超宽带无线自组网若干关键技术研究

摘要

无线自组网具有无需基础设施，组网快速灵活、鲁棒性和抗毁坏性能强等应用优势；超宽带技术具有高带宽、高速率、低功耗和低成本等优点，超宽带与无线自组网结合可形成更加灵活、高速的无线网络，从而极大地推动无线网络的应用和发展。 但无线自组网和超宽带技术都是未成熟和非民用化的技术。多跳信道共享方式、拓扑结构动态变化等网络特征给无线自组网MAC接入控制和路由设计带来了严重的挑战；超宽带通信系统虽然具有内在的抗多径能力，但当通信速率很高时，多径引起的符号间干扰将变得严重；此外，虽然超宽带技术具有较低的功率谱密度，但它捕获时间也相对较长，为重新建立物理层之间的连接，信令必须具有较长的报头和较高的发送功率，所以应尽量避免冲突重传和成本更高的路由重构。物理层抗干扰性能研究、链路层MAC接入控制和网络层路由协议设计是目前超宽带无线自组网研究的热点，也是论文的主要研究对象。 论文的主要贡献及相关研究工作可分为以下三部分： (1)给出了较全面而简洁的DS-UWB通信系统误码率近似计算公式及在此基础上较为定量化的DS-UWB通信系统抗多径干扰和系统间干扰性能研究结论。 直接序列超宽带DS-UWB系统是目前UWB通信系统的典型物理层实现方案。论文利用等效的离散信道模型，给出了IEEE 802.25.3a所建议的几种UWB室内信道模型的仿真数据，并对意大利学者G. Durisi所给出的DS-UWB通信系统误码率的计算公式进行了修正和完善。在此基础上，用仿真分析方法，研究分析了DS-UWB通信系统抗多径干扰和系统间干扰性能，得出如下结论，即当通信速率高于100Mbps以上时，DS-UWB通信系统多径引起的符号间干扰将变得严重，此时提高信噪比对系统误码率影响不大，而采用5个左右叉指数的Rake接收机时，可获得较满意的系统性能；两个异步DS-UWB通信系统同时工作时，系统间产生的干扰主要取决于两个系统的码片速率，码片速率高的系统对另一系统的干扰更严重，可以采用更长的扩频序列来抑制。 (2)提出了进一步改善高性能自组网广播MAC接入协议FPRP竞争性能的有效方法及基于FPRP协议的单播MAC协议TPRP。 FPRP协议为当前具有代表性的基于动态时分复用的无线自组网广播MAC协议，具有高度可靠性、时隙并发性、操作并行性及可扩展性等良好性能特点。论文对FPRP协议进行了进一步的性能改善：非预约节点的状态转换设计解决了隐藏接收终端问题、竞争周期分散机制的采用降低了因竞争周期集中而带来的竞争冲突、考虑优先级的竞争概率和竞争周期安排算法设计，提供了不同等级的接入服务。为提供最基本的单播业务，论文根据广播和单播的不同特点，对广播FPRP协议信道预留步骤进行了合理的精简，设计了具有同样高运行性能的单播MAC协议TPRP。TPRP协议能有效解决暴露发送站问题，结合优先级设计，还可作为具有一定QoS保障的MAC协议。 (3)提出了一种高可靠、优化的无线自组网QoS路由协议RQRP_PE。 RQRP_PE协议以带宽为路由首要约束因素，使所选路由满足最重要的QoS资源需求；基于路径生命期进行路由选择保证了所选路由的高可靠性；基于优先级的带宽预留机制则为所选路由提供了具体实施保证。路径带宽计算和生命期状态预测是RQRP_PE协议的设计基础，且带宽计算是一个NP完全问题。论文采用启发式逐跳方式给出了合理的带宽计算方法，而基于距离的生命期预测方法则使路由协议具有了UWB技术特色；在路由协议的具体设计中，论文采用目的节点预约、目的节点缓存备用路由及目的节点参与路由维护等机制，从多个方面提高了路由发现和维护的效率，同时也降低了路由控制消耗。仿真结果表明RQRP_PE协议有着显著于DSR协议的良好运行性能：能有效提高分组投递率，减少因链路断裂而引起的路由重构，降低分组传输延迟。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 引言

1.2 Ad Hoc网络关键技术及研究现状

1.2.1 Ad Hoc网络面临的问题

1.2.2 Ad Hoc网络关键技术及研究现状

1.3 UWB技术关键问题及研究现状

1.4超宽带无线自组网的研究与设计

1.4.1 UWB技术在Ad Hoc网络中的应用

1.4.2超宽带无线自组网的研究与设计

1.4.3 U.C.A.N与超宽带无线自组网标准

1.5论文的研究内容、相应研究现状和研究成果

1.5.1 UWB通信系统性能分析

1.5.2高性能自组网MAC协议FPRP和TPRP研究与设计

1.5.3高可靠自组网QoS路由协议RQRP_PE的研究与设计

1.5.4相应研究现状和研究成果

2 DS-UWB通信系统性能研究

2.1引言

2.2 DS-UWB通信信号

2.2.1 DS-PPM信号

2.2.2 DS-BPSK信号

2.2.3 M-BOK信号

2.3DS-UWB通信最佳判决准则

2.4 DS-UWB通信系统多径干扰研究

2.4.1室内信道冲激响应

2.4.2总多径增益

2.4.3均方根时延扩展

2.4.4离散时间冲激响应

2.4.5 IEEE 802.25.3a建议的UWB信道模型

2.4.6 IEEE 802.25.3a的UWB信道模型仿真

2.4.7多径干扰下DS-UWB通信系统误码率计算

2.4.8多径干扰下系统误码率仿真分析

2.4.9 Rake接收机及其仿真分析

2.5 DS.UWB通信系统间干扰研究

2.6本章结论

3高性能自组网MAC协议FPRP和TPRP的研究与设计

3.1引言

3.2广播MAC协议FPRP工作原理

3.2.1信道的划分与帧结构

3.2.2五步预留机制

3.2.3多跳随机贝叶斯竞争概率算法

3.2.4细化的节点处理流程

3.2.5协议应用举例

3.3FPRP协议性能分析

3.3.1协议综合性能分析

3.3.2协议性能影响因素

3.4 FPRP协议的改进

3.4.1隐藏接收终端问题的解决

3.4.2分散机制的设计

3.4.3优先级机制的设计

3.5 FPRP协议性能仿真

3.5.1仿真方法设计

3.5.2仿真设计

3.5.3仿真实验与结果分析

3.6单播MAC协议TPRP的设计

3.6.1广播FPRP协议的单播转换分析

3.6.2基于单播问题对FPRP协议阶段设置的再分析

3.6.3三步预留单播协议TPRP的设计

3.6.4协议应用举例

3.7本章总结

4高可靠自组网QoS路由协议RQRP_PE的研究与设计

4.1引言

4.2链路带宽计算

4.3链路状态预测

4.3.1UWB定位技术

4 .3.2链路生命期预测

4.3.3路径生命期预测

4.4 RQRP_PE 协议描述

4.4.1路由分组结构

4.4.2路由发现

4.4.3路由应答和带宽预约

4.4.4路由维护

4.5 RQRP_PE协议性能分析

4.6 RQRP_PE协议性能仿真

4.6.1仿真环境设计

4.6.2性能指标选择

4.6.3仿真结果及其分析

4.7本章总结

5总结和展望

5.1论文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和科研情况