基于UWB技术的Ad hoc网络在智能家居中的应用研究
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基于 UWB 技术的 Ad hoc 网络在智能
家居中的应用研究
摘 要
在生活水平和质量提高的同时，人们对智能家居的需求也日益迫切。Ad hoc
网络以它特有的移动自组织性，将其运用在家庭内部网络的组建上，更能突出智
能、方便、美观等特点。传统的窄带无线通信都无法满足现代多媒体设备对传输速
率的要求，因此人们希望得到更高的传输速率。UWB 以它特有的系统容量大等优
势，解决了这个物理层技术上的问题。将 UWB 技术与 Ad hoc 网络结合在一起运
用在智能家居中，将是未来无线智能家居发展的一种趋势。
本论文首先介绍了 UWB 技术、Ad hoc 网络以及智能家居的相关概念、各自的
特点与历史发展。然后提出了智能家居的总体设计方案。
传统的无线网络 MAC 协议均没有充分考虑到家庭网络业务数据通信以及
UWB 技术的特点，因此本论文通过对 UWB 合理的划分多信道，灵活的在这些信
道间根据业务的类型采取三种不同的策略分别传输，使得协议更具有针对性与实
用性。协议中采用了 TMDA、FDMA、CDMA 三种多址复用方式对信道进行了划分
并抛弃了传统 MAC 协议中维护全网精确同步的措施，提出按需建立虚拟同步的
概念。由于全网异步，不利于每个节点为业务分配时间片，因此在数据文件传输
业务上又提出了路由探测算法，很好的解决了这一问题。最后对协议进行了仿真
验证。
智能家居中家庭节点有固定和移动的特征，因为如果在网络层上采取表驱动
DSDV 路由协议,由于智能家居中少数移动类型节点造成的整个网络拓扑结构的变
化，将会导致协议为所有家庭节点维护最新路由表来保证路由的正确性，所以这
必将增加了家庭网络的负载。因此本论文根据智能家居环境的特点，将家庭节点
按地址类型的不同区分为 2 类：固定类型节点和移动类型节点。对于这两类节点
间的互相通信，分别采取了 4 种策略改进了 DSDV 路由协议应用在智能家居环境
下的不足。最后对协议进行了仿真验证。
最后讨论了该论文的贡献和不足之处，并提出今后进一步研究的方向。
关键词：智能家居 UWB Ad hoc 网络 MAC 协议 路由协议
ABSTRACT
With advance of the living standard, people's demand for smart home is
increasingly urgent. Ad hoc network will further embody features of intelligence,
convenience and attractiveness when used in the family formation on the internal
network because of its unique nature of mobile self-organization. Transmission rate of
the traditional narrow-band wireless communication can’t meet demand which most
modern multi-media equipments need. Therefore people are no longer just confined to
"connection", but hope to get a higher transmission rate. UWB has solved this technical
problem on physical layer because of its large system capacity. Combining UWB
technology and Ad hoc network and using them in smart home, will be a trend of the
future development of wireless smart home.
At frist, this paper introduces relevant concept about the UWB technology, Ad hoc
networks as well as smart home ,and their own characteristics and historical
development. Then this paper also puts forward the overall design program concerning
smart home.
Traditional wireless networks MAC protocols don’t fully consider the characteristics
of data communications in home network and UWB technology. Through the rational
division of channels ,to take agilely three different strategies based on different
operation types among these channels to transmit respectively,making protocol more
focused and practical. Protocol dividing channels by TMDA, FDMA and CDMA,
abandoning measures that traditional MAC protocols safeguard the whole network
synchronization, poposes the concept of establishling virtual synchrony on-demand.
Because of asynchronism in whole network, how to allocate time for operation by each
node is different. So the paper puts forward the routing detection algorithm ,which
solutes better this problem. Finally, paper simulates this protocol.
The nodes in smart home is fixed or mobile. Because if taking table-driven routing
protocols DSDV on the network layer, as a result of the change of the entire network
topology,stemming from a small number of mobile nodes,will lead to safeguard the
latest node routing table to ensure the correctness of routing for all nodes in smart home.
This will increase the load on home network. Therefore, according to the
characteristics of the smart home environment,this paper divides all nodes into two
types of nodes according to home node address: fixed type nodes and mobile type
nodes. For mutual communication among two types of nodes, paper respectively take
four kinds of strategies to improve the DSDV routing protocol and overcome some
deficiencies on smart home environment. Finally,the paper simulates this protocol.
Finally,the paper discusses its contribution and shortcomings , and points out the
direction of further study in future.
KEY: Smart Home, UWB, Ad hoc network, MAC protocol, Routing
Protocol
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...........................................................1
§1.1 研究背景.....................................................1
§1.2 论文的主要工作...............................................2
§1.3 论文的结构...................................................3
第二章 UWB Ad hoc 网络和智能家居.....................................4
§2.1 UWB 技术.....................................................4
§2.1.1 UWB 通信的基本原理......................................4
§2.1.2 UWB 无线通讯的国内外发展状况............................6
§2.1.3 UWB 无线通讯的特点......................................7
§2.2 Ad hoc 网络....................................................8
§2.2.1 Ad hoc 网络的定义.........................................8
§2.2.2 Ad hoc 的发展历史........................................9
§2.2.3 Ad hoc 网络的特点........................................10
§2.3 智能家居.....................................................11
§2.3.1 智能家居的相关概念......................................11
§2.3.2 国际主流标准............................................12
§2.3.3 国内现状................................................13
第三章 智能家居总体结构..............................................15
§3.1 引言.........................................................15
§3.2 家庭网络系统结构.............................................15
§3.3 家庭内部网络.................................................16
§3.3.1 家庭内部网络的结构......................................16
§3.3.2 家庭内部网络的特点......................................16
§3.4 家庭网络系统的组成...........................................18
§3.5 家庭网络体系结构.............................................18
§3.5.1 家庭网络协议............................................19
§3.5.2 家庭网络管理............................................20
第四章 智能家居内网的 MAC 协议设计..................................21
§4.1 引言.........................................................21
§4.2 MAC 协议分类................................................21
§4.3 影响 MAC 协议性能的因素.....................................23
§4.3.1 隐藏终端与暴露终端问题..................................23
§4.3.2 信道接入的公平性........................................24
§4.3.3 MAC 协议的 QoS 保障....................................25
§4.4 一种适用于智能家居 MAC 协议的设计...........................25
§4.4.1 信道的划分..............................................26
§4.4.2 超帧及帧间结构..........................................27
§4.4.3 协议的策略..............................................28
§4.4.4 虚拟同步原理............................................38
§4.4.5 相关表格与部分帧结构....................................39
§4.4.6 协议的仿真及结果分析....................................43
第五章 智能家居内网的路由协议设计....................................48
§5.1 引言.........................................................48
§5.2 路由协议的分类与介绍.........................................48
§5.2.1 路由协议的分类..........................................48
§5.2.2 典型的表驱动路由协议....................................49
§5.3 一种适用于智能家居的表驱动路由协议策略.......................50
§5.3.1 固定类型节点间的数据传送................................51
§5.3.2 移动类型节点向固定类型节点传送数据......................53
§5.3.3 固定类型节点向移动类型节点传送数据......................53
§5.3.4 移动类型节点间的数据传送................................54
§5.4 协议的仿真...................................................56
第六章 总结与展望....................................................59
§6.1 总结.........................................................59
§6.2 展望.........................................................60
参考文献............................................................61
参考文献
第一章 绪论
§1.1 研究背景
随着经济的发展，人们在生活水平提高的同时，越来越注重生活质量，所以
现代人越来越希望拥有一个智能、体贴和自动化程度高的居住环境。智能家居
(Smart Home)[1,2]系统正是为了满足人们这种愿望而发展出的居住环境自动化系统。
智能家居是在信息家电(Information Appliance)的基础上，按照拟人化的要求而实
现智能化运作和方便控制的家庭区域网络(Home Area Network)。这样的家庭网络
系统可以在没有或很少有人干预的情况下，对家内或家外可能发生的事情按预先
的设定作出反应，同时通过与外部网络的连接，可以实现对家中电器设备的远程
监控和数据采集。
传统的智能家居大多采用有线的连接方式，优点是传输可靠性高，速率相对
较高。但是有线连接有着布线烦琐，不方便建立连接，扩展性差等缺点，为了进
一步体现智能性，提高家庭生活质量，采用无线接入方式是智能家居的发展方向
目前采用家庭无线连接的技术有蓝牙技术[3]、WLAN 技术[4]、Zigbee 技术[5]等。但是
随着科技的日趋发达，各种各样的无线终端和数码设备等多媒体设备和应用在不
断增加，数字高清电视、数字高清影碟机、数码音响系统、数码相机和数码摄像机
等都已经进入寻常百姓家，各种家用设备日益强大的内存功能、高清晰数字图像
及不断增大的存储容量，都对无线数据传输速率提出了更高的要求。数字显示设
备、PDA 和MP3 播放器等全数据格式的设备，其数据率从数百kb/s(如 MP3 的数
据率为 320kb/s)到几十 Mb/s，像机顶盒和DVD 播放机到数字电视的无线连接，
有更高的传输速率的要求，需要至少20～28Mbit/s 的传输速率，要实现画中画功
能则需要 56Mbit/s 的传输速率。如若实现 PDA、手机和数码相机与PC 机的同步传
输，由 PC 机实现视频编辑等，传输速率的要求更高，有时需要高至480Mbit/s 的
传输速率[6]。经典的无线设计如蓝牙技术、WLAN 技术、Zigbee 技术等均在速度上
无法满足高速度传输数据。因此，人们的愿望已经不单单局限于“连接”，而是
希望有更高的速率。
超宽带(UWB)技术[7,8]始于20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极
宽的超短脉冲进行通信，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。2002 年2月，美
国联邦通信委员会(Fee)批准了UWB 技术用于民用；随后，日本于 2006 年8月开
放了超宽带频段。由于 UWB 技术具有传输速率高(达1Gbit/s)、抗多径能力强、功耗
低、成本低、穿透能力强、低截获概率、与现有其它无线通信系统共享频谱等特点，
在世界各国受到了普遍关注和开发研究。将其用在智能家居中的无线连接，它的
低成本，低功耗，高传输速度等特性使家庭无线网络的实用性得到进一步提高。
Ad hoc 网络[9]是一种不需要固定设施，能够自主发现、寻找路由的分布式自组
织无线通信网络，它可对节点丢失、网络拓扑改变和无线信道的链路波动等状况
做出很快的反应。将其做为家庭内部网络，可使得智能家居的智能性得到进一步
1
基于UWB 技术的 Ad hoc 网络在智能家居中的应用研究
提高。另外考虑到超带宽（UWB)无线通信仅在10 米范围内实现高速传输，超过
此范围，其传输速度将明显降低，因此将 Ad hoc 网络运用在智能家居系统中扩大
无线通信传输范围，这无疑是一个合适的选择。
§1.2 论文的主要工作
(1) 深入了解 UWB 技术、Ad hoc 网络和智能家居的概念与技术，将 Ad hoc 网
络作为智能家居的内部网络,物理层采用 UWB 技术进行数据传输。在智能家庭系
统功能结构、家庭网关、家庭内部网络的划分、家庭网络协议与网络管理等方面分
别研究与设计，提出智能家居的总体设计方案。
(2) 在Ad hoc 网络中，媒质访问控制(MAC)协议决定了无线信道的使用方式，
在通讯节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建 Ad hoc 网络系统的底层基础
结构。首先分析隐式终端和显式终端问题对信道接入协议性能的影响，需设计协
议策略减少这个问题带来的不利影响，以便获得较高的信道利用率、较低的时延
和较好的公平性。MAC 协议设计还需针对超带宽物理层通信的特点以及家庭应用
环境下业务需求的不同(即数据量很小的家庭网络控制与查询信息、具有特定 QoS
保证的流媒体数据和大容量的数据文件的传输) ，通过合理的划分信道，采取合
适而有效的措施来提高家庭业务的 QoS 保证。最后在该协议的基础上，建立网络
模型，在 NS2 仿真平台上进行模拟仿真，验证该协议的正确性和可行性。
(3) Ad hoc 网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质
量高效率通信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统
的DSDV[10,11]路由协议在维护路由方面需要极大的网络开销。在智能家居中，大部
分家电设备都具有固定性，改变整个家庭网络拓扑结构的仅为只有少数具有移动
性的便携式设备。针对设备固定和移动的特征，将家庭设备地址分成二种类型，
并对这二种类型设备之间的通信分别进行分析与讨论。借鉴 DSDV 路由协议，构
造一个合适的路由策略，减少仅由少数便携家庭设备的移动而造成整个网络拓扑
结构的变化，带来的为维护整个家庭设备节点最新路由表的网络开销。最后分别
对该协议和 DSDV 路由协议在 NS2 仿真平台上模拟仿真，对结果进行分析与比较
验证该协议在降低网络负载方面的优越性。
§1.3 论文的结构
论文第一章为绪论，主要介绍研究的背景、论文的主要工作以及论文的结构。
第二章介绍相关的概念，包括 UWB 通信技术的基本原理、特点及发展历史，
Ad hoc 网络的定义、发展历史及特点，智能家居的相关概念、国际主流标准及国内
现状。
第三章介绍智能家居的总体结构，包括家庭网络系统结构、家庭内部网络的结
构与特点、家庭网络系统的组成以及家庭网络体系结构。
第四章首先针对目前常见的Ad hoc 网络 MAC 协议进行分类，并指出了影响
MAC 协议性能的因素。针对家庭内部网络传输数据的特点，按照业务需求的不同
(即数据量很小的家庭网络控制与查询信息、具有特定 QoS 保证的流媒体数据和大
容量的数据文件的传输)自主设计了三种 MAC 协议的策略。整个协议介绍了信道
的划分、超帧与帧间的结构、虚拟同步原理、相关表格与帧的结构，最后对协议进
2
参考文献
行了仿真验证。
第五章首先针对目前常见的Ad hoc 网络路由协议进行分类，并介绍了三种表
驱动路由协议。根据 DSDV 表驱动路由协议并结合家庭节点中有固定和移动的特
征，设计了一种适用于智能家居的路由协议。
第六章对论文进行了总结，指出了论文的主要贡献及存在的不足，提出了今
后进一步研究的方向。
第二章 UWB Ad hoc 网络和智能家居
§2.1 UWB 技术
§2.1.1 UWB 通信的基本原理
随着通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，频谱作为一种有限的资
源变得日益贫乏和宝贵，同时人们对无线通信的业务要求越来越高，这就需要一
种对现有的通信系统不造成影响的新的无线通信方案，而UWB技术具有与传统通
信技术不同的突出优点，通过重复利用频谱，解决了频谱拥挤不堪的问题。
超宽带技术的理论基础是香农公式。根据香农信道容量公式[12,13],
其中，C为信道容量，B为信道带宽， 为功率谱密度， P为信号功率。
由香农信道公式可知，增大通信容量有两种实现方法，一是通过增加信号功
率P，信道容量C与信号功率P呈对数增长；二是增大传输带宽，信道容量C与传输
带宽呈线性增长，这种方法显然比第一种方法更有效。超宽带技术就是通过第二
种方法来获得非常高的传输速率。
早期超宽带主要应用于雷达系统，信号主要是通过发射一系列极短脉冲获得。
2002年FCC颁布了UWB的频谱规划，规定只要一个信号在-10dB处的绝对带宽大
于500MHz或相对带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号，这个定义使得超宽
带信号不再局限于脉冲发射，相对带宽定义为：
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基于UWB技术的Adhoc网络在智能家居中的应用研究摘要在生活水平和质量提高的同时，人们对智能家居的需求也日益迫切。Adhoc网络以它特有的移动自组织性，将其运用在家庭内部网络的组建上，更能突出智能、方便、美观等特点。传统的窄带无线通信都无法满足现代多媒体设备对传输速率的要求，因此人们希望得到更高的传输速率。UWB以它特有的系统容量大等优势，解决了这个物理层技术上的问题。将UWB技术与Adhoc网络结合在一起运用在智能家居中，将是未来无线智能家居发展的一种趋势。本论文首先介绍了UWB技术、Adhoc网络以及智能家居的相关概念、各自的特点与历史发展。然后提出了智能家居的总体设计方案。传统的无线网...
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