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分组无线网多址技术的研究

杨军

  Internet和移动通信是近年来通信领域应用与研究的热点,分组无线网是实现将Internet业务扩展到无线移动环境的理想形式,长期以来一直在军用和商用领域发挥着重要作用,被看作未来个人通信系统的重要组成部分。近年来,诸多新的应用对分组无线网的研究和发展不断提出新的挑战;另一方面,通信和微电子技术的迅速发展又为分组无线网的发展创造了良好的契机。本文即结合智能天线技术与分组无线网网络协议的最新研究进展,对分组无线网的多址接入协议进行了深入探讨。本文的主要内容和贡献包括以下几个方面:第二章对智能天线(自适应波束形成天线)在移动Ad Hoc网络(MANET)中的应用进行了具体、深入的研究。介绍了移动智能天线的研究进展,提出将智能天线应用于MANET的移动终端,分析了智能天线的应用对多址接入协议的影响。提出了支持智能天线应用,并利用其定向通信能力提高网络性能的多址接入协议——自适应波束形成CSMA/CA协议(ABF-CSMA/CA)。对应用智能天线后MANET的信道利用率进行了理论分析,并利用仿真方法评估了协议性能。结果表明,ABF-CSMA/CA协议与智能天线的结合能够有效实现信道的空分复用,显著提高网络的信道利用率。第三章研究了智能天线在Internet无线接入网络中的应用,主要考虑使用智能天线对抗同信道干扰与多径衰落,增加覆盖范围,并在MAC层实现智能天线与网络的有机结合。提出了基于轮询的自适应波束形成多址接入协议(PB-ABFMA)。该协议中采用简单、有效的机制保证智能天线快速、准确地适应时变信道,以动态TDMA方式为各节点安排发送时隙,采用微时隙为处于空闲状态的用户保持连接以降低接入时延,该协议可工作于异步网络中,具有很强的实用性。针对Internet中主要的“请求—回应”(Request-Reply)式业务,推导了协议的信道利用率与平均“请求—回应”时延的近似计算公式,以仿真方法考察了协议性能。结果表明,PB-ABFMA协议能够有效支持智能天线应用并具有较高的信道利用率与良好的时延性能,其简单有效的碰撞分解算法能保证新用户快速接入信道。第四章对多波束智能天线在星型结构分组无线网中的应用进行了研究,利用智能天线实现信道的空分复用,并在MAC层实现多波束智能天线与网络的融合。提出了自适应时隙分配多址接入协议(ASAMA)。为了有效支持多波束智能天线的应用,该协议增加了以下功能:利用逐点优化(PPO)或全局优化(GO)两种不同复杂度的时隙分配算法将各节点按空间可分性进行分类,保证参与信道空分复用过程的节点信号之间有充分的空间可分性;采用高效、可靠的方法告知各节点应如何及何时进行通信,西安电子科技大学博士学位论文以保证多个节点正确地同时利用一个物理信道进行通信,从而实现信道空分复用。对ASAMA协议的信道利用率进行了近似分析,以ON/OFF模型为业务源,在平坦瑞利衰落信道中对协议性能进行了仿真。结果表明,ASAMA协议能有效支持多波束智能天线应用以实现信道空分复用,具有很高的信道利用率与良好的时延性能。第五章提出在利用多波束智能天线实现信道空分复用的同时,充分挖掘智能天线的优势,为多媒体业务提供Qos保障。在考虑多波束智能天线,及话音与数据业务特点的基础上,提出了提供QoS保障的自适应时隙分配多址接入协议(QAsAMA、。在QAsAMA协议中,综合考虑了分组时延,分组丢弃率,误码率,业务容量以及信道利用率方面的要求,并将这些要求与多波束智能天线的特点及自适应时隙分配过程有机地结合起来。对QASAMA协议的信道利用率进行了近似分析,并以仿真方法考察了协议性能。结果表明,QASAMA协议能有效支持智能天线应用,具有很高的信道利用率,并能为话音与数据业务提供良好的QoS支持。第六章研究了IEEE 802.11 DCF协议中竞争信道节点数的估计方法。一些文献指出,可以根据同时竞争信道的节点数对DCF协议参数进行优化,而接入点(AP)只知道网络中已注册的节点数,无法检测出有多少节点在竞争信道。为此我们基于DCF协议饱和吞吐量的分析方法,推导了分组碰撞概率与同时竞争信道的节点数的关系,提出了一种简便的估计竞争信道节点数的方法一一基于碰撞概率的估计方法(CPBE)。该方法中,节点或AP利用DCF协议中已有的对分组发送情况的记录估计分组碰撞概率,据此估计同时竞争信道的节点数。利用仿真方法评估了CPBE算法的性能,结果表明,该方法简便易行,具有较好的性能与实用价值。第七章分析了多径衰落信道中,存在同步误差与多址干扰条件下的正交码CDMA系统的性能。给出了系统模型与信道模型,在此基础上分析了同步误差对系统性能的影响,推导了采用QPSK调制及非相干RAKE接收时的平均误码率计算公式。给出了数值计算结果,考察了信道特征,系统用户数,同步误差等因素对系统性能的影响,为接收机的优化设计提供了理论依据和参考数据,弥补了在实际中难以进行这方面的性能模拟及测量的不足。……   
[关键词]:分组无线网;多址接入协议;智能天线;无线局域网;CDMA
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西安电子科技大学2003年
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