【正文】 碩士學(xué)位論文 (僅供參考 )基于 adhoc網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)的超短波無線通信系統(tǒng)的研究 院系 : 信息與工程學(xué)院 專業(yè) :電子與通信 摘要 …1 Abstract…2 引言 …3 緒論 4 研究背景 …4 超短波無線通信的發(fā)展現(xiàn)狀 …4 超短波無線通信協(xié)議的開發(fā)現(xiàn)狀 …4 實(shí)現(xiàn)超短波無線通信多址接入的關(guān)鍵技術(shù) ……………… 4 基于 adhoc網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)的提出背景和應(yīng)用發(fā)展 …5 論文的主要工作 …7 adhoc網(wǎng)絡(luò)和多址接入技術(shù)概述 7 adhoc網(wǎng)絡(luò)概述 7 adhoc網(wǎng)絡(luò)的概念 …7 adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) …7 adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求 …8 adhoc網(wǎng)絡(luò)與其它移動(dòng)通信系統(tǒng)的比較 …9 adhoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) …10 多址接入技術(shù)簡介 10 多址接入技術(shù)的概念和問題的本質(zhì) …10 頻分多址 (FDMA)11 時(shí)分多址 (TDMA)11 空分多址 (SDMA)12 擴(kuò)頻多址 (SSMA)/碼分多址 (CDMA)12 分組無線電 (PR)/隨機(jī)多址 (RA)12 目前使用的幾種時(shí)分 多址接入技術(shù)比較 14 DTDMA技術(shù) …14 PRMA/TDD技術(shù) …18 SOTDMA技術(shù) …19 SOTDMA技術(shù)用于目前超短波無線通信的可行性 ……………………20 基于 SOTDMA技術(shù)的超短波無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………… 21 時(shí)隙選擇策略 …21 自組織接入技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)登陸步驟 …22 時(shí)隙沖突分析 …23 基于 SOTDMA技術(shù)的超短波無線通信系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例 ……24 目前一般超短波電臺的相關(guān)性能指標(biāo) 24 采用 SOTDMA技術(shù) 進(jìn)行超短波無線通信組網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì) ………25 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真 25 設(shè)計(jì)工具的選擇 …25 用于通信系統(tǒng)性能仿真的代碼實(shí)現(xiàn) …26 仿真結(jié)果分析 …30 結(jié)束語 32 參考文獻(xiàn) …33 后記 …34 摘要本文從我軍現(xiàn)階段超短波無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求和現(xiàn)狀出發(fā) ,通過對 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)和多址接入技術(shù)原理的闡述及分析 ,提出了一種基于 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)預(yù)約的 TDMA 協(xié)議 ,并將該協(xié)議應(yīng)用于我軍目前使用的超短波電臺之中 .這一類動(dòng)態(tài)預(yù)約的 TDMA協(xié)議包括了自組織時(shí)分多址技術(shù) SOTDMA、 DTDMA以及 PRMA/TDD等協(xié)議 ,本文通過對以上幾種協(xié)議的研究和比較 ,最終采用 SOTDMA在超短波通信中的實(shí)際應(yīng)用作為研究背景 .本文重點(diǎn)對 SOTDMA時(shí)隙選擇策略、自組織接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)登錄步驟以及時(shí)隙沖突進(jìn)行了研究和分析 ,并結(jié)合超短波跳頻電臺本身的性能特點(diǎn) ,對采用 SOTDMA 技術(shù)組成的通信網(wǎng)絡(luò)在不同條件下出現(xiàn)的時(shí)隙碰撞概率等動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行計(jì)算和仿真 .研究表明 ,超短波跳頻電臺采用 SOTDMA 協(xié)議后組成的通信網(wǎng)絡(luò)具有信道阻塞率較低、發(fā)信成功率較高的良好性能 .最后 ,本文對 SOTDMA技術(shù)在新一代戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng) 中的使用進(jìn)行了總結(jié)和展望 . 關(guān)鍵詞 :Adhoc網(wǎng)絡(luò)、多址接入技術(shù)、超短波通信 中圖分類號 :TN92 Abstract According to the demand and present state of the wireless munication system on VHF for the army, this paper advanced a dynamic TDMA protocol based on Adhoc and applied it to the VHF radio, by analysing and studying the theory of the Adhoc work and the multipleaddress access. In this paper, the paper toke the practical application of the SOTDMA in the VHF munications as the research background by parativing and studying many protocols, such as SOTDMA、DTDMA and PRMA/TDD. This paper mainly analysed and studied the SOTDMA in timeslot selection strategy, selfanization access, logging on procedure and the timeslot collision. Considering the characteristics of the VHF radio, to emulate and calculate some dynamic performances such as timeslot impact probability in the varied conditions of munication work which adopted SOTDMA . From the study, the munication work which adopted SOTDMA will be with low channel choke rate and high transmitting mission success rate. Eventually, this paper summarized and prospected the further application of the SOTDMA in the new tactic . Keywords:Adhoc work、 the multipleaddress access、 VHF Classification Code:TN92 引言近年來 ,隨著新軍事變革理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展 ,戰(zhàn)爭從以武器平臺為中心逐漸轉(zhuǎn)化為以網(wǎng)絡(luò)為中心的 ,因此 ,與信息化作戰(zhàn)相適應(yīng)的 C4ISR 系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中的地位和作用越來越重要 .但現(xiàn)役的通信系統(tǒng)仍以 CSMA協(xié)議和 TDMA時(shí)分多址協(xié)議為主要工作方式 ,以靜態(tài)路由方式實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng) ,很難滿足武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)特點(diǎn)和需求 ,在 山中通、動(dòng)中通、抗中通 的問題上比較突出 .特別是超短波無線通信受限于設(shè)備本身傳輸速率低、信道 帶寬窄的特點(diǎn) ,不適合動(dòng)態(tài)路由的技術(shù)應(yīng)用 .隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,新一代 VHF 通信設(shè)備的傳輸能力有了較大的提高 .在此基礎(chǔ)上 ,本文作者通過對 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)和多址接入技術(shù)的研究及分析 ,并結(jié)合超短波電臺的性能特點(diǎn) ,最終提出了一種基于動(dòng)態(tài)預(yù)約的自組織時(shí)分多址接入技術(shù)在超短波無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用模式 . 1 緒論 研究背景 二十世紀(jì)七十年代超短波 (VHF)跳頻電臺問世以來 ,國際上相繼推出了數(shù)以百計(jì)的超短波(VHF)跳頻電臺 ,許多國家大量裝備部隊(duì)使用 .國內(nèi)上世紀(jì)八十年代 ,開始研制、裝備超短波跳頻電臺 .當(dāng)時(shí)國際、國內(nèi) 超短波跳頻電臺特點(diǎn)是 :陸軍通裝 ,以話音通信為主 ,重點(diǎn)解決野戰(zhàn)話音通信抗干擾問題 .上世紀(jì)九十年代后期 ,隨著 C3I 系統(tǒng) (即指揮、控制、通信集成系統(tǒng) )向機(jī)動(dòng)式、野戰(zhàn)型系統(tǒng)的發(fā)展 ,超短波跳頻電臺開始大量進(jìn)入 C3I 系統(tǒng)應(yīng)用 ,C3I 系統(tǒng)對超短波跳頻電臺要求是 :以數(shù)據(jù)通信、組網(wǎng)通信為主、數(shù)話兼容、抗干擾并重為特點(diǎn) .這就不僅需要對原有的超短波跳頻電臺進(jìn)行技術(shù)改造和升級 ,更要增加電臺的數(shù)據(jù)傳輸功能和組網(wǎng)功能 (包括支持相關(guān)協(xié)議 ),以滿足各軍兵種 C3I系統(tǒng)的多樣化需求 . 超短波無線通信的發(fā)展現(xiàn)狀 超短波無線通 信協(xié)議的開發(fā)現(xiàn)狀 目前的超短波電臺普遍具有數(shù)據(jù)傳輸功能 ,為適應(yīng) C3I系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)用的需要 ,增加超短波跳頻電臺組成的通信系統(tǒng)的組網(wǎng)功能 ,國際上基本采取了以下兩種無線媒體訪問控制協(xié)議 : a) CSMA協(xié)議 由于 CSMA協(xié)議較 ALOHA協(xié)議性能優(yōu)良 ,而且實(shí)現(xiàn)簡單 ,因此取得了廣泛的應(yīng)用 .但是 ,隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 ,CSMA協(xié)議就顯得有些力不從心了 .CSMA協(xié)議是一種基于 競爭 的多址接入?yún)f(xié)議 ,這樣的協(xié)議無法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)保證傳輸帶寬 ,分組在網(wǎng)絡(luò)中的平均時(shí)延方差較大 ,不能滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或需要 QoS保證的業(yè)務(wù)要求 .而且隨著傳播距 離的增長、信號速率的提高、分組長度的縮小 ,CSMA這類協(xié)議的性能會有所下降 ,顯然不適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展 . b)TDMA協(xié)議 CSMA 協(xié)議是基于競爭的 MAC 協(xié)議 .由于這種協(xié)議在重負(fù)載下系統(tǒng)不穩(wěn)定 ,導(dǎo)致了無競爭MAC 協(xié)議的出現(xiàn) .TDMA 協(xié)議就是一種常見的無競爭協(xié)議 ,采用這種組網(wǎng)方式可以有效提高通信效率和實(shí)時(shí)性 .但是 ,對突發(fā)業(yè)務(wù)類型 ,TDMA 協(xié)議會造成較大的信道浪費(fèi) ,而且對于節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨時(shí)變化的系統(tǒng) ,時(shí)隙的管理會更加復(fù)雜 . 實(shí)現(xiàn)超短波無線通信多址接入的關(guān)鍵技術(shù) 在上述情況下 ,動(dòng)態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議就成為最 佳的選擇 .因此 ,本文就基于 adhoc 網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)的超短波無線通信系統(tǒng)進(jìn)行研究 .用于 AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議應(yīng)具備如下特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) : a) 協(xié)議要能夠適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化 ,即自適應(yīng)拓?fù)渥兓?。 b) 協(xié)議要能夠適應(yīng)不同業(yè)務(wù)對帶寬的需求 ,保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量 QoS,即自適應(yīng)業(yè)務(wù)變化 。 c) 協(xié)議要能夠?yàn)椴煌瑑?yōu)先級的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量 QoS(如緊急業(yè)務(wù)的優(yōu)先級要高于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) ,實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級要高于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) )。 d) 協(xié)議要盡可能地避免信道的碰撞和不必要的空閑 ,同時(shí)減小控制開銷 ,提高對信道的利用率 . 基于 adhoc網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)的提出背景和應(yīng)用發(fā)展 自從最早的 ALOHA系統(tǒng)誕生以來 ,AdHoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了 30多年的發(fā)展歷程 .以往 ,AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)主要集中在路由問題 ,對 MAC 協(xié)議的研究是近年來的熱點(diǎn) .早期的 AdHoc網(wǎng)絡(luò)采用的多址接入?yún)f(xié)議主要是 ALOHA協(xié)議或 CSMA(carrier sense multiple access)協(xié)議 .但是 ,隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 ,無論是 ALOHA協(xié)議還是 CSMA協(xié)議都顯得有些力不從心 .下面 ,就CSMA協(xié)議存在的問題進(jìn)行簡要分析 . a) CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量與歸一化的載波檢測時(shí)延密切相關(guān) ,歸一化的載波檢測時(shí)延公式如下 : β=τ(C/L) 其中 ,τ為載波檢測時(shí)延 ,它由鏈路的傳播時(shí)延和物理層的檢測時(shí)延組成 。C 為信號速率 。L為分組長度 .由該公式可以發(fā)現(xiàn) :隨著傳播距離的增長、信號速率的提高、分組長度的縮小 ,β會相應(yīng)變大 .當(dāng) β 達(dá)到 ~,甚至更高時(shí) ,CSMA 這類協(xié)議的性能就已經(jīng)較差了 (對于非時(shí)隙的CSMA/CD而言 ,β= ,系統(tǒng)的通過率不足 45%),不宜再采用 CSMA多址接入?yún)f(xié)議 . b) 在 Mobile Adhoc網(wǎng)絡(luò)中 ,由于隱藏節(jié)點(diǎn)和 暴露節(jié)點(diǎn)問題的存在 ,使得 CSMA協(xié)議對信道的利用率不高 . 近年來 ,寬帶化是通信系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向 ,而 CSMA 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量會隨著信號速率的提高有所下降 ,顯然不適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展 .利用有限的信道資源 ,盡可能傳輸更多的信息或者為更多的用戶提供服務(wù)一直是學(xué)者或工程師們追求的目標(biāo) ,而 CSMA協(xié)議的信道利用率不高 ,尤其是在 Mobile Adhoc的網(wǎng)絡(luò)中 ,這是無法忍受的 .另外 ,現(xiàn)代通信對多媒體業(yè)務(wù)的需求已經(jīng)越來越大 ,可 CSMA協(xié)議無法為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) (話音業(yè)務(wù)或視頻業(yè)務(wù) )提供服務(wù) . 目前 ,在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中 ,AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議主要分為兩類 ,即基于競爭的 MAC 協(xié)議和無競爭的 MAC 協(xié)議 .前面提到的 ALOHA協(xié)議和 CSMA協(xié)議都是基于競爭的 MAC 協(xié)議 .由于這種協(xié)議在重負(fù)載下系統(tǒng)不穩(wěn)定 ,導(dǎo)致了無競爭 MAC 協(xié)議的出現(xiàn) .常見的無競爭 MAC 協(xié)議有四類 :基于 FDMA或 TDMA的固定多址協(xié)議、基于節(jié)點(diǎn)輪循 (polling)的協(xié)議、基于令牌傳遞 (tokenpassing)的協(xié)議、基于動(dòng)態(tài)預(yù)約 (dynamic reservation)的協(xié)議 . 在 AdHoc 網(wǎng)絡(luò)中 ,由于節(jié)點(diǎn)體積和功耗的限制 ,TDMA協(xié)議比 FDMA協(xié)議更合適 .但是 ,對 突發(fā)業(yè)務(wù)模型 ,TDMA協(xié)議會造成較大的信道浪費(fèi) ,而且對于節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨時(shí)變化的 TDMA系統(tǒng) ,對時(shí)隙的管理會更加復(fù)雜 .基于節(jié)點(diǎn)輪循或令牌傳遞的協(xié)議雖然較 TMDA協(xié)議避免了許多信道浪費(fèi) ,但是依然存在信道不必要的空閑或信息傳輸中不必要的延時(shí) .在上述情況下 ,動(dòng)態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議看來會成為最佳的選擇 . 動(dòng)態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議結(jié)合了基于競爭的 MAC協(xié)議和無競爭的 MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) .動(dòng)態(tài)預(yù)約的對象在目前已有的協(xié)議中主要有兩類 :一類是預(yù)約傳輸分組的權(quán)利 ,另一類是預(yù)約調(diào)度