基于波束成形天线网络时间同步技术研究

摘要

随着无线通信技术的发展，无线Ad Hoc网络越来越多出现在现实场景中，作为一种无线自组织对等网络，它无需中心基础设施就可以正常工作。波束成形天线是一种智能天线，相比较全向天线具有传输距离长、抗干扰能力强、空间复用系数高等优点，将波束成形天线与无线Ad Hoc网络相结合将带来性能上的提升。
　　然而波束成形天线的引入也给网络带来了很多问题，配备波束成形天线的自组织网络时间自同步困难，导致基于时间同步的网络协议性能明显下降。同时节点的移动将造成网络拓扑动态变化，而波束成形天线波束集中的特性使得节点适应网络变化需要花费更多的时间。
　　时间同步是无线分布式网络的支撑性技术，众多 MAC层协议与上层应用都建立在网络节点同步的基础上。
　　本文针对于基于波束成形天线的准静态网络提出一种异步时间扫描的同步算法。算法分为根节点选举，精同步两个阶段。选举阶段，系统选择连接性最大节点为网络根节点；同步阶段，根节点的邻居节点与根结点成对同步，同步后再作为参考节点向外传播同步信息，最终达到全网同步。本文对选举阶段的选举策略和精同步阶段的开销以及同步误差进行了理论分析。本文同时还针对同步阶段提出一种生成树层级优化策略，能够显著降低同步开销。仿真结果表明本文提出的同步算法可以高效解决波束成形天线网络的时间同步问题，同时降低通信开销。
　　针对动态网络拓扑变化，本文提出一种结合拓扑维护的分簇时间同步算法，该算法分为选举、分簇、同步、维护四个阶段。选举阶段选举度最大的节点作为网络根节点；分簇阶段在网络时间异步且配备定向天线场景下，以根节点为起始完成网络分簇，同时完成网络初始同步；同步阶段通过簇内与簇间同步稳定同步效果；维护阶段就节点的移动入网与退网分别进行维护策略分析。本文在ONE仿真模拟平台上仿真证明算法具有优秀的同步性能，且能很好的适应移动网络拓扑。

目录

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景

1.2课题的研究意义

1.3本文主要工作与创新点

1.4本文工作内容安排

第二章基于波束成形天线的Ad Hoc网络概述

2.1无线Ad Hoc网络

2.2波束成形天线概述

2.3时间同步原理

2.4时间同步算法研究现状

2.5本章小结

第三章 基于波束成形天线的时间同步算法

3.1引言

3.2时间同步算法流程

3.3理论分析

3.4仿真实现

3.5本章小结

第四章基于波束成形天线的分簇时间同步算法

4.1引言

4.2算法设计

4.3网络关系维护

4.4仿真实现

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文