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高性能UWB网络协议关键技术研究

王玲  
【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。


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