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脉冲超宽带网络接入控制

彭炳光  
【摘要】: IR-UWB(Impulse Radio-Ultra Wide Band)技术是无载波的脉冲通信技术,发送的脉冲宽带极窄,系统的占空比极低。为了使脉冲均匀的分布在时域上,IR-UWB系统一般采用跳时序列控制脉冲发送的时刻,不同的跳时序列确定了不同的跳时逻辑信道,数据传输可以在不同的跳时信道上同时进行。IR-UWB技术可以构建短距高速的无线网络,这种网络一般是中心式的,已经有比较成熟的接入控制方法;同时IR-UWB技术也可以构建长距离中低速网络,这种网络覆盖范围广,一般是分布式的,其共享信道和多址接入方式还有待深入的研究。 本文的研究方向是分布式IR-UWB网络的多址和接入控制,主要的研究内容有跳时序列的生成方法与性能分析,IR-UWB网络脉冲碰撞的分析与建模,节点共享信道的方式,网络MAC协议的设计,网络吞吐和帧传送延时等网络参数的分析与仿真,网络对QoS的支持等。本文的研究成果和主要贡献如下: 第一,本文对IR-UWB系统中跳时序列的相关性能进行了深入的研究和分析。跳时序列的自相关性能决定了系统抗多径干扰的能力,跳时序列的互相关性能决定了系统抗多址干扰的能力。跳时序列的相关性能由汉明相关函数来衡量,同样的多元序列在用作跳频序列与用作跳时序列时相关函数的计算方法不完全一样,跳时序列要先转化为一个二元序列,然后以跳时时隙为时移单位进行移位来计算相关函数值。IR-UWB系统跳时序列的最大相关碰撞不可能为0,即跳时传送不可能完全避免脉冲碰撞的发生。 第二,本文提出了三种构造简单的跳时序列码字族,仿真并分析了它们的相关性能,以及研究了它们对IR-UWB信号频谱的影响因子。 第三,本文对IR-UWB网络中脉冲碰撞进行了分析,近似推导了脉冲碰撞导致帧传送失败的概率,指出得益于IR-UWB系统跳时扩频、极低占空比和时间分集传送特性,中低速IR-UWB网络中脉冲碰撞导致的性能损失不大。 第四,本文对ALOHA脉冲超宽带网络给出了详细的收发流程和性能分析,推导了网络吞吐、帧传送延时的表达式,最后通过仿真,说明了ALOHA脉冲超宽带网络的性能大大优于ALOHA载波调制技术网络。 第五,本文提出了由接收节点控制握手的UWB-RI MAC协议,改进了UWB MACAW MAC协议发送节点主动握手的方式,采用FI-RTS-CTS-DATA-ACK流程,提高了网络在高负荷下握手成功的概率,给出了UWB-RI MAC的详细实现及性能仿真结果,提出了对QoS和连续数据传输的支持方法。 第六,本文提出了一种新颖的单工传输的脉冲超宽带数据收集无线传感器网络模型及传输控制方法,极大的减小了传感节点的复杂度和成本,节省了能量消耗,给出了传感数据传输、中继的详细流程和网络分簇方法,仿真分析了簇内传感数据单工传输的过程。 本文上述几方面的工作,在对IR-UWB系统进行深入分析的情况下,充分利用了其优点,给出了不同应用场景和速率要求下分布式IR-UWB网络的接入控制方法,解决了IR-UWB技术组网中的一些关键问题。


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