移动中继通信系统的同步序列设计

论文总字数：24277字

摘 要

移动自组织网络是物联网的关键技术之一，而如何在节点间快速准确地实现突发数据帧的同步，是移动自组织网络中的一大难点。论文针对这个问题进行了详细讨论，给出了具体的同步序列设计方法。论文主要工作如下：

首先介绍了论文的研究背景和具体应用。介绍了物联网、自组织网络以及数字通信系统中几种同步技术的概念、特点和作用，然后进一步地介绍了论文中所讨论的车载自组织网络节点间同步的含义和设计方案。

其次详细讨论了用于同步的前导序列的设计,包括前导序列的概念及作用、本系统中前导帧的帧格式。阐述了前导序列码本设计应遵循的原则和优化目标，为了实现前导序列码本设计，本文采用了遗传算法。

最后完成了前导序列搜索算法的Matlab仿真，给出了仿真参数和结果，分析证明论文的设计方案是可实现的，达到了预期要求。

关键词：车载自组织网络，帧同步，序列设计，遗传算法，前导搜索

Abstract

Mobile Ad Hoc network or Vehicular Ad Hoc Network (VANET) is one of the key technologies of Internet of Things. Quick and accurate frame detection and synchronization among VANET nodes is a challenging task. This issue is discussed in detail and the synchronous sequence is given. The main works of the thesis are as follows.

Firstly, the research background and application of the thesis are introduced. A brief summary of IOT, Ad Hoc network and some synchronization technologies in digital communication systems are presented. Then, the meaning and design scheme of synchronization in VANET are further discussed.

Secondly, the design of preamble sequence used for synchronization is discussed in detail, which includes the concept and function of preamble sequence，preamble frame format. The principles and optimization goals of preamble sequence codebook design are proposed. In order to achieve these goals, Genetic Algorithm is used to obtain preamble sequence codebook.

Lastly, Matlab simulations of preamble sequence search and detection are finished. Simulation parameters and results are given. Analysis of the simulation results shows that the proposed scheme in this thesis is effective and achieves the expected design targets.

Keywords: VANET, Frame Synchronization, Sequence Design, Genetic Algorithm, Preamble Search

目录

摘要 3

Abstract 4

目录 5

第一章 绪论 6

1.1 研究背景 6

1.1.1 物联网技术及其军事应用 6

1.1.2 车载自组织网络 8

1.1.3 通信系统中的同步技术 12

1.2 车载自组织网络节点同步方案 13

1.3 论文主要工作与结构安排 14

第二章 车载自组织网络前导序列设计 15

2.1 前导序列设计原则 15

2.1.1 前导序列的概念以及作用 15

2.1.2 前导帧结构 16

2.1.3 前导序列码本的优化目标 16

2.2 基于遗传算法的前导序列码本搜索 19

2.2.1 遗传算法概述 20

2.2.2 应用遗传算法进行前导序列码本搜索 22

2.3 本章小结 25

第三章 算法仿真结果及分析 26

3.1 基于遗传算法的前导序列码本搜索仿真 26

第四章 结束语 27

4.1 工作总结 27

参考文献 28

1. 绪论
   1. 研究背景
      1. 物联网技术及其军事应用

物联网的基本思想起源于20世纪90年代末，1999年“物联网”的定义最先由麻省理工学院的Auto-ID中心提出。在2005年11月召开的世界信息峰会上国际电信联盟发布了题为《ITU Internet Reports 2005: The Internet of things》的报告，详细地介绍了物联网的技术特征、市场前景和发展机遇，确立了物联网的定义。近年来，物联网产业高速发展，已经成为信息科技领域万众瞩目的焦点和各国竞相争夺的技术制高点。

物联网虽然已经经过了多年的发展，但至今仍然没有统一的定义，目前使用最为广泛的定义是：利用各类信息传感设备，把任何物品按照一定方式和协议接入互联网，进行信息交换和通信的一种网络概念^[1][2][3]。简单的来讲，如果认为传统的互联网实现了人与人之间的互联互通，那么物联网则是在此基础上，进一步实现人与物、物与物之间的信息交换、沟通和互联，同时使人与人之间的互联方式不再仅仅局限于通过个人计算机或移动通信设备，如图1-1所示，最终形成一个无处不在、连接万物的巨大网络。但从定义中也可看出，物联网并不独立于传统互联网而存在的技术，而是互联网应用范围的延伸和拓展，物联网中“物物互联”的承载基础与核心仍然是互联网或是传感设备形成的各类异构网络与互联网的融合，传统互联网也需要进行技术升级以适应物联网独特的信息传输和处理模式。

图1-1物联网的概念

物联网的网络架构自底向上可分为三层^[3]，即感知层、网络层和应用层。如图1-2所示。其中感知层位于最底层，是实现“物物互联”的关键一环，可以看作为物联网的五官和四肢。感知层通过射频识别、传感器网络、自组织网络、短距离无线通信等感知互联技术，完成对物理世界的信息采集和自动控制，提供物理实体接入网络的接口。网络层则负责对感知层获取的信息进行传递、路由并进行处理，实现了端到端的通信交互过程，网络层的构建既可利用现有的网络，如互联网、移动通信网、广电网络等，也可包含专用网络，其本质上是多种不同接入方式网络的共存和融合。应用层主要为物联网在不同专业领域的应用提供多样的计算服务和信息处理设施、交互平台、以及应用接口，为用户屏蔽底层网络千差万别的架构方式，实现物联网在不同场景下的各种应用。

图1-2物联网的网络架构

物联网技术拥有着巨大的军事应用潜力。20世纪以来，现代科技尤其是电子信息技术的飞速发展促进了战争由机械化向信息化的转变，军队武器装备高度自动化、信息化，指挥、作战和保障体系日益庞大和复杂，如何使各类作战单元或军事物理实体在各司其职的同时能够有机结合、相互配合，形成统一的智能化作战网络体系，最大限度地提升装备及人员的战斗力和管理保障效能，成为了新军事变革中的一项重要议题，而物联网“物物相联”的技术构想正与其高度契合，于是，军用物联网的概念便应运而生。

军用物联网的应用领域包括战场感知、作战指挥、装备管理等^[4][5]。其中战场感知主要依托无线传感器网技术，将散落于战场各个角落的传感器或侦查设备通过自组织方式相互联接构成网络，网络中的各个节点将收集到的信息进行共享和汇总，甚至可进一步对数据作研判处理，形成完整的战场态势汇报，传送至指挥部。借助于物联网，整个战场感知过程高度自动化、精确化、智能化，使得指挥机关能够在第一时间准确获知战情变化并快速处置，极大改变了过去依赖人力侦查，情报传递效率低下的情况。同时，自组织的网络拓扑又使得整个感知网络具备极强的抗毁性能。将物联网应用于作战指挥则体现在将侦查、通信、指挥控制系统、各类武器作战平台进行联网形成统一的作战指挥系统，指挥机关可随时掌握战场形势，第一时间将作战命令通过网络下达至各个作战单元，并可实时远程控制和监视各作战单元，评估打击效果，从而实现高效灵活的扁平化指挥，缩短指挥周期。

基于物联网的装备管理则是利用RFID等识别技术，为每一件武器装备赋予唯一身份并组网，这样无论战时还是平时，都能通过网络实时监测和跟踪装备的所处位置、运行参数以及维修保养情况，并对这些信息进行汇总处理，提供给指挥员或装备保障机构，提高装备管理维护的科学化和规范化水平，并提高装备的战力。

综上可以看出，物联网作为新一轮信息技术变革浪潮中的主要角色，其在军用和民用领域都具有广阔的应用前景。论文讨论的车载自组织网络同步方案，正是一个庞大的军用物联网系统中车辆子网络的物理层关键技术之一。

• • 1. 车载自组织网络

移动自组织网络是物联网的关键技术之一。上节中提到的无线传感器网络，以及军用物联网中各个战场单元的通信互联，其组网方式多数时候采用移动自组织的方式。自组织网络的前身是上个世纪70年代由美国国防部高级研究计划署为适应战场通信需求而研发的分组无线网，经过几代技术演进，最终IEEE802.11标准委员会提出了用“Ad Hoc网络”一词来统称这一类特殊的无线通信网络。常见的移动通信网络，如GSM、CDMA、LTE、WLAN等，都是集中式控制的，即网络中都有一个或多个中心节点，如基站、无线接入点、移动交换中心、骨干网等，网络的管理控制、数据交换都要依赖于中心节点，在组网和通信展开之前，必须预先构造并配置这些核心网络设施。而在自组织网络中，所有节点的地位都是平等的，不需要中心控制节点，多个需要相互通信的移动终端开机后即可按照协议临时组成一个自治性的网络，这个网络的拓扑结构理论上可以是任意的。图1-3和图1-4给出了这两种网络的组网形式和拓扑结构的示意图。

图1-3 集中式网络的组网形式及拓扑结构

图1-4Ad Hoc网络的组网形式及拓扑结构

当自组织网络规模较大且节点移动性较高时，图1-4所示的平面对等式结构的管理维护开销较大，网络和安全性会变差，此时宜采用一种将有中心的集中式结构和平面对等结构相结合的分级结构，如图1-5所示。在分级式结构中，自组织网络由若干个簇组成，每个簇包含一个簇头和若干个簇成员，簇成员之间是对等关系，簇头可以预先指定，也可以根据特定算法选举产生。簇头负责不同簇之间的数据交换，多个簇头互联可以构成更高一级的网络，依此类推，网络便可以被分为多个层级，这样的结构具备良好的可扩展性，并且簇内成员只需要存储和维护本簇的路由拓扑信息，减少了网络中路由控制信息的数量，降低了路由开销，提高了网络吞吐量。同时，由于簇头相当于每个簇的中心节点，便可以采用一些基于集中式结构的接入和同步协议。当簇的规模较小时，簇内网同步的实现难度也将大大降低。这种规模较大的分级结构自组织网络多用于军事领域，作战单位的分级隶属关系常被用作划分簇的依据。

图1-5 Ad Hoc网络的分级结构

Ad Hoc网络具有如下特征^[6]：

（1）无中心独立组网：前文已提到过，自组织网络中不存在严格意义上的中心控制节点，部署时不需依赖或架设诸如基站一类的固定网络设施，因而具备独立组网、快速展开的能力。

（2）自组织：Ad Hoc网络是一种分布式对等网络，所有节点具有平等的地位，由于没有对网络进行集中式控制的中心节点，因而Ad Hoc的协议实现多采用分布式算法，由网络中的各个节点共同协调组织网络的运行，这就要求节点除了具备作为普通终端主机应有的功能之外，还担负着一部分路由转发、拓扑维护等“管理者”的职责。这种自治性使得任何一个节点接入或者离开网络后，其它节点能够自动适应网络拓扑结构的动态变化，并自动做出配置和调整，继续维持网络的正常运行，故Ad Hoc网络具有很强的抗毁性和健壮性，常应用于战场环境或应急通信场合。

（3）多跳路由：由于节点的无线发射功率和通信覆盖范围是有限的，因而当网络中的一个节点要和其覆盖范围之外的节点进行通信时，就必须要借助其它节点进行转发，这样就构成了多跳路由。

（4）拓扑动态变化：Ad Hoc网络的拓扑结构随时可能发生变化，且这种变化往往难以预测。造成这种动态变化的原因首先是由于网络节点的移动性使其位置不断变化，且各个节点可随时加入或者离开网络。本身就具有路由功能的节点可能在某条链路中发挥着中继转发的重要作用，此时节点离开网络，必然会对网络拓扑带来影响。其次无线信道本身的特性使得通信链路的质量存在不稳定性，节点间建立的连接可能随时中断，也会使网络拓扑发生变化。这使得Ad Hoc的各类网络协议须经过特别设计以适应这种动态拓扑环境。

（5）无线信道的特殊性：Ad Hoc网络是一种无线通信网络，网络中节点的互联媒介是无线信道。无线信道中的干扰、衰落、噪声具有高度的随机性和时变性，其通信质量和信道带宽相对于有线信道要差很多。无线信道的特殊性使得Ad Hoc网络的信道接入以及共享方式与其它有线固定网络或有中心的无线网络存在很大不同。

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