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摘 要

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UWB系统微微网及MAC层协议的研究与实现

04011451 吴至榛

指导老师 刘郁蓉

摘要

超宽带（Ultra-Wide Band, UWB）技术适用于短距离、高速率数据传输，被认为是未来室内数据通信的解决方案之一。

本文主要研究UWB系统的ECMA-368标准。在了解标准中MAC层功能和超帧、信标期等概念的基础上，本文重点介绍了信息元素 (Information Element, IE) 的概念，并讨论了标准中功率管理机制的内容。本文自定义了临时占用IE (TOIE)，用于扩充微微网内可容纳的节点数量。在系统设备数已经饱和的情况下，利用休眠设备的信标时隙，新的节点可以进行临时的数据传输。

本文详细说明了ECMA-368标准在Linux系统中的实现，包括系统框架设计、采用的数据结构以及主要功能的实现流程。通过仿真测试，程序顺利实现了15个设备的正常入网和节点扩充。信标期 (Beacon Period, BP) 压缩和设备休眠功能也得到了实现。

关键词：超宽带系统 ECMA-368标准 信息元素 节点扩充 Linux内核编程

RESEARCH AND REALIZATION OF UWB PICONET AND MAC LAYER PROTOCOL

04011451 Zhizhen Wu

Supervisor Yurong Liu

ABSTRACT

The Ultra-Wide Band (UWB) technique is suitable for short-distance and high-rate data transmission, which makes it one of the possible solutions for future indoor data communication applications.

In this thesis, ECMA-368 standard for UWB systems has been studied. Firstly, the ECMA-368 MAC layer protocol is introduced, including the concept of superframe and beacon period (BP). Then the concept of information element (IE) and the power management mechanisms are highlighted. At last, a new IE, Temporary Occupation IE (TOIE), is defined in order to increase the number of nodes in a piconet. Therefore, a new node is able to be added into the net and to transmit data temporarily by utilizing the beacon slot of hibernating devices even when a piconet is full of nodes.

The thesis illustrates in detail the implementation of ECMA-368 standard in Linux, including system framework, data structures and several function procedures. The result of simulation shows that the function of networking and increasing nodes number works well. BP contraction and hibernation have also been implemented successfully.

Index Terms: UWB, ECMA-368 standard, IE, Linux kernel programming

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 超宽带系统概述 1

1.1.1 超宽带系统定义 1

1.1.2 超宽带系统原理 1

1.1.3 超宽带技术发展 1

1.1.4 超宽带技术应用 1

1.2 超宽带系统MAC层协议概述 2

1.2.1 MAC基本功能 2

1.2.2 Ad hoc网络MAC协议 2

1.3 论文的研究内容及结构安排 3

第二章 ECMA-368标准研究 4

2.1 ECMA-368标准中MAC层概述 4

2.1.1 整体结构 4

2.1.2 MAC层功能 5

2.1.3 超帧 5

2.1.4 信标期与信标帧 6

2.2 信息元素 7

2.2.1 信标期占用IE (BPOIE) 8

2.2.2 MAC能力IE 8

2.2.3 休眠模式IE 8

2.2.4 休眠锚IE 8

2.3 功率管理机制 9

2.3.1 功率管理模式 9

2.3.2 设备功率状态 9

2.3.3 休眠模式操作 9

2.3.4 休眠锚操作 9

2.4 本章小结 10

第三章 ECMA-368标准在Linux系统的实现 11

3.1 系统环境 11

3.2 系统特点 11

3.3 设备功能 11

3.4 系统框架设计 11

3.4.1 系统模块划分 11

3.4.2 系统程序框架 13

3.5 数据结构 13

3.6 系统运行流程 14

3.6.1 系统线程工作流程 14

3.6.2 系统状态转换过程 14

3.6.3 一般组网流程 15

3.6.4 信标管理流程 16

3.6.5 BP收缩流程 16

3.6.6 设备休眠流程 17

3.7 本章小结 18

第四章 基于IE的微微网节点扩充方案 19

4.1 ECMA-368标准可容纳节点数量分析 19

4.2 临时占用IE 19

4.2.1 TOIE格式 19

4.2.2 TOIE的发送和接收 19

4.3 节点扩充方案 20

4.4 方案评价 20

4.5 本章小结 21

第五章 仿真结果及分析 22

5.1 正常组网测试 22

5.2 BP压缩测试 24

5.3 设备休眠测试 26

5.4 节点扩充方案测试 29

5.5 本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 论文工作总结 36

6.2 不足与改进空间 36

致谢 37

参考文献 38

第一章 绪论

1.1 超宽带系统概述

1.1.1 超宽带系统定义

超宽带（Ultra-Wide Band, UWB）技术是未来短程室内数据通信应用中可能的解决办法之一^[1]。根据联邦通信委员会 (Federal Communications Commission, FCC) 的定义：如果一个无线电系统部分带宽或信号的-10 dB带宽分别大于20%或大于500 MHz，那么该系统是超宽带系统。UWB技术提供同时高数据率通信和高精度的定位能力。系统可以在极宽的带宽上利用低的传输信号功率水平，因此类噪声信号特征的超宽带系统与其他无线电系统可以共存。

1.1.2 超宽带系统原理

UWB系统可以基于跳时 (time-hopping, TH）、直接序列 (direct-sequence, DS) 扩频方法、快速频率扫描或多载波技术。超宽带通信系统中最常用的数据调制方案是脉冲位置调制 (pulse position modulation, PPM) 和脉冲幅度调制 (pulse amplitude modulation, PAM)。最著名的用于数据通信的超宽带系统可能是脉冲无线电(impulse radio, IR)，它采用了TH-PPM。

脉冲超宽带信号是通过使用遍布信号能量的亚纳秒脉冲在极宽的频带上生成的。一个数据位遍布多个脉冲，一系列基带脉冲通过无线信道发送。这种传播对应于脉冲重复编码，并提供了处理增益（processing gain, PG），且允许低信噪比 (signal-to-noise ratio, SNR)，还具有避免干扰或接收端的干扰等优点。UWB系统可以通过为每个用户使用独立的伪随机 (pseudorandom, PR) 码实现用户分离，类似于码分多址 (code-division multiple-access, CDMA) 系统。跳时超宽带系统中的连续传输也提供了对抗严重多径传播的鲁棒性。只要脉冲重复间隔大于信道的时延扩展，就可以避免脉间干扰。

1.1.3 超宽带技术发展

UWB 技术于上个世纪九十年代正式提出，主要用于雷达和军事，当时规定相对带宽超过25%的信号为超宽带信号。2002年2月，美国联邦通信委员会批准UWB技术用于民用通信，并规定了它的工作频段、功率限制、开放范围和使用对象，从而引起了世界各国的广泛关注。2004年4月，美国联邦通信委员会又提出了“超宽带”信号的两种定义。2005年12月，WiMedia联盟 (由英特尔、惠普、诺基亚、三星等国际大公司组成的非营利民间组织) 的方案经由欧洲国际计算机制造商协会 (European Computer Manufacturers Association, ECMA) 推出，作为ECMA-368 和ECMA-369 标准公布。

1.1.4 超宽带技术应用

UWB的特点使得它非常适合短距离应用，比如PC的外围设备。由于管理机构对发射功率的限制，UWB系统往往用于室内应用。因为UWB脉冲持续时间短，所以支持更高的数据速率。高数据速率的UWB可以用于无线监视器、数据从数字摄像机的有效转移、照相机内数码照片的无线打印，而不需要手机或手持设备和个人计算机之间的文件传输。UWB还可以用于实时定位系统。其精度的能力和低功耗使得它非常适合于射频敏感的环境，例如医院。

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