【文章內(nèi)容簡介】 行連續(xù)的信號發(fā)射 . 時分多址 (TDMA) 時分多址 (TDMA)在第二代移動通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用 ,如 GSM、 NADC和 PACS等 。此外在不少新建的衛(wèi)星 通信系統(tǒng)中也有所采用 .時分多址的原理如圖 2(b)所示 。此時 ,式 1中的自變量 x應為時間 ,可以共享頻帶資源 ,因此頻譜利用率高 ,系統(tǒng)容量較大 .同樣是由于用戶工作的非連續(xù)性 ,所以電源效率高 .TDMA 系統(tǒng)的發(fā)射和接收均在不同的時隙 ,所以無須雙工器 .而且 TDMA 系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶需求靈活地進行時隙分配 .TDMA 系統(tǒng)的缺陷是由于發(fā)射速率較高 ,為了消除碼間干擾的影響需要采用自適應均衡 。此外就是用于同步控制等的系統(tǒng)開銷較大 . 空分多址 (SDMA) 空分多址 (SDMA)是一種新發(fā)展的多址技術 ,在由中國提出的第三代移動通信標準TDSCDMA中就應用了 SDMA技術 。此外在衛(wèi)星通信中也有人提出應用 原理如圖 2(c)所示 。此時 ,式 1中的自變量 x應為空間變量 線的應用 ,理想情況下它要求天線給每個用戶分配一個點波束 。這樣根據(jù)用戶的空間位置就可以區(qū)分每個用戶的無線信號 ,換句話說 ,處于不同位置的用戶可以在同一時間使用同一頻率和同一碼型而不會相互干擾 .實際上 ,SDMA 通常都不是獨立使用的 ,而是與其他多址方式如FDMA、 TDMA和 CDMA等 結(jié)合使用 。也就是說對于處于同一波束內(nèi)的不同用戶再用這些多址方式加以區(qū)分 . 擴頻多址 (SSMA)/碼分多址 (CDMA) 擴頻多址 (SSMA)系統(tǒng)的共同特點之一是擴頻 ,也就是說用于傳輸信息的信號帶寬遠大于信息帶寬 。共同特點之二是在擴頻的實現(xiàn)上 ,不論通過什么途徑擴頻 ,但基本都是用一組優(yōu)選的擴頻碼進行控制 ,正因為此 ,擴頻多址又稱為碼分多址 (CDMA).或者說 ,CDMA 是在信號的擴展維 —— 編碼維上對無線信號空間進行劃分 .顧名思義 ,碼分多址就是給每個用戶分配一個唯一的擴頻碼 (或稱地址碼 ),通過該擴頻碼的不同 來識別用戶 . (PR)/隨機多址 (RA) 分組無線電 (PR)是基于數(shù)據(jù)通信的思想 ,將需要傳送的信息進行分組打包 ,所有用戶在需要接入信道的隨機時刻 ,將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去 。而當有多個用戶同時進行信息發(fā)送時就會產(chǎn)生碰撞 ,PR系統(tǒng)具有有效的碰撞檢測機制讓碰撞用戶重發(fā)直至通信成功 .當前移動通信中的 GPRS商用網(wǎng)絡就是 PR 的成功應用 ,有人稱之為移動通信的第 代 。作為 PR 的一種具體實現(xiàn) ,ALOHA協(xié)議早在 1973年就被用于衛(wèi)星通信 [8].PR網(wǎng)絡是 Ad Hoc無線網(wǎng)絡 [7]的前身 .由于各用戶需要發(fā)送信 息而接入信道的時刻是隨機的 ,所以這種多址方式又被稱為隨機多址(RA).當然也有不少文獻 (如 [6][8])將多址方式 RA 看作是一種將可用信道切割之后如何分配給用戶的一種信道分配方式 ,這樣它就屬于信道的一種隨機分配方式 .根據(jù) PR 的原理 ,PR 解決通信資源共享的方法是在多個用戶之間引入簡單的競爭與裁決機制 .此外 ,PR 中用戶的隨機接入與競爭行為必然是在信號空間的特定維上進行的 。而且從 PR 的發(fā)展來看 ,這種競爭行為還可能發(fā)生在多維的信號子空間之中 .為了適應 PR 的競爭與裁決機制 ,人們已經(jīng)制定了多種協(xié)議 ,其中最早也是用得最多 的便是各種形式的 ALOHA協(xié)議 [1][6].但需要說明的是 ,PR協(xié)議的選擇要考慮具體的業(yè)務模型和網(wǎng)絡業(yè)務量的大小 ,還沒有一種協(xié)議總是最佳的 . 純 ALOHA(PALOHA) 純 ALOHA(PALOHA)協(xié)議就是對于用戶競爭發(fā)射的時間沒有任何限制 ,用戶在需要發(fā)射的任何時間即刻發(fā)射 ,然后等待反饋回來的碰撞檢測信號 ,如果碰撞發(fā)生就再等候一個隨機的時間進行重發(fā) .顯然 ,當用戶數(shù)增加時 ,因碰撞概率的增加就會引入較長的平均時延 .設 R 為歸一化信道流量 (單位 Erlang),PALOHA的吞吐量 T=Re2R (3) 時隙 ALOHA(SALOHA) 與 PALOHA 相比 ,時隙 ALOHA(SALOHA)主要的改進是將時間軸以時隙為單位進行劃分 ,要求用戶發(fā)信的時刻必須是某個任意時隙的開始 .顯然 ,時隙的劃分就要求 SALOHA 系統(tǒng)必須要解決一個時鐘同步問題 .SALOHA避免了在 PALOHA協(xié)議下不同用戶數(shù)據(jù)分組之間可能發(fā)生的部分碰撞問題 ,它實際是在傳輸延遲與吞吐量之間的一種折中 ,文獻 [1]和 [6]還給出了相應的曲線圖 .與式 3給出的 PALOHA不同 ,SALOHA將吞吐量 T提高為 T=ReR (4) 載波檢測多址 (CSMA) 載波檢測多址 (CSMA)是對 ALOHA協(xié)議的進一步改進 .CSMA要求用戶在發(fā)射信息之前先偵聽一下信道是否空閑 (是否有載波 ),若忙則還需根據(jù)協(xié)議的具體規(guī)定進行等待 .CSMA 又有如下的一些演變形式 . 1持續(xù) CSMA:用戶在發(fā)射前偵聽信道 ,若信道空閑則以概率 1發(fā)送 。若信道忙則持續(xù)偵聽等待直到信道空閑 . 非持續(xù) CSMA:與 1持續(xù) CSMA不同的是 ,用戶在偵聽到信道忙時將不再繼續(xù)偵聽信道 ,而是等待一個隨機長的時間后重復上述偵聽過程 ,直到信道空閑再發(fā)射 . p持 續(xù) CSMA:該協(xié)議用于時隙信道 .用戶若偵聽到信道空閑 ,則以概率 p在第一個可用時隙內(nèi)發(fā)送信息 ,而以概率 1p在下一個時隙內(nèi)發(fā)送 . 具有碰撞檢測的 CSMA(CSMA/CD):這是對 CSMA 的又一改進 ,若多個用戶在偵聽到信道空閑后同時發(fā)射 ,它們就會檢測到碰撞并隨即終止發(fā)射 ,在等待一個隨機時間后再次嘗試 . 數(shù)據(jù)檢測多址 (DSMA):這是 CSMA的一種特例 ,用戶可以在前向信道中檢測是否有其他用戶占用信道 ,若信道空閑則可以進行信息的發(fā)送 . ALOHA協(xié)議的其他擴展形式 此外 ,ALOHA協(xié)議還有多種擴展形 式 ,現(xiàn)分述如下 . 預留 ALOHA(RALOHA):預留 ALOHA(RALOHA)是在 SALOHA 的基礎上 ,對時隙賦予了優(yōu)先級 ,而且能夠為特定的用戶永久預留或是按請求預留用于發(fā)射的時隙 . 分組預留多址 (PRMA):分組預留多址 (PRMA)與 RALOHA類似 ,它可以讓每一個 TDMA時隙傳輸語音或數(shù)據(jù) ,其中語音優(yōu)先 .為了提高系統(tǒng)效率 ,PRMA可以應用語音激活檢測技術 (VAD),以充分利用語音的非連續(xù)性 . 時頻多址 (FTMA):時頻多址 (FTMA)[9]是在 SALOHA 的基礎上發(fā)展而來的 。但與其不同的是 ,FTMA將各個用戶原先只在一維時間軸上的競爭發(fā)射引入到時頻二維 .FTMA在將時間軸劃分為時隙的同時也將可用的頻帶劃分為 頻槽 ,二者的組合就是 時頻槽 .每個用戶的信息發(fā)送總是在某個 時頻槽 上進行的 ,多個用戶便形成了在二維時頻槽上的競爭發(fā)射 。只有在同一時頻槽上的不同用戶發(fā)射才會發(fā)生碰撞 .文獻 [9]從理論上得出了結(jié)論 :與 SALOHA 相比 ,FTMA在提高系統(tǒng)吞吐量的同時獲得了更好的穩(wěn)定性和時延特性 .FTMA協(xié)議的主要應用是 VAST 網(wǎng)絡 . 擴頻 ALOHA:擴頻 ALOHA[10]是在原 PALOHA或是 SALOHA協(xié)議的基礎上 ,將每個用戶的信號在頻域進行擴展 .擴頻 ALOHA的擴頻方法與 DSCDMA類似 ,也是采用高速的擴頻碼 ,所以單從單個信息包的發(fā)送信號形式看擴頻 ALOHA 類似于 DSCDMA。但擴頻 ALOHA 的最大不同是所有用戶均使用相同的擴頻碼 ,也就是說 ,擴頻 ALOHA的擴頻碼不再具有地址碼的功能 .擴頻 ALOHA 具有較好的抗碰撞和抗干擾性能 ,同時可以降低信道的平均功率 .擴頻ALOHA的主要應用領域有 VAST 網(wǎng)、 PCN和 LAN等 . 目前使用的幾種時分多址接入技術比較 DTDMA技術 概述 在傳統(tǒng)的 TDMA 協(xié)議中通常是給固定的節(jié)點分配了固定的時隙 ,這意味著 MAC(Medium Access Control)協(xié)議不能支持動態(tài)的接入和退出 ,也不能支持超過一幀時隙數(shù)量的用戶組成的網(wǎng)絡 .例如 ,一幀時隙數(shù)量為 20 個時隙 ,利用靜態(tài) TDMA協(xié)議組成的網(wǎng)絡 ,用戶數(shù)最多為 20個 ,不可能超過 20個 .因此 ,一些動態(tài) TDMA協(xié)議就被提出以解決上述問題 .在這些協(xié)議的基礎上 ,DTDMA協(xié)議結(jié)合了以往動態(tài) TDMA的優(yōu)點并提供了較高的吞吐量 . 時隙結(jié)構 SOF CSSSi Si1 Si2 Si3 Si4 Si5 … SiM SOF:用作幀同步的頭標志 CSSSi:主節(jié)點用來發(fā)送時隙分配包的時隙 Sij:第 i幀的第 j個時隙 M:最大的時隙數(shù) 主節(jié)點的功能 分配時隙 主節(jié)點維持著一張時隙分配表 ,它記錄了每一個時隙的狀態(tài) ,并根據(jù)從節(jié)點的請求來更新該表 . 時隙號 狀態(tài) 發(fā)送節(jié)點地址 接收節(jié)點地址 1 idle / busy 000001 000010 2 idle / busy 000010 000001 … … … … M idle / busy 000011 000100 主節(jié)點管理著一個隊列 ,它記錄了從節(jié)點發(fā)出的請求信息 .該請求信息包括發(fā)出時隙請求的節(jié)點地址和所需的數(shù)量 . 作為一個主節(jié)點 ,它總是監(jiān)聽著網(wǎng)絡中發(fā)出的信息包 .當它發(fā)現(xiàn)一個時隙請求的信息包在某個空閑時隙被某個從節(jié)點發(fā)出 ,它就會把該信息加到時隙請求隊列的尾部 . 在每一幀的開始部分 ,主節(jié)點會根據(jù)時隙請求隊列頭部的記錄信息進行分析 .假定根據(jù)時隙請求隊列頭部的信息得知時隙請求的數(shù)量為 N,網(wǎng)絡中還保留了 S個空閑時隙 ,那么主節(jié)點將會對請求信息作如下處理 : if S=N then 分配最初的 N個空閑時隙給從節(jié)點 消除時隙請求隊列當前頂部的消息 讀取時隙請求隊列新的頭部信息 ,并返回 a End if 通知從節(jié)點 在 CSSSi時隙 ,主節(jié)點會廣播 P信息包來通告該幀各個時隙的狀態(tài) ,具體格式如下 : P F Ai1 Ai2 Ai3 … AiM L A1 … AL FCS F P:開始序列 Aij:被允許在第 i幀的第 j個時隙發(fā)送信息的節(jié)點的地址 (如果沒有節(jié)點得到該時隙就是 0) FCS:幀校驗序列 F:幀標志 ,兩個 F之間即為一幀 L:指那些雖然已提出請求 ,且請求已被發(fā)現(xiàn) ,但尚未分配時隙的節(jié)點的總數(shù)量 Ai:指那 些雖然已提出請求 ,且請求已被發(fā)現(xiàn) ,但尚未分配時隙的節(jié)點的地址 釋放時隙 主節(jié)點會以以下兩種方式釋放應分配到節(jié)點的時隙 : 主動釋放 主動釋放是指主節(jié)點在一個網(wǎng)絡內(nèi)聽到某個從節(jié)點發(fā)出釋放時隙的信息后 ,自動釋放該節(jié)點的時隙 . 被動釋放 被動釋放是指主節(jié)點在一個網(wǎng)絡內(nèi)超過三次未聽到某個從節(jié)點發(fā)出信息 ,則自動釋放該節(jié)點的時隙 . 從節(jié)點的功能 和主節(jié)點一樣 ,每個從節(jié)點也維持著一張時隙狀態(tài)表 ,記錄了所有時隙的狀態(tài) ,但該表的信息只包含了時隙序列號、時隙的狀態(tài) (閑或忙 ),并由一個布爾變量表 示該時隙是否是該從節(jié)點本身的 . 只要從節(jié)點聽到一個 P信息包發(fā)送 ,就會立即更新時隙狀態(tài)表 . 時隙號 狀態(tài) 是否是本節(jié)點的時隙 1 busy / idle Y/N 2 busy / idle Y/N … … … M busy / idle Y/N 請求時隙 如果某個從節(jié)點的用戶希望申請一些時隙來給其他節(jié)點發(fā)送信息 ,它將核對自己的時隙狀態(tài)表找出是否存在一些空閑時隙可以發(fā)送時隙請求的信息 ,如果還存在 S 個空閑時隙可以用來請求 ,從節(jié)點則會在 1到 S之間取一個隨機數(shù) ,并根據(jù)該隨機數(shù)發(fā)送一個時隙請求信息 ,請求該時隙 . 在下一幀的 CSSSi時隙中 ,剛剛發(fā)出請求時隙信息的從節(jié)點會根據(jù)主節(jié)點廣播的 P 信息來確認是否該請求已經(jīng)被主節(jié)點聽到 .最好的情況就是發(fā)送的請求被聽見 ,而且所需要的時隙也已經(jīng)被給與 ,從節(jié)點將可以在相應的時隙內(nèi)發(fā)送信息 .但如果申請的時隙未獲得 ,從節(jié)點將一直等待 ,直到主節(jié)點釋放了某個時隙 ,并分配給它 .最壞的情況是從節(jié)點的請求甚至沒有被聽到 ,從節(jié)點將會根據(jù)當前幀的情況重新發(fā)送請求時隙的信息 . 發(fā)送請求時隙信息的時隙和隨機數(shù)之間的關系如下 : 發(fā)送和接收信息 在請求時隙內(nèi) ,從節(jié)點會發(fā)送一 個請求時隙信息包 .而在已分配的時隙內(nèi) ,從節(jié)點會發(fā)送一包數(shù)據(jù)信息 .當數(shù)據(jù)信息已經(jīng)發(fā)完 ,并且該從節(jié)點不再需要改時隙去發(fā)送數(shù)據(jù)信息 ,它就會在原先發(fā)送數(shù)據(jù)信息的時隙中發(fā)送一包要求釋放時隙的信息包 .這 3種信息包 (數(shù)據(jù)信息報、時隙請求信息包、時隙釋放信息包 )的格式是一樣的 ,僅在控制域上有所區(qū)別 . P F AS Ad Control L Data FCS F As:源地址 Ad:目的地址 Control:控制信息 L:數(shù)據(jù)信息包時 ,為數(shù)據(jù)長度 。時隙請求信息包時 ,為從節(jié)