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1、 分类号 TN393 学号 09040011 密级 公 开 军事学硕士学位论文 基于基于 TDMA 的协同的协同 MAC 协议设计与实现协议设计与实现 硕士生姓名 葛松虎 学 科 专 业 军事通信学 研 究 方 向 军用通信网络技术 指 导 教 师 马东堂 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 论文书脊 论文书脊 （此页只是书脊样式，学位论文不需要印刷本页。） 基于 T D M A 的协同 M A C 协议设计与实现 国防科学技术大学研究生院 Design and Implementation of TDMA-Based Cooperativ
2、e MAC Protocol Candidate：Ge Songhu Advisor：Ma Dongtang A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Military Science in Military Communication Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011 国防科学技术
3、大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i ABSTRACT.ii 第一章 绪 论 1 1.1 课题研究背景及意义. 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.3 协同通信中存在的问题. 4 1.4 研究内容及论文结构. 5 第二章 协同 MAC 协议系统设计概述 . 7 2.1 MAC 协议设计的主要影响因素. 7 2.1.1 网络体系结构 7 2.1.2 信道接入机制 9 2.1.3 物理层技术. 11 2.2 协同 MAC 协议设计关键问题 14 2.2.1 传输模式选择 14 2.2.2 协同节点选择 15 2.2.3 协同策略选择 16 2.3 本章小结. 17 第
4、三章 基于 TDMA 协同 MAC 协议组网方案设计 18 3.1 系统总体设计. 18 3.1.1 物理层方案 18 3.1.2 协议需求分析 20 3.1.3 拓扑结构设计 20 3.1.4 接入机制设计 21 3.2 协议的组网方案设计. 22 3.2.1 时帧结构设计 23 3.2.2 报文结构设计 25 3.2.3 网络构建与入网规则 27 3.2.4 协同方案设计 29 3.3 时隙同步算法设计. 31 3.3.1 时隙同步方法 31 3.3.2 时隙同步协议 32 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.3.3 保护间隔长度设定 35 3.5 协议性能分析与评估.
5、 36 3.6 本章小结. 37 第四章 协同 TDMA 协议关键技术研究与仿真. 38 4.1 时隙分配算法. 38 4.1.1 时隙分配算法. 38 4.1.2 一种动态与固定混合时隙分配算法 39 4.2 协同策略方案设计. 42 4.2.1 前提假设 42 4.2.2 协同模式 44 4.2.3 中继节点选择 45 4.2.4 协同协议流程 45 4.3 CoopTDMA 的 OPNET 建模. 46 4.3.1 OPNET 仿真平台简介 47 4.3.2 OPNET 建模步骤 48 4.3.3 CoopTDMA 的建模. 49 4.4 CoopTDMA 的协议性能仿真 53 4.4.
6、1 时隙分配算法仿真 53 4.4.2 协同 MAC 协议仿真. 55 第五章 总结与展望. 59 5.1 论文总结. 59 5.2 进一步工作的展望. 59 致 谢 61 参考文献. 62 作者在学期间取得的学术成果. 65 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 1.1 CoopTable 4 表 3.1 典型通信系统帧长度 23 表 3.2 MAC 头域说明 25 表 3.3 邻居节点信道状态列表 30 表 3.4 时隙分配状态表 31 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 MIMO 系统模型 1 图 1.2 虚拟 MI
7、MO 天线阵列示意图. 2 图 2.1 一种集中式网络体系结构 8 图 2.2 一种 Ad Hoc 式网络体系结构 9 图 2.3 基于竞争机制 MAC 协议性能示意图. 10 图 2.4 基于 TDMA 机制 MAC 协议性能示意图. 11 图 2.5 无线协同分集示意图（以两天线为例） 13 图 2.6 DSTC 编码原理图. 14 图 2.7 协同区域模型 16 图 2.8 三种基本的协同策略 16 图 3.1 1-2-2 物理层传输方案 19 图 3.2 网络拓扑结构 21 图 3.3 冲突探测与传输时延关系 22 图 3.4 传输距离对于 CSMA 性能影响. 22 图 3.5 协议
8、时帧结构 24 图 3.6 时帧格式 24 图 3.7 超帧格式 24 图 3.8 突发格式 24 图 3.9 通用数据报文格式 25 图 3.10 通用 MAC 头格式. 25 图 3.11 数据报文格式 26 图 3.12 控制报文格式 27 图 3.13 节点申请加入网络时机 28 图 3.14 节点加入网络后广播 29 图 3.16 协同传输过程 31 图 3.17 NTP 原理模型 33 图 3.18 时隙闭环同步原理模型 35 图 4.1 一种典型的固定 TDMA 协议 39 图 4.2 算法采用的时帧格式 40 图 4.3 自适应时帧长和对应时隙分配策略 41 图 4.4 二叉树
9、时隙均匀分配方法 41 图 4.5 竞争机制时隙分配流程图 42 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.6 协同设计采用的时帧格式 43 图 4.7 TDMA 系统协同传输模型 . 44 图 4.8 CoopTDMA 协同策略流程图. 46 图 4.9 OPNET 三层建模机制 47 图 4.10 OPNET 建模仿真流程 48 图 4.11 OPNET 建模仿真流程 50 图 4.12 CoopTDMA 节点模型. 50 图 4.13 simple_source 模块的进程模型及其属性 51 图 4.14 sink 模块的进程模型 51 图 4.15 tdma_node
10、模块的进程模型 . 52 图 4.16 tdma_node 模块的属性设置 . 52 图 4.17 仿真场景设置 53 图 4.18 协议吞吐量比较 54 图 4.19 协议端到端时延比较 54 图 4.20 不同 QoS 等级丢帧率比较. 55 图 4.21 不同 QoS 等级端到端时延比较. 55 图 4.22 CoopTDMA 协议不同门限值 th SNR吞吐量性能 . 57 图 4.23 CoopTDMA 协议不同门限值 th SNR端到端时延性能 . 57 图 4.24 均匀负载下不同协议性能 58 图 4.25 非均匀负载下不同协议性能 58 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
11、第 i 页 摘 要 作为对抗无线信道衰落、提高系统可靠性和增加系统吞吐量的一种有效手段， 协同通信技术是近年来通信领域的研究热点之一。协同通信技术利用无线信号的 广播特性，选择一个或者多个协同节点转发旁听到的信号获得分集增益。在物理 层和 MAC 层，对于协同通信的关键技术开展了大量理论研究，取得了大量成果。 然而，理论到实际实现还有很多问题需要解决，本文结合具体项目需要，围绕设 计和实现协同 MAC 协议的方案开展了研究。 首先，论文对于影响 MAC 协议设计和性能的几个因素进行了论述。分别详细 分析了拓扑结构、接入机制和物理层技术对于 MAC 协议设计的影响，结合实际应 用中物理层要求和实
12、际系统需要设计了一种分层准分布式的网络拓扑结构和以 TDMA 为基础的接入机制，同时给出了网络的组建和管理的详细流程以及时帧和 报文的具体格式，在保证网络健壮性的基础上达到可以提供 QoS 和效率保证。 其次，论文分析了时隙同步的重要性，时间同步不仅是实现 TDMA 接入的前 提，而且是实现空时编码的必要条件。借鉴 NTP 时间同步协议的帧交互原理，同 时结合本协议的控制流程，提出了一种适用于本协议的时隙同步算法。该算法通 过开环同步实现超帧、帧和时隙的同步，然后通过闭环同步实现时钟周期计数的 同步。理论分析和实际测量结果表明该算法能够达到系统对于时隙同步的要求。 再次，论文就影响本协同 MA
13、C 协议传输性能的两个关键技术展开了研究。通 过分析固定算法和动态算法的优缺点提出了一种混合机制时隙分配算法，该分配 算法采用动态帧长， 能更好的适应网络拓扑结构， 在保证性能的同时能够提供 QoS 支持。结合协同模式选择、协同节点选择的设计提出了一种协同传输策略，该策 略能够充分利用系统中的空闲时隙和信道较好的协同节点协同传输数据，能够对 抗衰落信道对系统性能的影响。 最后，论文在 OPNET 仿真平台上建立了本协议的仿真模型，从网络模型、节 点模型和进程模型三个层次描述了协议模型流程设计和参数设置。并且在搭建的 平台上对于协议关键技术进行了仿真，仿真结果表明所提出的时隙分配算法和协 同策略
14、能够取得很好的效果。 主题词：协同通信，协同 MAC 协议，TDMA，时隙分配，协同策略 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT As one of the hotspots in communication filed, cooperative communication technology servers to cope with wireless channel fading，enhance communication reliability and increase system throughput. By employing the broadcas
15、t nature of the wireless signal, cooperative communication chose one or more cooperative nodes retransmit the overhearing data to achieve cooperative diversity gain. Many researches have been done and many achievements have been acquired in physical layer and MAC layer. However, there are also many
16、problems to be solved before employ in practical applications. Consider the need of the practical project, this paper focus on the study of design and realization of a cooperative MAC protocol. Firstly，this paper introduces several factors that affect the design and the effect of the MAC protocol. With the physical layer and the system requirement considered, a layered distributed network structure and a TDMA based access strategy
