自组织网络MAC层随机接入设计与FPGA实现

摘要

无线自组织网络是由若干无中心、分布式的无线通信设备临时自由组合形成的一种无线分组网络。具有灵活性强，展开快速且抗毁性好等优点，成为无线通信技术发展重要方向之一。但目前基于竞争方式的自组织网络协议存在节点信道资源分配不均，业务接入时延抖动较大等问题，因此，需要设计一个公平高效的MAC层接入控制方案以解决上述问题。
　　论文研究了MAC层接入控制技术，设计了时分多址的MAC层接入方案，完成了接入控制及业务传输软件的FPGA实现，并针对各项功能和指标，进行了详细的测试。全文主要工作如下：
　　第一，根据便携设备硬件结构和组网需求分析并设计了自组网接入整体方案。讨论了现有MAC层接入技术原理，比较其优缺点。设计了预约机制的时分多址网络接入方案，完成网络时隙结构定义，节点接入、异常处理及数据单元结构设计。研究了现有同步算法原理，定义了易于 FPGA实现的网络同步机制；计算并分析了所设计系统的同步精度、接入时延、吞吐量、运动影响性能。
　　第二，给出了预约机制时分多址接入方案在 FPGA上的详细逻辑设计。自顶向下设计了同步及接入方案在 FPGA上的实现细则，包括总体架构，状态控制，模块功能划分以及主要模块的处理流程。
　　第三，测试与分析便携设备组网接入及业务传输实现效果。首先针对接入控制功能模块及接口进行了测试与分析，然后在FPGA内部测试了接入方案性能；最后进行整机接入及业务传输验证。结果表明，实现后的接入控制方案同步精度2.5μs，最大吞吐量1.41Mbps，可以保证半径2km范围内16个节点之间无冲突得进行视频及文件传输，并同时进行语音、短信业务交互。业务延迟小于200ms。
　　本文研究内容对自组织网络MAC层接入设计与实现提供了一种解决方案，所设计的方案支持语音、短信、文件传输、视频通信等功能，在应急通信场景下，具备很强的实用性，对后期产品开发及升级提供了一定参考。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究内容与主要贡献

1.3 论文结构与章节安排

第二章 无线自组织网络接入技术现状

2.1 接入协议设计重点

2.2 典型接入协议

2.3 基于时分多址接入协议网络同步

2.4 小结

第三章 无线自组织网络需求与分析

3.1 应用场景

3.2 设计目标

3.3 约束条件

3.4 小结

第四章 接入方案设计

4.1 接入方案选择分析

4.2 时隙同步方案

4.3 时隙帧结构

4.4 流程设计

4.5 数据单元设计

4.6 性能分析

4.7 小结

第五章 接入方案FPGA实现

5.1 FPGA设计方案

5.2 交互接口

5.3 控制单元

5.4 下行通道

5.5 上行通道

5.6 资源消耗分析

5.7 小结

第六章 测试与结果分析

6.1 测试平台和测试环境

6.2 GPMC接口测试

6.3 MAC层性能测试

6.4 整机测试

6.5 小结

第七章 结束语

7.1 本文总结及主要贡献

7.2 下一步工作的建议

致谢

参考文献

个人简历

攻硕期间取得的研究成果

学位论文答辩后勘误修订说明表