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各种小型化、便携式无线通信设备的大量涌现,推动了短距离无线技术的蓬勃发展。超宽带技术作为新兴的短距离无线传输技术之一,在提供高速率数据传输的同时又兼备低成本、低功耗等优点,吸引了学术界和工业界的广泛关注。目前,国内外有许多研究机构都在积极研究和制定超宽带的物理层和媒体接入控制层的标准,其中对于超宽带媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)层的协议大部分是基于单信道的。而多信道技术是提高网络吞吐量、降低网络时延、提高信道利用率的最直接有效的手段。在这样的背景下,本学位论文重点研究超宽带的多信道MAC层协议,对超宽带协议ECMA368的MAC层进行了多信道扩展,进行改进,提出了基于优先级的超宽带多信道MAC层协议(Prioritized Multi-Channel MAC Protocol for UWB Netwoks,PMMAC),用OPNET搭建仿真平台,对PMMAC协议进行了仿真验证和性能分析。
本论文首先阐述了超宽带的概念和应用领域,介绍了基于MB-OFDM-UWB的国际标准ECMA368 MAC层协议;总结了多信道环境下设计MAC层协议需要注意的问题,针对这些问题对几种经典的无线网络的多信道MAC层协议进行了比较分析,阐述了它们的优缺点,同时简要介绍了现有的一些应用在超宽带网络中的多信道MAC层协议。
本论文接着对ECMA368 MAC层协议进行直接的多信道扩展,在此基础上进行改进,提出了基于优先级的超宽带多信道MAC层协议--PMMAC协议,阐述了协议的设计思想,给出了协议的网络环境,描述了PMMAC的超帧结构、信道协商过程和信道接入机制。PMMAC将一个超帧分为信标期(Beacon Period,BP)、最终协商期和数据传输期(Data TransmissionPeriod,DTP)三个阶段,采用一个半双工的收发信机,在BP和最终协商期,所有节点的收发信机都处于同一个信道,在DTP阶段,收发信机再切换到协商好的数据信道;PMMAC的信道协商采用预留的接入方式,通过三步握手机制,协商好合适的信道和MAS时隙;PMMAC采用基于优先级和低切换频率的信道选择机制,并给出了对低优先级的预留请求的处理方法。
PMMAC协议提出后,为了证明它的可行性和有效性。搭建了PMMAC的仿真平台,对PMMAC进行了仿真,分别就吞吐量和业务延时两项性能指标对协议进行了性能分析,发现PMMAC协议比ECMA368单信道协议拥有更高的网络吞吐量和更低的业务延时;比较了PMMAC的不同优先级业务的平均延时,验证了高优先级业务的延时较低优先级的小,网络负载越大的情况下,这种差距越明显;并将PMMAC协议与扩展的ECMA368协议进行了对比,可以看出PMMAC最大的优点是能够根据业务优先级的高低来决定服务的先后,优先级越高,时延越小,并且整个网络的时延相对较小。