论文题目：高速LTE通信基于单片机平台的研究与实现
摘要：随着电子技术与互联网技术的高速发展,智能硬件的需求不断增加。在绝大部分智能硬件中,网络通信和数据传输的功能必不可少。使用以单片机为核心的嵌入式系统来进行网络通信是现今互联网通信行业的一个重要组成部分。随着移动无线网络技术的迅速发展,LTE已经十分成熟,不仅广泛运用于智能手机,还可以运用在各种智能硬件之中。由于智能硬件大量部署的需求,成本控制便成了不可或缺的环节。在低成本的单片机平台上,运算性能和内存大小都有较大的限制,运行网络协议栈较为吃力。本文硬件上设计并实现了单片机组合LTE数传模组的硬件电路,软件上实现了包含PPP协议和USB协议的驱动程序,组成LTE通信系统进行无线网络通信。性能受限的单片机自主运行网络协议栈并进行TCP通信时,由于计算资源和内存资源的缺失会产生传输速率低下和实时性不足的问题,而直接提升配置消耗和成本巨大,不满足低成本低功耗的需求。因此本文在网络协议栈内存管理上对影响数据传输速率和系统实时性的要素进行了研究和分析,并提出了低成本低功耗的改进优化方案。本研究基于DMA+FLASH外存的改进内存交换方法,针对单片机性能受限导致的实时性不足问题,在轻量级TCP/IP协议栈Lw IP上实现应用级双缓存设计,对系统阻塞时间做出了改进,提高了系统实时性;针对单片机性能受限导致的传输速率不足问题,实现内核级双缓存设计,提高了数据传输速率;最后融合应用级和内核级,提出了进一步改进的融合双缓存设计,同时提高了系统实时性和数据传输速率。实验结果显示,在控制了功耗和成本的情况下,应用级双缓存提高了系统实时性,可将阻塞时间降低至12%,内核级双缓存设计可将数据传输速率提升至413%,融合双缓存可将阻塞时间降低至3%,数据传输速率提升至350%。双缓存设计能够显著提升单片机LTE通信的性能,这对低成本的无线智能硬件的设计具有较高的使用和参考价值。
关键词：TCP/IP;单片机;LTE;内存交换;发送缓冲区
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.3 主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 单片机LTE通信系统架构
2.1 通用网络系统
2.1.1 网络分层参考模型
2.1.2 网络层协议
2.1.3 传输层协议
2.2 嵌入式网络系统
2.2.1 单片机简介
2.2.2 轻量级TCP/IP协议栈
2.2.3 数据链路控制协议
2.2.4 LTE网络架构简介
2.3 系统总体架构
2.4 网络性能影响因素分析
2.5 本章小结
第三章 基于改进内存交换的双缓存研究
3.1 内存交换技术简介
3.2 LWIP协议栈的内存管理
3.2.1 堆分配
3.2.2 内存池分配
3.2.3 缓存的结构和内存分配方式选择
3.3 应用级双缓存设计
3.3.1 实现方法
3.3.2 性能期望
3.4 内核级双缓存设计
3.4.1 实现方法
3.4.2 性能期望
3.5 融合双缓存设计
3.6 双缓存设计下的拥塞控制算法改进
3.6.1 增大初始窗口
3.6.2 改进降窗算法
3.7 本章小结
第四章 硬件电路和系统软件设计与实现
4.1 硬件电路设计与实现
4.2 软件系统设计与实现
4.2.1 操作系统和网络协议栈
4.2.2 外设驱动程序
4.2.3 服务器程序
4.3 本章小结
第五章 单片机LTE通信系统的测试与分析
5.1 传输速率测试
5.2 阻塞时间测试
5.3 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献