（通信与信息系统专业论文）基于扩频技术的时隙aloha系统的研究.pdf

中文摘要 a l o h a 技术是应用于大量用户争用同一信道的通信网络中的一种随机接 入技术。它的根本思想是允许用户根据自己的意愿随时她发送信息，这种系统具 有结构简单易行的优势，同时也存在信道利用率低等诸多缺陷。本文提出了基于 扩频技术的时隙a l o h a 系统以及应用于这种系统的两种捕捉模型，对它们的研 究旨在提高系统的吞吐量和信道效率，并对这种系统得以广泛应用具有重要的意 义。 本文在传统的时隙a l o h a 系统的基础上引入扩频技术理论，但和扩频 c d m a 相比它只需要一个扩频序列，实现起来更为有效和简单。这两种系统的 有机结合形成了新的优势互补的更为有效的系统。时延捕捉效应是结合了扩频技 术的时隙a l o h a 系统所固有的特性。以前关于这一领域的研究只着眼于对每个 时隙第一个到达的数据包的捕捉，忽略同时捕捉多个数据包的可能性；或者即便 考虑多个数据包的捕捉，也是采用离散时间的数学模型来进行研究。在本论文中 提出了两种不同的连续时间捕捉模型来研究多数据包时延捕捉，从理论上突破了 在一个时隙中最多只可以捕捉到一个数据包的传统局限，在最大程度上提高了系 统的性能。 本文提出的整体m 个数据包捕捉模型是一种接近于实际情况的近似，这种 模型与实际情况下的普遍多捕捉系统相比较存在一定的偏差。本论文对这些情况 都进行了仔细的讨论，并且通过仿真实验验证了模型的准确性。而前m 个数据 包捕捉模型并非对实际情况的近似，而是以降低系统吞吐量为代价的精确模型。 在对这两种模型的研究过程中，引入马尔可夫模型作为系统分析的重要方法。同 时，运用m a t l a b 软件对系统模型进行仿真与作图来直观的分析系统的各类参 数并对系统性能进行细致的讨论。通过本文的论述可以看到，基于扩频技术的时 隙a l o h a 系统比传统的a l o h a 系统具有更优的系统性能和更为普遍的实用意 义和价值。同时，本文提出的两种捕捉模型也是基于这一系统的有效和可靠的实 现模型。 关键词：扩频技术，时隙a l o h a 系统，时延捕捉效应， 前m 个数据包捕捉模型，整体m 个数据包捕捉模型 a b s t r a c t n l ea l o h aa c c e s sp r o t o c o li su s e di nc o m m u n i c a t i o nn e t w o f k sw h e r eal a r g e o fu s e r sa r ec o m p e t i n gt ot h ea c c e s st h es a m ec h a n n e l t h eb a s i ci d e ab e h i n da n _ a l o h a s y s t e mi s t h a tu s e r sa r ea l l o w e dt os e n dd a t aa n yt i m et h e yw i s h t h e a l o h a s y s t e mh a sm a n ym e r i t ss u c h 舔s i m p l es t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o n o nt h e o t h e rh a n d ，i ta l s oh a ss o m e d i s a d v a n t a g e st h a tt h ee f f i c i e n c yo f c h a n n e li sl o w 七t c t h s p a p e rp r e s e n t st h es l o t t e da l o h a s y s t e mb a s e do ns p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y a n dt w o c a p t u r em o d e l sa p p l y i n gt ot h es y s t e m n l ep u r p o s eo f t h er e s e a r c ho nt h e m i st oe n l a r g et h et h r o u g h p u ta n dt h ee f f i c i e n c yo fc h a n n e l n er e s e a r c ho nt h e ma l s o h e l p s t h es y s t e mt ob e a p p l i e dw i d e l y t h i sp a p e ri m p o r t s s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y t ot h ec o n v e n t i o n a ls l o t t e d a l o h a s y s t e m 1 1 1 cn e ws y s t e mo n l yu s e s a u n i q u es p r e a ds p e c t r u mc o d eo t h e rt h a n d s s s - c d m aa n dt h e r e f o r ei ti se f f i c i e n ta n ds i m p l e 1 1 1 en e w s y s t e mu t i l i z e st h e r e s p e c t i v ea d v a n t a g e so fb o t hc o n v e n t i o n a ls y s t e m s t h ed e l a yc a p t u r ee f f e c ti s a n i n h e r e n t p r o p e r t y o f t h en e w s y s t e m p r e v i o u sw o r k s o n d e l a yc a p t u r e a r e u s u a l l yo n l y 0 1 1s i n g l ec a p t u r e ，o ru s m gd i s c r e t et i m em o d e l i nt h i sp r o j e c t ，t w oc o n t i n u o u st i m e m u l t i p l ec a p t u r em o d e l sa r ep r e s e n t e da n dm u l t i p l ed e l a yc a p t u r e sa r ec o n s i d e r e d t h e yb r e a k t h r o u g h t h ec o n v e n t i o n a ll i m i to f s i n g l ec a p t u r ei nt h e o r ya n de n h a n c e t h e s y s t e mc a p a b i l i t y 1 1 1 eg e n e r a l - mc a p t u r em o d e l p r e s e n t e db yt h ep a p e ri s c l o s e rt ot h ep r a c t i c a l s i t u a t i o nb u ta p p r o x i m a t i o nh a st ob em a d ei nt h e o r e t i c a la n a l y s i s 1 1 l em o r sr e s u l t e d i nu s i n gt h i sm o d e la r ed i s c u s s e da n dt h ea c c u r a c yo ft h i sm o d e li sv e r i f i e dt h r o u g h s i m u l a t i o n s n l ef i r s t - mm o d e li sa c c u r a t eb u ti tr e s u l t si nu n d e r - u t i l i z i n gt h er e c e i v e r d u r i n gt h er e s e a r c ho nb o t hm o d e l s ，iu t i l i z em a r k o vm o d e lt oa n a l y z et h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n di t i sa ni m p o r t a n tm e a s u r e ia l s ou s en 汀l a bt os i m u l a t ea n d d r a wp i c t u r e si no r d e rt o a n a l y z et h ep a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m d i r e c t l y f r o mt h es t u d yo f t h ed i s s e r t a t i o n ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es l o t t e da l o h a s y s t e m b a s e do ns p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g yh a s b e t t e r s y s t e mc a p a b i l i t y a n d p r a c t i c a lv a l u e t h a nt h ec o n v e n t i o n a la l o h a s y s t e m f u r t h e r m o r e ，w ea l s oc o n c l u d e t h a tb o t h c a p t u r em o d e l s b a s e do nt h es y s t e mt h a tt h i sp a p e r p r e s e n t sa r ee f f e c t i v ea n d c r e d i b l e k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y , s l o t t e da l o h as y s t e m ， d e l a yc a p t u r ee f f e c t ，f i r s t mc a p t u r em o d e l ，g e n e r a l mc a p t u r em o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鎏盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：揿建剔签字日期：2 卯弓年易月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盎盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：取建剐 导师签名 签字日期：跏咿3 年占胃f 7 日 签字日期：争哆年6 月吵日 第一章绪论 1 1 随机接入技术概述 第一章绪论 在无线移动通信系统中，在一个基站所覆盖的区域中的用户数目是不断变化 的。与固定网络每个终端拥有自己的通信信道的情况不同，这一系统下的用户必 须接入本小区内所有用户共享的一个信道。因此，必须采用某种接入方式。 接入协议主要可以分成以下四类： 随机接入协议( 即a l o h a ，s a l o h a ，c s m a ) ； 集中接入控制协议； 分散接入控制协议( 即f i f o ，令牌) ； 自适应接入协议。 在一个区域内的用户数量是经常变化的，这使令牌或优先级的协议使用起来 很困难。同时，基站不知道在其所覆盖的小区范围内要求使用资源的用户数量和 人群。因此，通常并不采用集中接入控制协议。相反，随机接入方式使用户可以 高效灵活地接入信道。这种接入方式的一个重要缺陷是在接入信道时将引起用户 之间的争用( 即竞争) 。这种竞争将可能引起不同用户所发射的数据包之间的碰 撞。这种接入方式经常被称作竞争模式。下面将逐一讨论各种随机接入方式。 1 1 1无时隙和无载波监听协议 最简单的随机接入协议是a l o h a 协议或纯a l o h a 协议。这个协议的原理非常 简单，当一个用户要发送数据包时，并不需要注意信道是否空闲，只要直接发射 信息就可以了。当然，由于用户随机发射数据包，当几个用户的发射在时间上重 迭时，就会发生数据包之间的碰撞，则需要重发。 a l o h a 协议的主要缺点是负荷较大时系统性能较差( 吞吐量受限) ，因为各 个用户的发射是完全随机的。 第一章绪论 1 1 2 载波监听协议 载波监听多址接入( c s m a ) 协议的基本原理是在用户发射信息之前监听载波。 它是由a l o h a 协议改进而成，这种方式适用于时延较小的总线网，现已普遍应用 于局域网l a n 中。 像a l o h a 一样，c s m a 系统没有中心控制器，是一种完全分散的控制系统， 通信的收发进程和数据包格式均由通信协议规定。用户进行数据包的发送之前， 首先要监测信道( 监听载波) ，根据信道状态确定传送与否。载波监昕可有以下 几种方式： 信道坚持监听( c s m a p ) 方式：网上用户载波监听装置一直连续在监听，一 旦发现信道空闲就发送： 信道非坚持监听( c s m a n p ) 方式：用户听到信道“忙”状态信号后，中断 监听，过一个随机时间后，再监听，直到得到信道的“闲”状态信号再进行发送； 概率监听( c s m , a - p ) 方式：用户听到信道“闲”状态信号后，以概率p 向信 道发送数据包； 碰撞检测( c s m a c d ) 方式：在上述监听方式中，由于监听过程的时延，仍 可导致用户同时发送，产生碰撞。本方式除监听载波外，尚有碰撞检测功能，即 一旦检测到碰撞就立即停止发送，而不管数据包发送完与否，因而进一步提高了 吞吐量和信道利用率。 上述几种c s m a 系统的吞吐量都会随着传播时延值的增大而急剧减小，所以 c s m a 只能在小传播时延情况下有效。虽然碰撞检测可改善性能，但随着时延的 增大，其效果也将逐渐减弱。同时，这种发送前的检测机制会造成容量的损失。 1 1 3 无监听时隙协议 纯a l o h a 协议会出现一个问题，即n 个接连发送的数据包发生碰撞造成n 个数据包的丢失，并且在这段时间内导致信道瘫痪。 时隙a l o h a 协议规定只在某个特定的时刻允许发送数据包。一个信道被分成 若干时隙，时隙的起始时刻对所有用户都是一样的( 故所有用户都必须同步) 。 时隙的划分使得系统性能得到了进一步的改善。 在以上研究的各种随机接入方式中，因为接入方式的随机性，系统吞吐量和 信道利用率的相对较低成为各种随机接入技术的共同缺陷。尽管由于引入时隙的 概念，时隙a l o h a 系统的吞吐量和信道利用率有所提高，但是在高负载的情况下， 系统性能仍然相对较差。因而，本文在时隙a l o h a 系统中引入了扩频技术，在保 第一章绪论 留a l o h a 系统结构简单易行的优势的同时，最大程度地提高了系统的性能，进 步完善了随机接入技术。 1 2 基于扩频技术的时隙a l o h a 系统的提出 1 2 1 信道接入方式 在一个多用户共享的信道中，用户在有数据包需要传送的时候接入信道，要 保证这样的接入方式不致混乱，就要建立起来某种协议来保证每个用户数据传输 的可靠性。 d s s s c d m a 是一种接入方式，它允许多用户的信号同时传输。c d m a 系 统的信道吞吐量比较高，因为系统内的任何用户都可以在不考虑别的用户的情况 下传输数据，不同用户的信号之间不会相互干扰。在d s s s c d m a 系统中，不 同的用户被不同的扩频码调制。所以当不同的用户同时输送信息的时候，信号之 间彼此不相关，所以不会产生干扰。 a l o h a 也是一种接入方式。在一个a l o h a 系统中，用户的接入是伴随着 数据包的产生或重发而随机发生的。不同用户的数据包彼此竞争信道，碰撞会频 繁发生，所以系统吞吐量不高。当几个数据包同时在信道上传输，如果两个数据 包在时间轴上彼此重迭，这两个数据包就会因为彼此碰撞而被毁坏。碰撞后的数 据包必须经过某种重发机制来重发，以保证下次重发的时候两个数据包再次碰撞 的几率很小。系统结构简单是a l o h a 系统的最大优势。 1 。2 2 两种系统的结合 本论文将尝试把扩频通信系统和时隙a l o h a 系统结合起来，使它们的优势 互补。时隙a l o h a 技术是在a l o h a 技术的基础上发展起来的，在时隙a l o h a 系统中，所有缓冲器中存有数据包的用户在每个时隙开始时刻接入信道。在通常 研究的d s s s - c d m a 系统中，每个用户被赋予不同的扩频码，同时在中央基站 中有一个与该扩频码相对应的接收机专门接收该用户信号。当用户数目较大的时 候，这样就会使得系统的中央基站结构变得非常复杂，接收机硬件也不会得到充 分有效地利用。如果系统中的所有用户公用同一个扩频码，那样就会使中央基站 的接收机结构变得十分简单。a b r a m s o n 2 】曾经指出在一个d s s s - c d m a 系统 中，要区分两个不同用户的信号并不需要分配给两个用户不同的扩频码。实际上， 第一章绪论 在不同用户使用相同扩频码的扩频通信系统中，只要相邻信号到达接收机时具有 一定的时间差，它们就能被成功的区分。 在上述公用同一个扩频码的扩频通信系统中引入时隙a l o h a 的特性，也就 是使系统中的用户只能在一个时隙的开始时刻发送缓冲器中的新产生的或是准 备重发的数据包。在这种结合后的新的系统的传输过程中，将每个数据信息符号 代之以一个具有优良自相关特性的扩频码序列。设扩频码序列长r 比特，则扩频 后1 数据信息比特变为r 个c h i p ，若扩频前后能量保持不变，发射机所需的峰 值功率便下降到原来的r 分之，这就是说，通过扩频可大大降低网络中发射机 的平均功率，同时又能维持接收机检测所需的比特能量。 由于采用了时隙a l o h a 协议，在传输过程中就可能发生数据包之间的重迭， 重迭部分可看成信道噪声。在接收端，匹配滤波器利用一个相同的扩频序列对接 收序列进彳亍相关运算，然后在相应的拓展比特位上采样，恢复原来的数据信息包。 在解扩过程中，有用数据的信号幅度增大到原来的r 倍，符号间干扰及因传输时 数据包重迭所引起的噪声幅度则大大减小，分别反比于r 。可见，只要选用码长 r 足够大，具有优良自相关特性的扩频序列，即使在传输过程中发生重迭，解扩 后数据包能够被正确恢复的概率仍然很高，即可达到较高的信道效率。因而在这 种结合后的新的系统中，所发送的数据包发生的碰撞不再简单的指两个数据包在 时间轴上有重迭，而是指两个或两个以上使用相同扩频码的数据包到达接收端的 到达时间上间隔不能足够大，不足以被接收机所区分捕捉。 在扩频通信网络中所有用户公用同一个扩频码进行上行通信可以简化基站 结构，同时也增加了网络无缝隙服务的灵活性。结合了时隙“a l o h a 特性之后， 公用同一个扩频码的扩频通信技术应用于小型蜂窝移动通信系统或是在卫星通 信中会表现出更加明显的优势。 1 3 本论文的研究目的和完成的主要工作 传统的a l o h a 系统具有结构简单易行的优势，同时也存在信道利用率低等诸 多缺陷。本文提出了基于扩频技术的时隙a l o h a 系统。在保留a l o h a 系统结构简 单易行的优势的同时，引入扩频技术的灵活性特点，使得结合后的系统可以优势 互补，同时最大程度的提高了原有系统的传输性能并扩大了分享网络的用户数 目。本文的研究论证了这一结合后的新型系统的优势所在，并且为这种技术的进 一步研究发展提供了可行的模型结构，本文的研究对这一新技术得以广泛应用具 有重要的意义。 第一章绪论 本文的主要工作集中在基于扩频技术的时隙a l o h a 系统的提出、基于这一系 统的前m 个数据包捕捉模型、在这一模型基础上发展的整体 1 个数据包捕捉模型 这三部分。文中系统捕捉概率的分析和系统性能的分析推导及其所采用的方法都 是系统研究的关键。此外，本文利用m a t l a b 这一重要的仿真软件对系统性能进 行了直观细致地分析，同时通过仿真分析验证了整体m 个数据包捕捉模型的正确 性。 第二章扩频通信与a l o h a 系统 2 1扩频通信 第二章扩频通信与a l o h a 系统 2 1 1 扩频通信原理 从利用电磁波来看，扩频通信是与一般现有的常规通信方式完全不相同的。 扩频通信用伪随机编码把基带信号( 信息数据窄带信号) 的频谱进行扩展，形成 相当宽带的低功率谱密度信号发射。使用不同的伪随机编码，不同通信用户可在 同一频段、同一时间工作，互不影响或影响极小。而常规通信是在频段上细分( 频 分) 或时间上细分( 时分) 给通信用户，彼此互不干扰地分别使用。因此，扩频 通信在调制、解调上是与众不同的。 图2 - 1 扩频通信基本原理图 扩频通信的基本原理如图2 - 1 所示。信息数据d 经通常的数据调制后变成带 宽为矗的信号( 匠为基带信号带宽) ，用扩频序列发生器产生的伪随机编码( p n 编码：p s e u d on o i s ec o d e ) 去对基带信号作扩频调制，形成带宽为岛( b 2 b 。) 、 功率谱密度极低的扩频信号，再发射。众多的通信用户，使用各自不同的伪随机 编码，可以同时使用带宽为b ：的同一频带。在接收端，首先使用与扩频信号发 送者相同的伪随机编码作扩频解调处理，把宽带信号恢复成通常的基带信号，再 使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据鼠显然，接收端不知道发送 的扩频信号所使用的伪随机编码时，要进行扩频解调将非常困难，几乎是不可能 的。这就实现了信息数据的保密通信。如果接收端选用某一伪随机编码处于接收 工作状态，通信信道中只有那个用同一伪随机编码扩频的信号在接收端产生信号 输出，而通信信道中的那些其它伪随机编码调制的扩频信号不可能在该接收端的 第二章扩频通信与a l o h a 系统 扩频解调处理器中形成明显的信号输出，即不会对接收端的扩频解调处理形成干 扰。这样，接收端使用不同扩频信号发送者所用的不同伪随机编码作扩频解调， 就可得到不同发送者发送来的信息数据，从而实现多用户( 或多址) 通信。 扩频通信的主要特征是使用比发送的信息数据速率高得多的伪随机编码，扩 展作为基带信号的信息数据频谱，成为极低功率谱密度的宽带信号。接收端使用 相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号，恢复成基带信号。这些特征使扩频通 信信号不易受干扰，也不容易干扰他人，信号隐蔽，保密性强；多重扩频信号能 共用同一频带，可采用随机多址通信方式，通信寻址简单方便，有较好的过负荷 能力，能和其他的通信方式混合使用；有高精确度的测距、定位能力。因此，扩 频通信技术主要应用于通信、测距及与此相关的领域。 c d m a 通信系统是最具代表性的扩频通信技术应用，它的基本工作方式有 以下三种： 1 直接序列扩频( d s s s ) 2 跳频扩频( f h s s 】 3 跳时扩频( t h ，s s ) 本论文中主要研究的是直接序列扩频系统，也就是说所有的用户被扩频序列 码调制。直接序列扩频c d m a ( d s s s c d m a ) 是一种直接应用直接序列扩频 的多路接入技术。 图2 - 2 直接序列扩频信号产生框图 直接序列扩频调制是通过用宽带扩频码来对信号进行二次调制的。扩频码的 脉冲( c h i p s ) 周期很短t o r m 。 乃，则上述区间可以近似为( o ，瓦) 。 在理想的情况下，z 茹瓦 1 。z 如是接收机所需的最短捕捉时间，这个参 数将在文章后叙部分进行定义并加以详细阐述。现在定义一个在时延捕捉系统中 很重要的参量：捕捉比率q ，这里q = z 乙瓦。从这个参量的数值可以看出接收 机跟踪并捕捉一个数据包的快慢程度。这个参量还代表系统的最大捕捉能力，q 的倒数就是在一个时隙内系统所能捕捉的数据包的最大数目的上界。 3 3 系统时隙和数据包的结构 在上一节中论文提出了在同一时隙内的彼此竞争的数据包的到达时问( t o a ) 在区间( 0 ，l ) 上是服从平均分布的。这就意味着所有在该时隙内发送出的数据包 在时隙开始后的l 秒内全部都已到达基站的上行接收机。 一 在系统中，一个数据包的实际传输时间为乙秒，如图3 - 2 所示，它要比时 隙的长度l 短瓦秒，也就是b = + 瓦( 在传统的时隙a l o h a 中，tm 0 ) 。 第三章基于扩频技术的时隙a l o h a 系统 图3 - 2 时隙和数据包结构 t ( 时闯1 假设每个数据包由两部分组成：包头码和紧随其后的地址及信息码。其中包 头码的内容取为固定值被看作是每个数据包开始的标志，这样可以便于接收机的 阈值能量探测功能的实现( 见图4 4 ) 。 第四章时延捕捉效应 第四章时延捕捉效应 4 1 时延捕捉效应的基本理论 捕捉效应是指接收机能够在到达的大量数据包中，锁定并成功接收其中的某 些数据包。功率捕捉和时延捕捉是在科技文献上常被提到的两种主要的捕捉效 应，本论文主要集中研究在理想无衰落环境下的时延捕捉效应。 在无衰落信道中( 这一点可以通过理想的严格功率控制来实现) ，路径损耗是 最主要的功率损失。假设所有到达接收机的数据包的能量足以被接收机捕捉( 如 果没有碰撞发生) ，多径效应和盲区可以忽略不去考虑。这个模型在平缓的陆地 传播环境( 用户与基站接收机之间没有阻挡) 下是有效的。由于用户的空间分布 ( 或者说是传播时延) 和随机时延的引入，在同一时隙内发出的所有数据包的 t o a ( 到达时间) 是服从平均分布的，这一点在3 2 节中详细解释过。 由于系统中的所有用户共用同一个扩频码与基站接收机进行上行通信，数据 包之间的碰撞在所难免。然而，这些发生碰撞的数据包不一定会被全部毁坏。 通常，接收机中采用的是与扩频码匹配的无源的声表面波( s a w ) 匹配滤波器。 这种应用声表面波滤波器来实现解扩频的方式在文献 4 中有过细致地讨论。这 种匹配滤波器接收机的框图如图4 - 1 所示。 在这样的接收机中，当传输进来的信号与预设在接收机内的序列码进行相关 计算后，这个信号就被解扩频还原回原来的带宽。那么信号的包络就能被探测到， 数据就可以被解调。如果在一个时隙内有多于一个的彼此竞争的数据包到达，由 于传播时延和引入的随机时延，它们会有不同的到达时间( t o a ) 。 图4 - 1 扩频系统中的扩频码接收机 第四章时延捕捉效应 假设系统所应用的扩频码码形在一个数据包的长度内会发生重复，d a v i s 和 g r o n e m e y e r 5 曾经指出，如果两个被同一个扩频码调制的数据包到达接收机的 时间精确一致，那么这两个数据包彼此会产生很强的相关性，互相干扰，无法被 接收。但是如果这两个数据包的到达时间不是精确一致( 到达时间相差一个c h i d 以上) ，那么这两个数据包彼此就是准正交的，就可能被正确接收。这样的特性 表明在同一时隙内发生碰撞的数据包不一定完全被毁坏。考虑到系统本身的传播 时延和本文研究中所附加的随机时延，在一个时隙内几乎不可能有绝对同时到达 基站接收机的两个数据包。于是，可以得出一个结论，在同一时隙内相互竞争的 数据包彼此之间都是准正交的。 由于到达时间的不同，这些数据包和预设在匹配滤波器中的p n 序列最大相 关后，所产生的能量尖峰的出现时刻也会不同。图4 - 2 和图4 3 显示了在结合了 扩频技术的时隙a l o h a 系统中彼此竞争的两个数据包之间的典型关系。其中，d 是两个数据包的到达时间( t o a ) 之差，是b i t 宽度。 图4 2 基于扩频技术的时隙a l o h a 信道中两个用户的波形 忙4 a 磊 f ；f ；j时涧j 卜瓦可v vv 7 图4 - 3 相关接收后匹配滤波器输出的能量尖峰 当数据包的能量尖峰通过接收机时，接收机可以通过记录这些能量尖峰出现 第四章时延捕捉效应 的具体时刻，得到这个数据包的信号时序。这是一种线性的解扩频操作。如图 4 - 3 所示，从匹配滤波器输出的两个数据包的能量尖峰在时间轴上的相对位置准 确地揭示出这两个成功被捕捉的数据包的到达时间之间的关系。 在图4 3 中，第一个数据包的前五个比特是1 0 1 1 0 ，第二个数据包的前五个 比特也是1 0 1 1 0 。其中，比特1 由正脉冲表示，比特“0 ”由负脉冲表示。第 一个数据包与第二个数据包的到达彼此相隔一个时间间隔“d ”。只要两个数据 包的数据传输的时间间隔d 足够大，接收机就可以区分开这两个数据包。通常来 说，两个信号必须在时间轴上相隔至少一个c h i p 的时间间隔，它们才能被接受 端区分开。但在实际中，由于接收机的结构、信号调制过程和其他一些系统参数 的不同影响，这个使信号能被区分的最小时间间隔会是十几个c h i p 到几个码元 间隔不等。在这里可以理解为，相互竞争的数据包的到达只有相隔了这个最小的 时间间隔，它们才能被成功的接收。 假设在系统中某个给定的时隙里有多个数据包被发送，基站接收机能以一定 的概率成功地捕捉其中定数量的数据包，而其余的没有被成功接收的数据包均 被看作是干扰信号而被拒绝。这种捕捉机制叫做时延捕捉。d a v i s 和 g r o n e m e y e r 5 曾经提出过一种单一数据包的时延捕捉模型。在他们提出的模型 中，只有在时隙内第一个到达的数据包才有可能被成功接收。他们所作的研究将 在本论文中作为参考。 本论文提出了两种多数据包捕捉模型：前m 个数据包捕捉模型和整体m 个数 据包捕捉模型。 所谓前m 个数据包捕捉模型是指接收机如果成功地捕提了一个时隙内前脚 个到达的数据包。而第脚“个数据包由于不满足捕捉条件，捕捉失败，系统则拒 绝接收在第m + 个数据包之后到达的任何数据包。 与前m 个数据包捕捉模型不同，在整体m 个数据包捕捉模型中，允许捕捉在 一个时隙内到达的任何个满足其捕捉条件的数据包，无论这些满足条件的数 据包之前或之后到达的数据包是否被成功接收。 4 2 时延多数据包捕捉系统的常规假设 为了方便地研究前m 个数据包捕捉模型和整体m 个数据包捕捉模型，首先提 出一些关于这两个模型的常规假设： i 假设系统采用严格的功率控制，使得所有被发送的数据包到达基站接收机时 的功率完全相等。这样就消除了功率捕捉效应的影响。 第四章时延捕捉效应 i i 本系统是一个完全同步的时隙系统。所有数据包的长度相等。 i i i 一个时隙内所有数据包的到达时间( t o a ) 在时间区间( 0 ，z ，) 上服从平均分 布，并且所有数据包的到达是彼此相互独立的。 i v 接收机在一个时隙内可以捕捉个到达的数据包( 值不定) ，其中 0 m m i n ( 1 i q ，k ) 。驴是在第三章提到过的捕捉比率，厅是基站接收机中的解 码器个数。也就是说，接收机在一个时隙内最多可以捕捉m 。= m i n ( 1 q ，世) 个 数据包。 4 3 时延多数据包捕捉系统的接收机结构 输 出 图4 4 时延多捕捉接收机的模块框图 m u n 6 曾经指出过多捕捉时延接收机的结构可以描述成图4 - 4 所示。每个到 达接收机的彼此竞争的数据包都要首先通过跟踪环路及匹配滤波器模块，如果一 个数据包输入该模块的信号成功地被跟踪环路跟踪并且拥有和匹配滤波器相同 的p n 码，那么匹配滤波器会在包头码通过之后输出一个自相关操作后能量尖峰 ( 如图4 - 3 所示) 。如果这个能量尖峰满足能量探测器的阈值条件，阈值能量探测 器则被触发，这样这个数据包就可以被看作是满足捕捉条件的。 如果能量探测器被触发，则逻辑控制电路模块将使能一个解码器锁住当前的 数据包，并将它解码。同时，逻辑控制电路将反馈一个信号回跟踪环路，驱使跟 踪环路做出相关地调整，以便跟踪下一个到达的数据包。如果能最探测器再次被 第四章时延捕捉效应 触发( 另一个数据包被成功跟踪) ，另一个解码器将被使能来锁定这个新的数据包 并对它进行解码。每个解码器都在逻辑控制电路的控制之下，这样的设计能够保 证解码过程是由数据包的成功被跟踪和相关解扩频来触发的。如果所有的解码器 都已被占用，那么接收机将拒绝而后的所有新到达的数据包，尽管这些被拒绝的 数据包中的一些完全满足被成功跟踪的条件，但是因为接收机没有多余的解码器 供它们工作，因而它们也不能被捕捉。 如果连续到达的两个数据包的到达时间之差小于最小捕捉时间z 乙，那么这 两个数据包都不能被跟踪环路成功的跟踪，同时匹配滤波器也不会生成自相关的 能量尖峰。在前m 个数据包捕捉模型中，如果发生这样的情况，跟踪环路将放弃 跟踪这个时隙内随后到达的所有数据包。然而在整体m 个数据包捕捉模型中，跟 踪环路将清除寄存器中的所有数据，等待下一个新的数据包的到达。 第五章前m 个数据包捕捉模型 第五章前m 个数据包捕捉模型 5 1 前m 个数据包捕捉模型的基本理论 前m 个数据包捕捉模型是指在一个时隙内所有共用一个扩频码的彼此竞争 的数据包中，接收机能够成功捕捉前历个到达的满足捕捉条件的数据包。由于 系统中数据包被相同的扩频码调制，如果几个数据包到达接收机的时间严格一 致，那么它们彼此之间会表现出很强的相关性，使数据无法正常地被接收。但是， 如果他们到达时间不是严格一致，那么它们彼此之间是准正交的。正是因为这种 特性以及特殊的接收机的结构，使得共用同一个扩频码的多捕捉a l o h a 系统成为 可能。只要给接收机足够的时间，记录下到达的数据包数据经过匹配滤波器后生 成的第一个相关能量尖峰的具体位置，那么这个数据包就能被成功捕捉。因为一 个数据包经过自相关解扩频之后所生成的能量尖峰的相对位置是不变的，记录下 其中第一个能量尖峰就能知道这个数据包随后出现的能量尖峰的具体位置，不会 和其它数据包的能最尖峰相混淆。 时延捕捉只取决于这些共用同一扩频码、在同一时隙被发送的、彼此竞争的 数据包的到达时间之差。相邻到达的两个数据包的到达时间之差必须大于一个最 小时间间隔，这样跟踪环路才能完成跟踪这两个数据包p n 码的操作，也才能生 成不同的相关能量尖峰。也就是说，为了区分相邻到达的两个数据包，它们的到 达时间之差必须大于这个最小时间间隔。定义这个最小时间之差为接收机的最短 捕捉时间( 简称捕捉时间) z 乙。对于给定的一个数据包，只有当它前后到达的 数据包与它的到达时间之差大于兄。，接收机才能够成功的区分识别并捕捉到 它。 曾经有人 2 7 大胆的假设相隔一个c h i p 的时间间隔就足以区分相邻的两 个数据包，也就是说：咒。= 疋。我觉得这样的假设过于乐观并且实现起来有现 实的难度。但是，这不妨可以看作为一个区分相邻数据包的最小理论极限。出于 实际考虑，在本文的研究中把乙。的值设置在几个c h i p 到几十个c h i p 之问。 第五章前m 个数据包捕捉模型 5 2 前m 个数据包捕捉模型的捕捉概率分析 5 2 1 捕捉概率的分析推导 在这一节中，主要是对前m 个数据包捕捉模型中的多数据包捕捉概率进行分 析推导和计算。 当有2 1 个数据包彼此竞争的时隙内，前1 1 1 个先到达的数据包被捕捉的概率 定义为只( 聊1h ) 。以前四个数据包中的第j 个为例，它若要被成功接收，必先 满足两个条件： i 第( i 一1 ) 个数据包已经被接收机成功的捕捉。( 此时i 1 ) i i 在第j 个数据包到达后的时间间隔咒。内，没有新的数据包到达。 在前m 个数据包捕捉模型中，如果接收机在捕捉某一个数据包的时候失败， 那么它将拒绝在这个数据包之后到达的所有数据包。 如图5 1 所示，如果。，：，。，a 4 丁乙，那么前四个到达的数据包可以被 接收机成功接收，其中a l = t o a 2 一t o a i ，a 2 = t o a 3 一t o a 2 ，a 3 = t o a 4 一t o a 3 ， 。= t o a ；一t o a 。第5 个和第6 个到达的数据包由于相隔时间太短( 小于丁乙) ， 接收机无法捕捉，以至于接收机拒绝第5 个及其以后到达的所有数据包。 捕捉糖提糖提搪捉 0 斧 担掰 图5 - 1 前m 个数据包捕捉模型中一个时隙内所有数据包到达时间在时间区间瓦上的示意图 在一个时隙内所有数据包的到达时间在区间( o ，l ) 上服从平均分布，并且所 有数据包的发送都是彼此独立的。用( r ) 表示在一个时隙内到达的数据包的总 第五章前m 个数据包捕捉模型 数，彬，e 表示每个数据包到达的具体时间。如果已知( r ) 啊，既的联合概率密度函数( p d f ) 可以表示为： 厂( 暇巩) = 硝( 1 ；t o ) “ 月，随机变量 ( 5 1 ) 式中n i 是一个时隙内r i 个彼此竞争的数据包的全| 4 b y u ，并且对于单独的每一个数 据包的到达时间在区间( o ，l ) 上的概率密度为1 t 。 本文首先来推导成功捕捉单一数据包的概率c 。( 1 ) 。这个概率描述的是在有 h ( 。2 ) 个数据包竞争一个时隙时，接收机至少捕捉到一个数据包的概率( 不 排除还能捕捉到后面的第2 个，第3 个) 。这也就是计算第一个数据包和第 二个数据包的到达时间之差大于z 瑚的概率。 捕捉 v 图5 - 2 第一个到达的数据包被成功捕捉的示意图 如果刀小于2 ，很明显有如下结论： = 0 ， c o ( 1 ) = 0 胛= 1 ，c 1 ( 1 ) = 1 如果 2 ，运用式( 5 1 )f ( w l 既) = n ! ( 1 1 2 ：) “ 则至少捕捉到第一个数据包的概率可以表示为： c 凛，= 参即0 w l + t e 矾a p 即甚 睁z ， “耽趵一1 ；鲁l k kt i d w 4 了c l 吲玑， ：旦耻? 印坠二塾二坠! d 砀 第五章前m 个数据包捕捉模型 瓦” 卸鲁，” 由于本文中前面定义过捕捉比率q = 孕，则上面这个表达式的结果可以简 h 化为： c 。( 1 ) = ( 1 一q ) ” ( 5 3 ) 下面要进一步推导在一个时隙内至少捕捉到前两个数据包的概率c 。( 2 ) ， 这就等价于求第二个数据包与第三个数据包的到达时间之差大于z 乙，且第一个 数据包与第二个数据包的到达时间也大于丁乙的条件概率。之所以说是条件概 率，是因为假设在一个时隙内数据包到达的总数1 2 为已知。 搪捉捕捉 图5 - 3 前两个到达的数据包被成功捕捉的示意图 如果1 7 小于2 ，很明显有以下结论：行= 0 ，c o ( 2 ) = 0 一= 1 ，c l ( 2 ) = 0 寺麓诜晚t 鹏u 扣t 0 阡i + r e a ；+ r c a p知 c s - a ， ”晚的阱卜1 ：鲁和赫l 赫k k 了c l 圳矾， ：兰铲a p 墅孥荨兰d 啊 2 可。1 i 厂q 第五章前m 个数据包捕捉模型 ( 瓦一2 瓦。) “ 瓦” 1 下 = ( 1 , 1 ，c a p ，) ” “ = f 1 2 q ) ” ( 5 5 ) 在多捕捉( 一个时隙内能够捕捉到不止一个数据包) 情况下，两个成功被捕捉 的数据包的到达时间之差应大于或等于捕捉时间z 乙，这样在一个时隙内的所能 下 捕捉数据包数目的上界就取决于捕捉比率的倒数1 q = 一。这个捕捉数目的上 界同时也受牵制于系统基站接收机中解码器的个数鼠如果定义在系统中一个时 隙内所能捕捉的数据包的最大数目为m 一，则m 。= r a i n ( 1 q ，k ) ，其中足是解 码器个数，口是捕捉比率。 与推导g ( 1 ) 和c 。( 2 ) 相似，可以用同样的方法得到g ( m ) ，也就是门个数据 包竞争一个时隙时，至少捕捉到0 1 个数据包的般表达式： e ( m ) = ( 1 一m q ) “，0 m s m i n ( m 一，h ) ( 5 6 ) 下面从另一个角度去定义另一种捕捉概率，只( 聊i m ) 被定义为刀个数据包竞 争一个时隙时，恰好有7 个数据包被捕捉到的概率，从g ( m ) 和只( 埘ln ) 的定义 中不难得到：c 。( 1 ) = 忍( 1 l 胛) + 只( 2 l 玎) + + 只( m 。i 一) ，其中 m 。= m i n ( n ，m 。) ，鸭为己知有7 个数据包被发送的情况下，系统在一个时隙 内所能捕捉数据包的最大数目。 同理， c 。( 2 ) = 乞( 2 i + 足( 3 i 力) + + 只( m 。i 甩) ( 5 7 ) 所以， 只( 1 in ) = c 。( 1 ) 一c 。( 2 ) ( 5 8 ) 这样就可以得到在一个时隙内有个数据包竞争的前提下，四个数据包被成 功捕捉的概率是： 只( mjn ) 2 c 。( 哟一巴仰+ 1 ) = ( 1 一m q ) ”一( 1 一( m + 1 ) q ) ”， ( 5 9 ) 其中1 所s a 一1 此步 ，p c ( m 。1n ) = c 。( m ) = ( 1 m 。- q ) ” 只( o i ”) = 1 一g ( i ) ( 5 - l o ) ( 5 1 1 ) 第五章前m 个数据包捕捉模型