高性能UWB网络协议关键技术研究

摘要

UWB网络技术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。无论采用哪种物理层技术，对于UWB网络而言，链路层技术尚无统一解决方案，行业标准ECMA-368虽然提出了MAC子层协议，但是LLC子层根本未涉及，针对UWB网络独特的特点，需要设计一种优化的涵盖MAC和LLC子层的通信链路协议，新的协议既要保证UWB网络数据传输的高可靠性，又要解决节点节能省电的问题，同时还要改善网络吞吐率，且网络时延和开销比较少，适用于UWB网络多跳应用场景，支持各式各样、不断变化的业务类型及其服务质量。本论文正是在国家“十五”863计划课题 “TDD系统高层协议自适应链路和编译码设计与实现（2003AA12331005）”（B3G第2期），国家“十一五”863计划课题“UWB共性技术研究与验证系统研发（2009AA011202）”的资助下，研发具有自主知识产权的高性能UWB网络协议关键技术。
　　 本文在分析当前UWB网络和多跳网络协议的基础上，首先提出当前UWB多跳网络链路协议中需要解决的问题和面临的挑战，然后提出我们重点要解决的问题，即我们的总体研究目标是在兼容ECMA-368MAC和PHY协议的基础上，完成LLC子层协议的设计，实现高可靠性传输、高节能、高信道利用率以及高QoS保障。在总体研究目标的指导下完成了UWB多跳网络协议模型的构建，包括改进的MAC子层协议模型和创新的LLC子层协议模型，其中在B3G重大课题中已进行性能验证的IP头压缩技术、TCP代理确认以及部分窗口多拒绝ARQ机制在特定UWB环境下，特别是UWB多跳环境下需要做进一步的改进。文章接下来将具体描述对这些技术的改进措施。
　　 其一，在UWB多跳网络中，为了节省成本和功耗，结点间需要采用多跳来实现数据信息的中继。在多跳条件下，为了保证多媒体业务的服务质量必须通过ARQ机制实现信息分组的可靠传输。多跳环境下的ARQ设计和点对点的ARQ设计有很多不同特性，因此要设计多跳条件下ARQ机制，实现高吞吐率、高确认效率、低重传率和低时延以满足多媒体业务要求。本文提出的UWB多跳网络ARQ机制模型，综合了创新的部分窗口多拒绝ARQ技术和中继ARQ技术，既可以满足上述设计目标，又能很好地兼容ECMA-368标准中MAC和PHY协议。
　　 其二，UWB多跳网络中各设备节点兼路由器和主机两种功能，且大多节点采用电池供电，所以对于设备节点来说，省电是一个很重要的问题。鉴于UWB多跳网络的LLC子层采用了ARQ机制来保障TCP业务的服务质量，而LLC子层ARQ确认信息和传输层TCP确认信息具有冗余特性，所以可以在UWB网络的发送节点或者网关AP处根据LLC子层的ARQ信息和TCP连接的状态跟踪信息，代理接收节点生成到发送节点或者网关AP的TCP确认报文段，使得接收节点可以过滤绝大部分的TCP确认信息，减少节点之间多余信息传输，降低发射功率，实现设备节点节能省电的目的，同时还可以解决TCP拥塞控制机制带来的无线链路低吞吐率问题。
　　 其三、UWB多跳网络的业务汇聚子层同时支持IPv4和IPv6的汇聚，TCP头、UDP头和IP头占用了大量的无线带宽资源，因此需要研究高效的基于IPv4和IPv6的IP分组头压缩算法。高效的IPv4和IPv6的IP分组头压缩算法应利用LLC子层已有的ARQ机制实现通信双方的头压缩状态信息表的一致性，这样在一致性的状态表保证下，TCP头、UDP头和IP头更多的字段可以被压缩，实现比现有头压缩算法更高的压缩效率。
　　 综上所述，本文以改善UWB网络协议性能为主要出发点，充分考虑现有ECMA-368标准的特点，提出一种新颖的可适用于多跳环境的UWB网络链路层协议模型，在此模型下，对多跳ARQ机制、基于ARQ的TCP代理确认机制以及IP头压缩机制进行了详细的分析，然后对网络进行建模，将相应的研究方案应用于实际的UWB多跳网络中。文中大量的仿真实验证明了这些方案在提高网络性能方面的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 UWB多跳网络协议模型研究

3 UWB网络多跳ARQ机制研究

4 UWB多跳网络TCP代理确认机制研究

5 基于ARQ一致性的TCP/IP头压缩机制研究

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录