复旦大学基于adhoc网络多址接入技术的超短波无线通信系统的研究

复旦大学基于adhoc网络多址接入技术的超短波无线通信系统的研究内容摘要：

要实现对多跳路由协议的 支持，是 Ad Hoc 网络的重要组成部分。 ｄ） 安全问题 Ad Hoc 网络的特点之一就是安全性差，易受窃听和攻击。 因此必须研究适用于 Ad Hoc 网络的安全体系结构和安全技术。 e ） 网络管理 网络管理范围较广，包括 Ad Hoc 网络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服务管理等。 因此必须有相应的机制解决节点定位、地址自配置问题。 多址接入技术简介 多址技术的概念和问题的本质 多址技术一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志。 多址技术所要解决问题的特点是：通信（子 ）网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数。 其实就是研究如何将有限的通信资源在多 11 个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。 其中对通信资源的切割与分配也就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。 常见的维有信号的时域、频域和空域，此外还有信号的各种扩展维。 信号空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。 如式 1所示， 其中 Si 和 Sj 分别为对应于用户 i 和 j的无线信号；积分变量 x为划分信号空间的维，如可以为时间、频率、空间或扩展维变量。 实际中不同用户之间的无线信号往往不能做到完全正交，而只能做到准正交，也就是说在积分区间中的积分应是趋近于零。 多址技术的选择应用在不同的应用领域往往有着不同的评价指标。 图 2所示为三种常见的信号空间划分方法 ，分别对应于时分多址（ TDMA）、频分多址（ FDMA）和空分多址（ SDMA），其他在各种扩展维上进行信号空间的划分方法在原理上则是类似的。 下面， 分别 对这些多址技术进行阐述，特别是无线通信中一些新近发展的多址技术。 频分多址（ FDMA） 频分多址（ FDMA）是应用最早的一种多址技术， AMPS、 NAMPS、 TACS、 NTT和 JTACS 等第一代移动通信系统所采用的多址技术就是 FDMA，此外在卫星通信中 FDMA 也得到了广泛的应用。 频分多址的原理如图 2（ a）所示；此时，式 1中的自变量 x 应为频率 f。 每个 FDMA 信道每次只能承载一路业务信息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小。 FDMA 信道的带宽窄（ 30kHz），限制了系统业务的进一步拓展。 FDMA 系统中的基站需要采用带通滤波器以消除寄生辐射的影响，在移动台则需要使用双工器以支持收发器的同时工作，从而增加了基站与移动台的成本。 当然， FDMA相对于下面的 TDMA也有优势。 比如， FDMA 系统中的码间干扰小，几乎无需均衡；用于同步控制等的系统开销小；分配了信道的基站和移动台可以同时进行连续的信号发射。 时分多址（ TDMA） 图 2 三种常见信号空间划分示意图 12 时 分多址（ TDMA）在第二代移动通信系统中得到了广泛应用，如 GSM、 NADC和 PACS 等；此外在不少新建的卫星通信系统中也有所采用。 时分多址的原理如图 2（ b）所示；此时，式 1 中的自变量 x 应为时间 t。 TDMA 系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用率高，系统容量较大。 同样是由于用户工作的非连续性，所以电源效率高。 TDMA 系统的发射和接收均在不同的时隙，所以无须双工器。 而且 TDMA 系统还可以根据用户需求灵活地进行时隙分配。 TDMA 系统的缺陷是由于发射速率较高，为了消除码间干扰的影响需要采 用自适应均衡；此外就是用于同步控制等的系统开销较大。 空分多址（ SDMA） 空分多址（ SDMA）是一种新发展的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信标准 TD－ SCDMA 中就应用了 SDMA 技术；此外在卫星通信中也有人提出应用SDMA。 空分多址的原理如图 2（ c）所示；此时，式 1 中的自变量 x 应为空间变量 s。 SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一 码型而不会相互干扰。 实际上， SDMA 通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如 FDMA、TDMA 和 CDMA 等结合使用；也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。 扩频多址（ SSMA） /码分多址（ CDMA） 扩频多址（ SSMA）系统的共同特点之一是扩频，也就是说用于传输信息的信号带宽远大于信息带宽；共同特点之二是在扩频的实现上，不论通过什么途径扩频，但基本都是用一组优选的扩频码进行控制，正因为此，扩频多址又称为码分多址（ CDMA）。 或者说， CDMA 是在信号的扩展维 —— 编码维上对 无线信号空间进行划分。 顾名思义，码分多址就是给每个用户分配一个唯一的扩频码（或称地址码），通过该扩频码的不同来识别用户。 分组无线电（ PR） /随机多址（ RA） 分组无线电（ PR）是基于数据通信的思想，将需要传送的信息进行分组打包，所有用户在需要接入信道的随机时刻，将数据包发送出去；而当有多个用户同时进行信息发送时就会产生碰撞， PR 系统具有有效的碰撞检测机制让碰撞用户重发直至通信成功。 当前移动通信中的 GPRS 商用网络就是 PR的成功应用，有人称之为移动通信的第 ；作为 PR的一种具体实现， ALOHA协议早在 1973年就被用于卫星通信 [8]。 PR 网络是 Ad Hoc 无线网络 [7]的前身。 由于各用户需要发送信息而接入信道的时刻是随机的，所以这种多址方式又被称为随机多址（ RA）。 当然也有不少文献（如 [6][8]）将多址方式 RA 看作是一种将可用信道切割之后 13 如何分配给用户的一种信道分配方式，这样它就属于信道的一种随机分配方式。 根据 PR的原理， PR 解决通信资源共享的方法是在多个用户之间引入简单的竞争与裁决机制。 此外， PR 中用户的随机接入与竞争行为必然是在信号空间的特定维上进行的；而且从 PR 的发展来看，这种竞争行为 还可能发生在多维的信号子空间之中。 为了适应 PR 的竞争与裁决机制，人们已经制定了多种协议，其中最早也是用得最多的便是各种形式的 ALOHA 协议 [1][6]。 但需要说明的是， PR 协议的选择要考虑具体的业务模型和网络业务量的大小，还没有一种协议总是最佳的。 纯 ALOHA（ P－ ALOHA） 纯 ALOHA（ P－ ALOHA）协议就是对于用户竞争发射的时间没有任何限制，用户在需要发射的任何时间即刻发射，然后等待反馈回来的碰撞检测信号，如果碰撞发生就再等候一个随机的时间进行重发。 显然，当用户数增加时，因碰撞概 率的增加就会引入较长的平均时延。 设 R 为归一化信道流量（单位 Erlang）， P－ALOHA 的吞吐量 T=Re2R （ 3） 时隙 ALOHA（ S－ ALOHA） 与 P－ ALOHA 相比，时隙 ALOHA（ S－ ALOHA）主要的改进是将时间轴以时隙为单位进行划分，要求用户发信的时刻必须是某个任意时隙的开始。 显然，时隙的划分就要求 S－ ALOHA 系统必须要解决一个时钟同步问题。 S－ ALOHA 避免了在P－ ALOHA 协议下不同用户数据分组之间可能发生的部分碰撞问题，它实际是在传输延迟与吞吐量之间的一种折 中，文献 [1]和 [6]还给出了相应的曲线图。 与式3给出的 P－ ALOHA 不同， S－ ALOHA 将吞吐量 T提高为 T=ReR （ 4） 载波检测多址（ CSMA） 载波检测多址（ CSMA）是对 ALOHA 协议的进一步改进。 CSMA 要求用户在发射信息之前先侦听一下信道是否空闲（是否有载波），若忙则还需根据协议的具体规定进行等待。 CSMA又有如下的一些演变形式。 ● 1 －持续 CSMA：用户在发射前侦听信道，若信道空闲则以概率 1 发送；若信道忙则持续侦听等待直到信道空闲。 ● 非持续 CSMA： 与 1－持续 CSMA 不同的是，用户在侦听到信道忙时将不再继续侦听信道，而是等待一个随机长的时间后重复上述侦听过程，直到信道空闲再发射。 ● p －持续 CSMA：该协议用于时隙信道。 用户若侦听到信道空闲，则以概率 p在第一个可用时隙内发送信息，而以概率 1－ p在下一个时隙内发送。 14 ● 具有碰撞检测的 CSMA（ CSMA/CD）：这是对 CSMA 的又一改进，若多个用户在侦听到信道空闲后同时发射，它们就会检测到碰撞并随即终止发射，在等待一个随机时间后再次尝试。 ● 数据检测多址（ DSMA）：这是 CSMA 的一种特例，用户可以在前向信道中检测是否有其他用户占用信道，若信道空闲则可以进行信息的发送。 ALOHA 协议的其他扩展形式 此外， ALOHA 协议还有多种扩展形式，现分述如下。 ● 预留 ALOHA（ R－ ALOHA）：预留 ALOHA（ R－ ALOHA）是在 S－ ALOHA 的基础上，对时隙赋予了优先级，而且能够为特定的用户永久预留或是按请求预留用于发射的时隙。 ● 分组预留多址（ PRMA）：分组预留多址（ PRMA）与 R－ ALOHA 类似，它可以让每一个 TDMA时隙传输语音或数据，其中语音优先。 为了提高系统效率， PRMA可以应用语音激活检测技术（ VAD），以充分利用语音的非连续性。 ● 时频多址（ FTMA）：时频多址（ FTMA） [9]是在 S－ ALOHA 的基础上发展而来的；但与其不同的是， FTMA 将各个用户原先只在一维时间轴上的竞争发射引入到时频二维。 FTMA 在将时间轴划分为时隙的同时也将可用的频带划分为 “ 频槽 ” ，二者的组合就是 “ 时频槽 ”。 每个用户的信息发送总是在某个 “ 时频槽 ”上进行的，多个用户便形成了在二维时频槽上的竞争发射；只有在同一时频槽上的不同用户发射才会发生碰撞。 文献 [9]从理论上 得出了结论：与 S－ ALOHA 相比，FTMA 在提高系统吞吐量的同时获得了更好的稳定性和时延特性。 FTMA 协议的主要应用是 VAST 网络。 ● 扩频 ALOHA：扩频 ALOHA[10]是在原 P－ ALOHA 或是 S－ ALOHA 协议的基础上，将每个用户的信号在频域进行扩展。 扩频 ALOHA 的扩频方法与 DS－ CDMA 类似，也是采用高速的扩频码，所以单从单个信息包的发送信号形式看扩频 ALOHA类似于 DS－ CDMA；但扩频 ALOHA 的最大不同是所有用户均使用相同的扩频码，也就是说，扩频 ALOHA 的扩频码不再具有地址码的功 能。 扩频 ALOHA 具有较好的抗碰撞和抗干扰性能，同时可以降低信道的平均功率。 扩频 ALOHA 的主要应用领域有 VAST网、 PCN 和 LAN 等。 目前使用的几种时分多址接入技术比较 DTDMA 技术 概述 在传统的 TDMA协议中通常是给固定的节点分配了固定的时隙，这意味着 MAC（ Medium Access Control）协议不能支持动态的接入和退出，也不能支持超过一帧时隙数量的用户组成的网络。 例如，一帧时隙数量为 20 个时隙，利用静态 15 TDMA 协议组成的网络，用户数最多为 20 个，不 可能超过 20 个。 因此，一些动态 TDMA 协议就被提出以解决上述问题。 在这些协议的基础上， DTDMA 协议结合了以往动态 TDMA的优点并提供了较高的吞吐量。 时隙结构 SOF CSSSi Si1 Si2 Si3 Si4 Si5 „ SiM SOF：用作帧同步的头标志 CSSSi：主节点用来发送时隙分配包的时隙 Sij：第 i帧的第 j 个时隙 M：最大的时隙数 主节点的功能 分配时隙 主节点维持着一张时隙分配表，它记录了每一个时隙的状态，并根据从节点的请求来更新该表。 时隙号 状态 发送节点地址 接收节点地址 1 idle / busy 000001 000010 2 idle / busy 000010 000001 … … … … M idle / busy 000011 000100 主节点管理着一个队列，它记录了从节点发出的请求信息。 该请求信息包括发出时隙请求的节点地址和所需的数量。 作为一个主节点，它总是监听着网络中发出的信息包。 当它发现一个时隙请求的信息包在某个空闲时隙被某个从节点发出，它就会把该信息加到时隙请求队列的尾部。 在每一帧的开始部分，主节点会根据时隙请求队列头部的记录信 息进行分析。 假定根据时隙请求队列头部的信息得知时隙请求的数量为 N，网络中还保留 16 了 S 个空闲时隙，那么主节点将会对请求信息作如下处理： a. if S＞ =N then b. 分配最初的 N 个空闲时隙给从节点 c. 消除时隙请求队列当前顶部的消息 d. 读取时隙请求队列新的头部信息，并返回 a e. End if 通知从节点 在 CSSSi时隙，主节点会广播 P 信息包来通告该帧。