变化具有快速反应能力，并且避免路由环路的发生；15华华中科技大学硕士学位论文2)算法必须高效利用无线资源，尽可能压缩开销；3)算法必须尽可能缩短发射时间以减少移动节点的功率损耗22。 目前已经广泛研究的多跳移动自组网路由协议根据协议的驱动方式可以分为源启动路由协议和表驱动路由协议两大类20。 本节将重点对使用最为广泛的表驱动路由协议DSDV协议23和源启动路由协议AODV协议24进行研究。 3.3.1DSDV协议DSDV协议是较早成熟的移动自组网路由选择协议之一，由C.Perkins和P.Bhagwat于1994年提出。 它是在有线网络的表驱动路由协议的基础上进行了些许改动，使之符合移动自组网络的特点。 协议基于Bellman-Ford算法，每个移动节点维护一张路由表，路由表中主要如下几项信息目的地址、下一跳地址、路由跳数、目的节点的序列号以及路由建立时间、路由稳定时间，通过路由表驱动以及定时发送路由通告方式来维护各个节点的路由信息。 DSDV算法提出的主要创新点在于引入了“序列号”，在路由表以及路由通告中包含了该字段，可以解决路由循环及失效路由问题，从而以很小的代价近乎完美地解决了路由回路问题，同时也很好地解决了辨别陈旧路由项的问题。 为了减小链路开销，DSDV算法中采用了“完全通告”和“增量式通告”两种通告形式，用周期性的完全通告维持数据的绝对正确，而更频繁地使用增量式通告以减少维护网络节点中的路由信息而带来的链路开销。 同时，为了降低路由更新产生的网络抖动，DSDV协议也加入了解决时间延时特性，防止路由变化导致网络不稳定。 3.3.2AODV协议AODV是DSDV算法的改进算法，继续沿用逐跳路由、序列号、周期路由通告的概念，综合了DSR中的按需路由机制25。 网络中各个节点维护一个到其它节点的相对稳定路由表，路由表中主要记录到达源节点已知节点路由信息，该协议也包括路由发现和路由维护两个过程。 路由发现过程由于采用按需路由，只有节点需要发送数据且在路由表没有查16华华中科技大学硕士学位论文到目的节点的路由时，才发起路由发现过程。 源节点将向所有邻居节点广播一个路由请求报文（RREQ），邻居节点在接收到路由请求报文后，如果在自己的路由表中没有查找到目的节点的路由信息，就将转发更新后的RREQ报文给所有邻居节点，直至一个节点知道到达目的节点的路由信息，才会将路由信息写入路由回复报文（RREP）发给源节点。 当源节点收到RREP报文时，若节点地址匹配，不再转发RREP报文，说明从源节点到目的节点的路由已经找到，就可以沿这条路由路径进行数据传输。 路由维护过程移动节点会周期性的向邻居节点广播路由通告报文，用来保持联系，若在一段时间内没有收到路由通告报文，则认定为链路断，就会产生路由错误报文（RRER）向源节点报告链路不可达的情况。 RRER报文通过广播形式传送，相邻的结点收到此报文会更新路由表，将到达目的节点的路由设成无效，并再次转发RRER报文。 如果源结点移动导致路由不可用，则由源节点重新发起路由发现过程，寻找到达目的节点的新路由。 如果目的节点或中间结点移动，导致当前链路中断，则链路的“上游结点”主动发送一个RREP报文，该报文的目的序列号大于其所获得的目的地序列号，并将跳计数设为无穷（表示不可达），然后传播到所有活动邻居。 以此类推，直至所有相关源节点都被通告到。 源节点如果需要发信息，可再次发起路由发现过程。 3.4本章小结本章分析了QoS路由协议的主要性能指标和目标，介绍了两种常规QoS模型，并对其应用场景和特点进行了分析对照，得出DS服务模型更适合于在UWB的Ad Hoc网络中借鉴应用的结论。 同时介绍了两种较为成熟的路由选择协议，并通过参考文献262728对比了两种类型的路由协议的性能，发现DSDV路由协议的时延特性略优于AODV协议，但其开销相比AODV协议要大，并且节点移动对其性能的影响也要大于AODV协议，所以DSDV协议适用于网络规模小且节点移动速度较低的场合。 因此，在UWB室内无线互联示范应用中，DSDV协议就更有优势。 17华华中科技大学硕士学位论文4UWB系统验证平台设计与实现4.1系统总体方案设计本课题依据网络驱动器接口标准开发设计的Windows网络驱动程序29，就可以实现UWB的软件MAC层的协议需求。 NDIS接口规范将繁杂的Windows网络下层接口规范化、标准化，使得网卡驱动程序和传输驱动程序在逻辑上分离开来，增强了Windows操作系统对不同的设备厂商的支持，降低了设备厂商对设备驱动程序开发的难度，从而极大地提高了Windows网络驱动程序的可扩展性和兼容性。 此外，NDIS库提供了丰富的数据包处理接口，方便对网络数据包的封装操作。 4.1.1实际组网应用示范通过文献3031可以了解UWB无线传输技术的应用方向，包括无线显示器及外设、无线多媒体网络应用、UWB WBAN应用、穿墙雷达与通信综合应用等。 室内高速无线多媒体网络应用如图4-1所示，包含若干个可以自由移动的节点，节点与多媒体终端通过网线相连，各节点之间采用UWB协议无线传输信息，就可以把音视频数据、以太网数据等经过无线传输发送到一个UWB的外部设备上，实现计算机主机与大多数外设的无线连接。 图中有一个网关节点，通过双网卡网络共享服务方式访问互联网，从而实现室内所有的移动节点能高速访问多媒体网络。 Inter图4-1UWB室内高速无线多媒体网络应用18华华中科技大学硕士学位论文在UWB室内无线互联应用试验环境中，直接相连的设备可以互通数据信息，如果超过设备的信号覆盖范围的话需要中继节点转发数据包。 所有局域网内的设备如果需要访问互联问，均需要通过网关设备进行转发。 4.1.2外部系统间的关系系统总体设计遵循ECMA组织发布的ECMA-368标准2，该标准规定了UWB系统的MAC层和PHY层的行为。 该课题的目的也是设计这两层协议，而更上层的协议，如TCP/IP协议，则在我们的上层提供服务接入点和适配以支持其工作。 为了适应UWB通信系统的高速特性，同时减小硬件成本和技术开发难度，本系统分为软件MAC层和硬件MAC层的两级设计，即将MAC层中需要实时处理的各种控制信息放在高实时性的硬件MAC层处理，而需要大量内存、实时性要求不高的数据和控制信息放在软件MAC层处理。 本系统中，硬件MAC层和物理层均由专门的嵌入式系统实现，硬件MAC层的逻辑处理放在Linux嵌入式实时系统中。 而实时性不太高的软件MAC层功能放在PC中实现，以利用PC处理器速度快并且可利用资源多的优点。 软件MAC层与硬件MAC层之间通过千兆以太网连接。 软件MAC层的程序则作为NDIS中间件驱动程序安装在Windows系统中。 整个分层设计的示意图如图4-2所示TCP/IP协议栈API函数UWB软件MAC层协议网卡驱动千兆网卡用户模式内核模式图4-2UWB软件MAC层在协议栈中的位置19华华中科技大学硕士学位论文软件MAC层所在的NDIS中间层驱动程序处于Windows系统自带的TCP/IP协议栈之下，在其上边界与TCP/IP协议栈交互包含以太网头的原始数据包。 NDIS中间层驱动程序接收到上层的IP报文后，进行解析并取出数据内容封装成UWB的MAC帧格式，然后发给网卡驱动层处理。 下边沿与网卡驱动程序交互，向以太网发送经过封装好的数据包，并从以太网接收数据包经过NDIS中间层驱动程序再重新封装成IP报文后传给上层。 NDIS中间层驱动程序负责实现了UWB软件MAC层的逻辑处理，图4-3清晰地反映了安装NDIS中间层驱动程序的前后对比情况协议驱动程序Protocol接口Minport接口小端口驱动程序协议驱动程序Protocol接口NDISMinport接口小端口驱动程序Minport接口中间层驱动程序Protocol接口NDISNDIS安装驱动图4-3NDIS中间层驱动程序安装前后对比软件MAC层的主要任务是处理实时性要求比较低的逻辑处理，如Windows的应用程序发出和接收的数据、地址解析代理、路由选择算法、驱动程序配置管理、QoS保证机制、数据包分割和聚合等。 这些业务并没有严格的时序要求，其时延要求也比较低，因此不需要浪费本来就稀少的嵌入式系统资源，仅在软件MAC层中进行处理，并且在需要发送的时候再下发到网卡驱动层即可。 4.1.3验证系统的总体设计UWB验证系统采取自顶向下，逐层分解的设计方法32。 系统总共划分为如下几个模块ARP代理模块、路由选择模块、链路激活管理模块、QoS模块、ARQ模块、配置管理模块、包处理模块、还有转发模块。 软件MAC层的系统模块分解图如图4-4所示20华华中科技大学硕士学位论文MUXwlanFrameSend63wlanFrameReceive813提交上层协议栈2110路由选择ARP代理7千兆以太网卡5ARQ911412中继转发转发模块EncapARQDecapTHPMAC配置管理QoS181719161514激活链接图4-4UWB软件MAC功能模块分解图系统与外部模块的关系在上节中已经做了说明，这里不再赘述。 下面对系统内部的几个主要功能模块进行简要描述。 系统各个子模块说明如下配置管理模块软件MAC层协议作为NDIS中间层驱动程序安装到Windows操作系统中后，用户有可能需要根据实际的使用情况对系统功能进行定制，可以通过驱动程序的IO操作完成驱动程序的参数配置或重置33。 从INI配置文件中读取配置信息并通过驱动程序IO操作将其传递到内核驱动程序的管理模块，同时通过THP接口下发配置信息给UWB硬件MAC管理配置模块中进行相应的配置处理。 ARP模块完成IP地址到设备地址的映射，通过自定义ASIE数据格式在Beacon21华华中科技大学硕士学位论文帧中广播ARP请求，以及回复ARP应答。 在系统中，每个UWB设备节点均是使用16位的MAC地址来标识。 该模块维护一张IP地址到16位的ECMA-368设备地址的映射表，通过解析接收的数据包中的目的IP地址，寻找对应的UWB设备地址，实现IP地址到设备地址的转换。 路由选择模块在发送信息时，需要根据目的设备地址寻找下一跳的接收设备，该功能通过路由选择模块实现。 该模块维护一张路由表，主要包括如下几项信息目的设备地址、下一跳设备地址、跳数、序列号。 路由的发现和维护的主要算法参照DSDV协议实现，静态路由表项则通过配置管理模块添加，路由信息报文使用自定义ASIE在Beacon帧中广播路由通告。 QoS模块根据接收到的数据报文的IP头的一个或多个字段（如协议、地址、TCP/UDP头的端口号等）来区分分组的用户及业务优先级，然后进入队列管理和调度，通过使用令牌桶、随机早期监测(RED)等策略实现不同优先级数据流的流量控制。 ARQ模块提供ARQ保证机制34，为了保证数据传输的可靠性，系统通过自定义的确认信息，封装在数据帧中捎带ACK确认信息，或者在信标帧中按Beacon帧周期发送，如果发现接收到错误的数据包，则以IP包为单位进行重传。 包处理模块根据无线传输信道的质量情况，提供数据包的分解/组合、聚合/重组服务，以适应当前的链路状况，并可以通过微端口的接口和底层交换数据、控制和状态等信息，在数据处理过程中需要实现数据零拷贝35，以提高对网络数据的处理效率；转发模块在接收到下层传来的数据包之后，根据最终的目的设备地址来决定将它上传给TCP/IP协议栈处理还是需要再次转发出去。 4.2QoS机制方案设计与实