（通信与信息系统专业论文）一种无线分组综合接入系统的研究.pdf

摘要 为了解决专用领域里图像、数据、语音等综合业务的通信需求，本文提出一种无线分组 综合接入网系统的方案，研究了系统m a c 层的协议，并设计了演示系统的硬件电路，最终 完成了硬件实现。 首先本文概述了本课题的背景及设计目标，提出了网络系统实现的总体结构，设计了具 体方案。 其次介绍了本系统的物理层关键技术直接序列扩展频谱通信技术。在详细说明了扩 频通信的理论基础之后，对直接序列扩频技术及系统作了介绍。之后给出了本系统选择直接 序列扩频技术的原因。 接着研究了本系统所采用的m a c 协议。从无线通信中最早使用的a l o h a 协议开始， 介绍了常用的m a c 协议时隙a l o h a 、c s m a 等并对其进行了分析。对目前应用很广 泛的无线局域网i e e e8 0 2 11 bm a c 协议也特别作了深入的讨论。在参考了现有的协议的基 础上，依据本系统的特点设计了本系统的m a c 协议。 最后详细介绍了系统中手持终端和接入点的硬件设计与实现。分别给出了手持终端和接 入点硬件的整体框图，并具体介绍了t r i s c e n de 5 等核心芯片的特点及在本设计中的应用。 又将各部分的接口设计作了详细描述。介绍了硬件p c b 板实现的一般流程及p c b 板设计中 应该遵循的原则，并对电路的调试过程进行了说明。 【关键词】分组无线接入网络直接序列扩频m a c 硬件设计 a b s t r a c t t os a t i s 母t h en e e d sf o rs u p p o r t i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e ss u c ha sv i d e o ，d a t aa n dv o i c ee t ci n s p e c i a la p p l i c a t i o n s ，t h ep a p e rp r o p o s e sap r i v a t ep a c k e tw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r kf o ri n t e g r a t e d s e r v i c e s af e a s i b l em a c p r o t o c o li sd i s c u s s e d ，a n dt h ed e m os y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d f i r s t l y , i tb r i e f l y i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c 埏r o u da n dt h et a r g e t ，b r i n g s u pt h ew h o l e a r c h i t e c t u r e ，d e s i g n e dt h e c o n c r e ts c h e m e s e c o n d l nt h es y s t e mp h y s i c a ll a y e r sk e yt e c h n o l o g y - - d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s s s ) i sd e s c r i b e d a f t e rt h es t u d yo nt h es p r e a ds p e c t r u mb a s i ct h e o r ya n dt h ed s s ss y s t e m ， t h er e a s o n sf o ra d o p t i n gd s s sa r e p r e s e n t e d t h e n ，t h em a c p r o t o c o li ss t u d i e d f r o mt h ep r i m a la l o h ap r o t o c 0 1 i ti n t r o d u c e sa n d a n a l y s e ss e v e r a lp o p u l a rm a cp r o t o c o l ss u c ha ss l o ta l o h a ，c s m a w l a n si e e e8 0 2 11 b m a c p r o t o c o li sg i v e ne x t r aa t t e n t i o nt o a tt h ee n d ，t h ed e d i c a t e dm a c p r o t o c o lw h i c h i sb a s e d o nt h ee h a r a c t e r i s t i co f t h e s y s t e mi sd e s c r i b e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a n d s e ta n db a s e s t a t i o nf a c c e s s p o i n t ) a r et h o r o u g hd i s c u s s e d i tp o r v i d e sd e t a i l e dh a r d w a r eb l o c kd i g r a m so fh a n d s e ta n da p a l s o ，t h ec o r ep r o c e s s o rt r i s c e t a de 5a n di t sd e v e l o p m e n tf l o w c h a r t sa r ei n t r o d u c e d l i k e w i s e ， o t h e rc h i p sa n di t sd e s i g no u t l i n ea r ei n t o r d u c e d t h ei n t e r f a c ed e s i g n sa r ei l l u s t r a t e ds e p a r a t e l y t h ep r o c e s st oi m p l e m e n tp c bf o r ma n dt h ep r i n c i p l e st ob ea b i d e di nt h ed e s i g no fp c b a r e p r o v i d e d t h ed e b u g g i n gp l a no f h a r d w a r ei sc o n c i s e l ys h o w n k e y w o r d s p a c k e t , w i r e l e s sa c c e s s ，n e t w o r k ，d s s s ( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) ，m a c ， h a r d w a r ed e s i g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：幺整丝日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可咀公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 旅叉趣 导师签名 i 血型蕴日期：澎叫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近几年来，随着无线通信和计算机通信在全球范围内的迅猛发展，采用无线手段提供话 音和数据业务的应用越来越多。无线通信具有建设速度快、方便、不受地理环境限制等优点， 尤其是无线通信特有的移动性，是较之于有线通信最大的优势。这使得无线通信弥补了有线 通信手段的不足，为用户提供了更加方便的服务。 无线通信已成为本世纪最具发展潜力的通信行业，其发展具有以下特点： 数据业务的大幅增长 虽然今天的数据通信业务量仅占无线通信业务量的小部分，但是无线数据业务的增长势 头迅猛，预计在今后的一段时间内会很快赶上甚至超过话音业务。同时数据业务的一个重要 特点是上下行业务是不对称的。 从传统的电路交换的核心网和接入网向全i p 分组网络演进 分组传输和交换能高效地利用宝贵的无线频率带宽，特别是对于数据业务，分组传输和 交换是理想的技术。无线接入系统作为无线通信网络的重要部分，因而分组传输是无线接入 技术发展的必然趋势。 t c p i p 技术已成为i n t e m e t 事实上的工业标准，它较好的实现了不同网络间的互联，将 来的网络必然是全i p 的网络。所以无线通信网络必然也是向全i p 分组网络发展。 1 2 本系统的设计背景及目标 最近，无线数据通信业务得到了迅速的发展，业务范围很广。如移动个人通信、计算机 辅助调度，自动车辆定位、舰队管理、远程数据库接入等。目前很多的移动数据业务通过 g p r s 来实现。 g p r s 是基于现有g s m 网络的一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线 分组接入服务。g p r s 的实现需要在g s m 网络中增加一些节点设备，使g s m 系统增加分 组交换的功能。g p r s 的主要目标是在用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移 动用户提供高速完善的数据业务。g p r s 利用2 0 0 k h z 带宽的g s m 话音信道，可以几个用 户共享信道，并通过对电路交换或分组交换的动态分配来提高频谱的利用率。g p r s 可以快 速的建立呼叫，与g s m 可同时使用，并可无干扰的共存。g p r s 支持广泛使用的i p ，x 2 5 协议，可以方便的与x 2 5 ，i n t e m e t 等网络进行互联。 在一些专业领域的特定应用环境下，数据业务的需求很大，同时对其它的业务如话音等 也有一定程度的需求；此外，不同数据业务的要求的服务质量( q o s ) 也有差异。如公安部 门为了更方便地打击犯罪分子，提高侦破效率，需要将布控现场的图像信息实时传回指挥中 心，指挥中心也需要远程指挥现场，现场工作人员也有查询远程数据库的需求等等。 g p r s 是通过占用g s m 的语音信道来传输数据，这势必给本已拥塞的g s m 带来更大 的负担，数据业务也会因语音业务而受到限制，实时性不能保证。不仅如此，g p r s 对共享 信道的用户数也有很大的限制，同时只能有较少的几个用户共享信道。上述问题以及专业领 域应用时安全性的考虑限制了g p r s 的应用。 针对一些特殊的应用需求，结合未来通信技术的发展趋势，本课题提出了- 1 0 e 无线分组 综合接入网系统的方案，并进行了系统的初期研究和开发。系统依托地面的有线宽带互联网 络，业务终端可以通过自行开发的无线网络终端( r n h t a d i o n e t w o r k t e r m i n a l ) 以分组 的形式接入到该小区的基站( r b s r a d i ob a s es t a t i o n ，也可称为接入点) ，业务的交换、 东南大学硕士学位论文 处理依靠有线宽带网络上针对特定业务专门配置的不同服务器。系统可以承载综合业务，如 视频图像、i p 数据报、话音等。当前设计中依据业务要求的q o s 分为i p 类型与非i p 类型， 目前的非i p 类业务主要针对视频部分的要求兼顾话音业务进行设计，实时性要求较高，相 比之下i p 类型业务对传输质量和时延要求较低。作者参与了该方案及系统的研究工作，完 成了硬件平台的设计与实现接入协议的研究。 1 3 本文各章节的主要内容 第一章简要说明了本课题的主要背景及目标。 第二章概述了系统的总体结构，设计了系统互联的功能结构。 第三章介绍了系统物理层所用的直接序列扩频技术。 第四章在对一系列传统的媒体访问控制( m a c ) 方法说明的基础上并进行比较提出了本 通信系统采用的m a c 方案。 第五章详细介绍了系统硬件平台手持终端及接入点的设计与实现工作。 第六章对系统实现和课题研究中的问题作简要回顾和展望。 2 第二章网络系统总体设计 第二章网络系统总体设计 本系统是根据对方的应用需求而提出，最终目标建成一个覆盖城区及郊区的较大范强 的、能够支持综台业务( 视频业务为主、兼顾数据和话音) 无线移动接入通信的专用蜂窝通 信网络。 2 1 网络系统的总体结构 本系统规划的网络结构方案如图2 - i 所示。 图2 1 系统典型结构图 如图2 】所示，系统将需要覆盖的范围分成蜂窝状小区，蜂窝小区覆盖半径在城区约 1 - 2 k m ，郊区约2 4 k m ，相邻小区采用不同的频率，具体基站架设规划须根据实验系统构 成后进行现场测试后确定。小区内需要移动或流动的业务终端利用无线网络终端( r n t ) 采 用无线方式接入到小区的无线基站( c l t 尼醚) ，所有的c l tr b s 依托地面有线宽带网络 ( 阡h ) 互联，同时在其中配备有专门的业务处理服务器i p 业务服务器( i p s e r ) 和 非i p 业务服务器( 鹕髓) 专门处理不同类型的业务并且通过该服务器实现该业务的 端到端互连，换而言之系统采用了集中业务处理和数据交换的方式。这里需要特别说明的是， 本系统采用集中的业务处理和数据交换方式是基于地面有线宽带网络有足够的传输带宽及 功能强大的专用服务器，因而可认为集中的业务处理和数据交换的与在小区的基站处分布处 理相比所需时延对业务基本不造成影响。通过i p s e r 、n i p s e r 、r n t 、c l tr b s 以及w a n 就可以构建个区域内全覆盖的、承载业务的终端可全网漫游的通信网络。 图2 一l 中有线网络部分的构建基于目前广泛应用的t c p i p 协议，而无线接入部分的终 东南大学硕士学位论文 端和基站设备及相应协议都是自主开发。在有线网络部分采用客户用务器( c l i n e t s e r v e r ) 结构，图中的小区无线基站作为有线网络上的业务服务器的客户端，因而在用c l r _ _ r n s 来 标识基站。 系统承载的业务类型主要依据业务要求的服务质量( q o s q u a l i t yo fs e r v i c e ) 分为 i p 类型与非i p 类型，目前的非i p 类业务主要针对视频部分的要求兼顾话音业务进行设计， 要求较高的q o s ，相比之下i p 类型的业务对q o s 要求较低。 2 2 系统功能互联结构 i p 类业务服务器 r n t 应用( a p p ) 层 适配( a d p ) 层 r l c 层 m a c 层 无线物理层 图2 2 协议互联功能模块示意图 为了开发方便，有线侧利用了t c p i p 协议，采用c l i e n t s e r v e r 结构 无线侧的协议自 行开发，与有线侧的t c p i p 协议在无线网络层完成互联。系统的协议互联功能模块示意图 如图2 - 2 所示。 应用( a p p ) 层对应着业务终端产生的业务，通过适配( a d p ) 层将业务以恰当的形式 导入到r n t 的r l c 层中对应等级q o s 的链路。 本系统承载的两类业务主要在整个通信网络的c l t _ r b s 的无线网络( w n l ) 层部分 4 第二章网络系统总体设计 进行业务分发( 实际上为了实现q o s ，在无线链路层就已经区别对待) ，来自同一小区内r n t 的多种类型的业务数据在c l tr b s 处汇集，利用有线网络的t c p f l p 协议将其传输到对应 i p 类业务服务器或者非i p 类业务服务器。 在网络中的i p s e r 和n i p s e r 承担着逻辑链路( 业务终端和对应的业务服务器端对端) 与物理链路( 由j w r 、c l tr b s 和s e r 组成) 相互映射的功能，来自c l tr b s 不同逻辑 管道的数据汇聚到相应的业务处理服务器，通过服务器中的适配( a d p ) 层适配成原始业务 数据，进而处理、交换。 2 3 无线接入部分的关键技术 本课题所研究的重点在于网络的无线接入部分，主要研究无线网络终端( r n t ) 和小区 无线基站( c l r b s ) 的网络通信问题。系统主要承载的业务以分组的方式传输，在系统 设计过程中，参照现有的t c p i p 协议的层次结构，按照功能c l tr b s 分为物理层、m a c ( 媒质接入控制) 层、r l c ( 无线链路控制) 层、w n l ( 无线网络) 层。r n t 可分为物理 层、m a c ( 媒质接入控制) 层、r l c ( 无线链路控制) 层、a d p ( 适配) 层、a p p ( 应用) 层。r n t 的a d p ( 适配) 层对应于有线网络上服务器中的a d p ( 适配) 层。c l tr b s 和 r n t 在r l c 层、m a c 层及物理层对等通信。见图2 - 2 。 物理层采用直接序列扩频传输技术，时分半双工( t i m ed i v i s i o nh a l f d u p l e x ) 工作方式 即接收机与发射机不同时工作。扩频技术在本文的后面将详细介绍。我们的系统中采用时分 半双工工作方式有如下几个优点： 1 、节省了宝贵的频谱资源。采用共享同一频段方式的时分半双工所占用的频带是频分双工 所占用的频带的一半。 2 、信道利用率得到了提高。由于上下信道共享同一频段。当上下行业务流量不对称时( 如 本系统中的视频采集业务基本上就是单向业务) ，系统可以灵活分配时隙给上下行信道， 提高了资源的利用率。而在频分双工时，当上下行业务流量不对称时，系统无法利用空 闲的资源。当然在类似话音业务中，上下行的通信流量基本对称时，时分双工系统并不 能体现出其优点。但是本系统中主要承载的业务( 如视频采集) 的一个重要特点就是上 下行业务不对称，时分半双工工作方式灵活分配上下行业务流量的优点就能充分体现出 来。 3 、节省了硬件资源。共用一个半双工的正交调制解调器。省去了频分取工器，手持终端尺 寸大大减小、成本降低。 4 、无线收发信机不会同时工作，电源消耗更低。 虽然时分双工系统也有诸如只支持慢速移动终端等缺点，但在本系统的实际应用中基本 不会出现终端高速移动的情况。 因为本系统是个专用网络，系统的m a c 层、r l c 层、适配( a d p ) 层、应用( a p p ) 层需要自主设计，下面分别介绍各层的功能。 东南大学硕士学位论文 l 、实现r v t 的无线接入和位置登记 2 、实现业务信道的建立与释放 3 、实现上层数据的收发 4 、实现m a c 信道的流量控制 5 、实现r n t 的信号强度检测 6 、实现r n t 在网络不同小区之间的漫游 7 、实现不同传输级别的m a c 信道 1 、实现传输数据的拆分和组装，以及a r q 差错控制 2 、实现适配层c a d v ) 数据收发 3 、实现不同级别q o s 的链路 1 、实现应用层的业务区分及适配，对应不同q o s 的链路 1 、实现业务的分发功能 2 、实现对小区内j ，v r 的管理功能 i 、实现r n t 业务类型在服务器处登记( 分为i p 、v i d e o 和v o i c e ) 2 、实现点播业务( 被动) 、突发业务( 主动) 以及终端寻呼( 回应) 本文重点讨论了系统的物理层和m a c 层，对r l c 层也有涉及，适配层和应用层未作 讨论。后面的章节将对这些工作有个详细的介绍。 6 塑三童皇垫宣型芏塑垫查堕垄 第三章直接序列扩频技术原理 3 1 扩展频谱通信的基本概念 所谓扩展频谱通信，可用以下三点简单描述：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信 号所占有的频带宽度远大于所传输信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过扩频序列( 通常 情况为伪随机序列) 编码及调制的方法来实现的，并与所传输的信息数据无关：在接收端则 用相同的扩频码序列进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。因此，扩额通信系统必须满 足两条准则：一条是传输带宽远远大于被传输原始数据的带宽；另一条是传输带宽主要由扩 频码决定。为了对扩频系统有个清晰的了解，下面先介绍扩频通信技术的理论基础。 3 1 1 扩频通信技术的基本理论 扩频通信的理论依据是信息论中的香农( s h a n n o n ) 公式，它可以表示为 c = b l 0 9 2 ( 1 + s n ) 一。( 1 ) 式中c 是信道容量，b 是信道带宽，是噪声功率，s 是信号功率。香农公式表示了一 个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之 间的关系。 令c 是希望具有的信道容量，即要求的信息。将上式换成以e 为底的对数 c b = l ，4 4 1 n ( 1 + s 1 ( 2 ) 对于干扰环境的典型情况，s n 1 ，将上式用幂级数展开，略去高次项得 c b = 1 4 4 s ( 3 ) 香农公式给出了信息的极限传输速率c ( 即信道容量) ，从理论上说明了信息传输速率 可以达到或接近信道容量的数值而错误率接近于零，即几乎是无误、高速地传输信息。由上 式可以看出：对于一定的信道容量c 来说，带宽b 、传输时间r 和信噪比s n 三者之间可以 相互转换。若信道带宽增加，可以换来对信噪比要求的降低，反之亦然：如果信噪比不变， 那么信道带宽的增加可以换取传输时间的节省等。 柯捷尔尼科夫在其潜在抗干扰理论中得到如下信息传输差错概率公式： 厂f 、 只兰f i 二l ( 4 ) ” in j 该公式指出；差错概率b 是信号能量e 与噪声功率谱密度n 。之比的函数。设信号频带 宽度为b ，信息持续时间为t ，信号功率为p = e t ，噪声功率为n = b n o ，信息带宽为 f = 1 t ，则上式可化为： r 兰f ( 导乃) = f ( 昙卦 从上式可知，差错概率只是输入信号与噪声功率比p n 和信号带宽与信息带宽比 b a f 二者乘积的函数。也就是说，对于传输一定带宽f 的信息来说，信噪比与带宽是 可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的提高这一客观规律。 7 东南大学硕士学位论文 总之如果我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息，就是 为了提高通信系统的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱 通信技术的基本思想和理论依据。 3 1 2 处理增益与抗干扰容限 扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱。在收端解扩后恢复了所传信息，这一处理过 程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入信号的信噪比大有改善，从而 提高了系统的抗干扰能力。因而，我们可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征 扩频通信系统的抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频通信系统的抗干扰能力都大体上与扩 频信号的带宽与所传信息带宽之比成正比。一般把扩频信号带宽口与信息带宽之比f 之比 称为处理增益g 。，即 g 。= b ，世( 6 ) 它表示了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外扩频系统其它的一些性能也大都与 g 。有关。因此，处理增益是扩频系统一个重要的性能指标。峦v s v 碳t y 扩频系统的处理增 益，还不能充分地说明系统在干扰环境下的工作性能。因为系统的正常工作还需要保证输出 端一定的信噪比，并需扣除系统其它一些损耗。由此引出抗干扰容限m ，的概念，其定义如 下： 蚂鸣悯。q 式中( 嘉 。= 输出端的信噪比舻系统损耗。 骱，一个系统的g ，为，。m 卧。为b ，l s 为2 d b , 删，舢慨它 表明了干扰功率超过信号功率1 8 d b 时，系统就不能正常工作，而在二者之差不大于1 8 d b 时，系统仍然能正常工作，即信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。 3 2 直接序列扩频谱技术简介 图3 - 1 直接序列扩频信号的功率谱 所谓直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 就是直接利用高速率的伪 随机码序列在发送端调制载波，从而扩展信号的频谱。而在接收端用相同的伪随机码序列去 8 第三章直接序列扩频技术原理 进行解扩，粑展宽的频谱信号还原成原始的信息。由直接穿列扩频方式构成的系统称为直接 序列扩频系统，它是最典型的扩频通信系统，我们设计的系统中目前就采用了这种扩频方式。 扩频信号的典型功率谱如图3 - 1 所示。此功率谱的主瓣带宽( 零点到零点) 是作为调制信号 的伪随机序列的速率舶的两倍，每个旁瓣带宽等于配。 直接序列扩频系统原理框图如图3 - 2 所示。原始信号( 或称为信码) 可以认为是二进制 的随机序列。用以对载波进行反向键控，即二进制“0 ”码对载波无影响，而1 码将使载 波相位改变1 8 0 度。这个过程可用相乘电路或者平衡调制器实现。已调信号随即进行第二次 调制，用发送设备中产生的一伪随机序列再次进行反向键控。此伪随机序列的速率一般远高 于信码速率a 这次调制就起着扩展频谱的作用。由于信码和伪随机序列都是二进制，而且是 对同一载波进行反向键控，所以调制器可以摘化为图3 - 3 所示，即先将两路编码序列模2 相 加，然后再进行反向键控。已调信号可以直接传输或者经过上变频再送入信道传输。 图3 2 直接序列扩频系统原理框图 普通 调器 图3 - 3 简化的直接扩频调制器框图 在接收端，先用与发端同步的相同的伪随机序列去反向键控本振，然后再用此已调本振 去混频，就得到与窄带的仅受信码调制的中频信号。它经过中放后就可进入普通的移向信号 解调器解出信码a 上述过程用图解方法示于图3 5 中。图中的图形在前面两图中所处的位置 已用各图形的编号标明。可以看出，在收发两端的伪随机序列产生正确同步时，接受到的所 需信号经混频后( 就恢复出仅受信码调相的窄带中频信号。而非所需的干扰信号( ) ， 经混频后仍然是宽带信号，因为它与接收机中的伪随机序列不相关( 或者说相关性很小) 。 这个宽带中频干扰信号经过中频放大器的带通滤波器滤波之后，输出的干扰相对信号电平是 很小的。 9 面羽莉骊丽胥翱飘r ， 厂、 面稠莉孺嘱蓓羽积r ， 1l 砖波器通带 阿 窄带干扰厂、 窄带干扰频 aj ：1 谱被展宽 f1j ：ll“少“ j 磊磊赫，氟急静 图3 - 4 扩频和解扩前后的信号频谱 图3 - 4 所示的扩频和解扩后的信号频谱示意图表现了所需信号和干扰信号在频域中的 这种变化。 0 l 1 ( a ) ： ! 产： ： ! ：h ! ：h ! ： 厂 厂厂 广 厂 厂 巾 10l01110 010i11100110000l1 ( c ) 7 c07 【0 兀兀7 c00 冗0 ，c 丁c7 【兀007 亡7 c00 00 兀兀 ( d ) 兀07 【07 1 ：7 c 兀00 兀0 ，【0007 亡兀00 兀7 【耳7 c0 0 ( e ) 0 00 0 0 0000 0 00 兀兀7 【冗氕7 1 ：兀7 1 ：丌兀7 c 兀7 【 ( f ) 殳厂r 一( g ) 兀7 c7 1 ：00 丁c0 兀000 氕7 c00 兀7 【7 【00 冗0 兀7 co ( h ) 0 兀00 兀07 【兀0 7 c 007 c0 0 0 07 亡0 兀0 兀07 【0 ( i ) 图3 - 5 扩频信号的传输图解 ( 口) 原始信码：( 6 ) 伪随机序列：( 。) 发送序列；( d ) 发送载波相位；( 8 ) 混频用本搌相 位：中频相位；( g ) 解调信号：( ) 干扰信号相位：( f ) 混频后干扰信号相位； 3 3 采用直接序列扩展频谱通信技术的原因 很强的抗干扰能力 由于将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复 成窄带信号。对于干扰信号而言，由于与发送端扩频用的伪随机码不相关。则仍然被扩展在 很宽的频带上，只有带宽很窄的部分干扰信号通过带通滤波器，干扰功率大大降低，相应增 加了相关器的输出信号干扰比，因而具有很强的抗干扰能力。其抗干扰能力与其频带的扩 展倍数成正比，频谱扩展的越宽，抗干扰能力越强。 1 0 苎三里皇董壁型芏塑丝查堕望 一 对于我们的系统，由于覆盖范围较广，存在着相当程度的干扰，为了保证数据在传输过 程中的可靠性、降低误码率，采用扩频技术是非常好的一个选择。 安全保密性强 由于扩频系统将要传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率谱密度随之降低，信号可 能淹没在噪声中，因而保密性强。要在空中截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的，除 非采用与发端所用的扩频码并且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号是无能为力的。 由于我们的系统是行业专用网络、安全性、保密性要求非常之高。在无线信道上防止截 获和侦听的需求就非常强烈了，采用扩频技术正是适应了这个需要。 可进行多址通信 扩展频谱通信技术本身就是一种很好的多址通信方式，称为扩频多址( s s m a _ s p r e a d s p e c t r u mm u l t i p l e a c c e s s ) ，用不同的扩频码组建不同的网。目前移动通信领域的研究热点一 c d m a ( 码分多址) 移动通信系统，也是扩频通信技术。虽然扩频系统占用了很宽的频带， 但是很多用户能够同时共用同一频段，其频谱利用率非常之高。 我们的系统今后扩展时，完全可必利用扩展频谱技术的特点，利用扩频码的正交性，扩 大网络容量。 抗多径干扰 在移动通信、室内通信等环境下，多径干扰时非常严重的，系统必须具有很强的抗干扰 能力，才能保证通信的畅通。扩展频谱通信技术具有很强的抗多径干扰的能力，它利用扩频 所用的扩频码的相关特性来达到抗多径的目的，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。 我们的系统在城市等多径干扰现象比较严重的地区都有应用，扩频技术的这一特点可以 将多径干扰降低到最低的程度。 东南大学硕士学位论文 第四章系统m a c 协议研究 无线网络系统中的节点通过占用系统无线资源来实现互相之间的通信。当多个节点需要 访问共享型无线资源的时候，必然会产生数据包之间的碰撞，从而导致通信失败。为了有效 地避免碰撞，提高系统整体的信息吞吐量，获得最大的通信效率，需要有某种机制来合理分 配信道。这就是网络中的媒体接入控制( m a c ) 技术。m a c 子层位于数据链路层的底层， 专门负责无线节点的资源共享。m a c 技术对于本课题所研究的网络而言是非常重要的，直 接关系到系统性能和业务支持。 4 1m a c 方法分类 固定分配类： 固定分配方法是将一个固定容量的信道分成若干个相互独立的子信道，每个子信道都以 固定方式分配给一个或多个用户节点使用，这种技术又称为复用技术( m u l t i p l e x i n g ) 。常 用的复用技术手段；频分多址( f d v - a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 、空分多址( s d m a ) 几种。 随机竞争类： 随机竞争类多址访问方式应用的传播媒体一般都是广播式信道，连接在同一广播信道上 的节点都可以向信道发送信息，若某节点有信息要发送，它将以某种方式竞争信道的使用权， 在得到信道使用权后将信息发送出去；所有的节点都可以接收任意主机的消息。若检测出是 发给自己的就接收下来，否则丢弃。这类方法的典型有a l o h a 、c s 姒等。这种方式不可避免 地会发生信道中多个帧信息的碰撞。所以各种随机信道多址访问方式就是要研究如何避免碰 撞的发生，尽可能地提高系统的吞吐性能和延时特性。 一按需分配类： 这种方式的基本原理是网络按某种循环次序询问每个节点是否有数据发送，若有数据， 则立即发送，否则网络转向询问下一个节点。依照询问方式的不同，这种方法又可分成集中 式和分布式控制两种类型。集中式控制中需要中心节点完成对其他节点的询问控制过程；而 在分布式控制中，每个节点都有责任按某种确定的规则对询问控制过程进行管理。这种类型 协议特别适合于环形网络拓扑，常见的有令牌传递多址接入，查询选择多址接入等。由于此 方法可以保证网络最大传输延时的要求，故适用于对时延要求高的实时性能好的网络业务环 境。 4 2 常用的基本多址接入控制协议 4 2 1 纯a l o h a 纯a l o h a 是2 0 世纪7 0 年代初夏威夷大学为使地理上分散用户能够通过无线电来使用 中心计算机而设计的，是随机竞争类多址协议中最简单最典型的例子。 图4 1 表示一个a l o h a 系统的工作原理。所有的终端站点使用相同的频率在一个无线电 通道上广播数据帧，因此以相同的频率同时广播的两个不同数据帧将遭到破坏。协议允许每 个站点在任何时刻独立地发送报文，如果当源站点向目的站点发送报文时信号发生碰撞，各 站点只需等待一段随机时间后重试。 1 2 笙婴至墨竺! 竺璺塑塑墅窒 一 发送成功 一 习当囤一 发送成功 图4 一la l o h a 工作原理 冲突的检测相当容易。如果一个站点收到确认，它将认为它的帧已经传送成功。否则， 它假定发生了一次冲突。于是等待重传。由于每个站点等待的时间是随机的，所以两个或两 个以上站点等待相等时间的机会很小，从而也就降低了发生第二次冲突的概率。如果真的发 生第二次冲突( 很可能是和另个站点) ，站点还是应用相同的规则：等待随机时间以后重 传。a l o h a 协议的优点是其简单性。它在系统负荷不大的情况下工作得很好，但如果一个站 点频繁地进行广播，或者有很多个站点的话，随着通信量的增大碰撞的可能性也越大，甚至 出现“雪崩”现象，使整个网络无法正常工作。 设e 为第i 帧，令鼻成功传输的概率为只，由图示可以知道只就是“在e 存在的条 件下，在f 的冲突窗口2 t 内无其它帧开始发送”的概率。由泊松公式可以得到 只= p o ( 2 t ) = e “= e “( 1 ) 由吞吐量定义，理论上可以得出 s = g 只= g e “( 2 ) 求导容易求得上式的吞吐量最大值为当g = 0 5 时，s = 0 5 e = 0 1 8 4 。 纯a l o h a 随机访问协议是分布式控制的极限形式。虽然它有效地允许每个子站彼此独立 地进行操作，可是它的吞吐特性很差。它是后来其他协议的研究基础。 4 2 2 时隙a l o h a 由纯a l o h a 协议的分析可以看出由于每个站都是把产生的帧随机的发送出去，因而 从时间轴上来看每帧发送的时刻是任意的。这样导致纯a l o h a 的碰撞窗口是2 t 。如果使该 碰撞窗口减小，必然使吞吐量得以改善。由此提出了时隙a l o h a 的概念：即限制帧的发送时 刻。虽然帧的产生时随机的，但仅在某些特定时刻才允许被发送出去。为此，信道被按帧长 t 为单位分为一个个时间段，并且每帧的发送时刻被限制在每个时间段的起始时刻。这些时 间段就叫时隙。时隙a l o h a 的工作原理如图4 - 2 ： 东南大学硕士学位论文 兰il 隧鞋凋| | l 图4 2 时隙a l o h a 工作原理 用纯a l o h a 协议相同的分析方法，显然，此时的f 的冲突窗口为一个帧长t 。有 只= 岛( r ) = e “7 = e 一一( 3 ) 由吞吐量定义，可得到时隙a l o h a 的吞吐量公式： s = g 。一( 4 ) 上式当g = 1 时取到最大值s = 1 e = 0 3 6 8 成功传输的最大比率大约是每时隙o 3 6 8 帧。也就是说大约3 7 的时闽用在成功的传输 上。剩下的是冲突或者空闲的时间，但是其吞吐量确实比纯a l o h a 提高了一倍。这种系统 性能上的提高，其代价是要求系统中的所有主机的发送操作都必须同步于统的时隙定时， 从而限制了发送的随机性，并且需要网同步技术，增加了帧时延和主机控制机制的复杂性。 4 2 3c s m a 协议 前面的两种a l o h a 协议，吞吐量最大不过3 6 8 ，主要的原因是主机发送信息是完全盲目 的，所以发生碰撞冲突的概率较大。为提高系统的信道利用率，在a l o h a 协议的基础上提出 c s m a 。它的思想是如果主机在发送前可以知道其他主机的动作从而调整自己的行为，来获 得大大高于3 6 8 的利用率。它与a l o h a 的主要区别就是多了载波侦听装置。这样每个站都能 在发送数据前监听信道上其它站是否在发送数据。如果在发送，则此站就暂不发送数据从 而减少了发生碰撞冲突的可能，从而提高了整个系统的吞吐量。 c s m a 采用了三种不同的访问策略，非坚持c s ) ，i a ( n o n p e r s i s t e n tc s m a ) 、p 坚持 c s m a ( p - p e r s i s t e n tc s m a ) 、1 一坚持c s h a ( 卜p e r s i s t e n tc s m a ) 。 非坚持c s m a 的基本原理就是当一个帧到达某个站准备发送时，该站即开始监听信道。 所谓“非坚持”( n o n p e r s i s t e n t ) 的意思就是一旦监听到信道忙( 即发现有其它站在发送数 据) ，就不再坚持听下去，而是根据协议的算法延迟一个随机时间后重新再监听。若进行载 波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发出去。但是非坚持c s m a 存在一个明显的缺点， 这就是一旦监听到信道忙则马上延迟一个随机时间再重新监听，但很可能在再次监听之前信 道就已经空闲了。也是说，非坚持c s j i i a 不能把信道刚变成空闲的时刻找出。这样就影响了 信道利用率的提高。为了克服这一缺点，研究人员提出了坚持( p e r s i s t e n t ) c s m a 。 坚持c s m a 的特点是在监听到信道忙的时候，仍坚持听下去，一直到信道空闲为止。这 1 4 第四章系统m a c 协议研究 以后又有两种不同的策略。一种是旦听i 日信道空闲就立即发送数据。这种策略就是抓紧一 切有利时机发送数据。但若有不止个站在同时监听信道则一旦信道空闲就会导致这些站 同时发送帧而发生冲突，降低了吞吐量。因而有了一种折衷的策略，这就是当听到信道空闲 时，以概率p 发送数据，而以概率( 卜p ) 延迟一段时间t ( 端到端的传播延时) ，重新监听 信道。这个策略称为p 坚持c s m a ，而前一种则可称为1 坚持c s m a ，因为它在监听到信道空 闲时，以概率l 发送数据，是p 坚持的一种特例。 如前所述，所有的时隙型协议也都可以加以考虑，只需要将时间量化为时隙( 每个时 隙的宽度为t 秒) ，并对各站进行同步，使传输只在时隙的始端开始即可。载波监听机制 在相当程度上减少了各站发送数据的盲目性，提高了信道的利用率和整个网络的吞吐量。 c s 舭协议的冲突情况和性能分析 冲突情况一两个站点同时发送 如果两个( 或两个以上) 站点几乎同时需要发送。就会发生冲突。假若当前没有活动， 所有站点都会以为此时发送是安全的并开始传输，结果当然是发生了碰撞。然而，这神冲突 一般很少发生，因为从一个站点检测到没有活动到它所传送的帧到达其他的站点只有很短的 时间延迟。只有另一个站点决定在这段时间内发送帧才会发生冲突。由于这段时间间隔很小， 所以第二个站点在这段时间内发送一帧的可能性也很小，但冲突还是可能发生，c s m a 的各种 变形尝试通过减少冲突发生的次数来提高效率。但冲突问题仍末解决，特别是矿坚持csma 。 例如，考虑p = 1 的情况。如果两个( 或两个以上) 站点在另一个帧正在传送时准备就绪， 它们都将等待。但由于p = 1 。所有的站点都会在第一个帧传送完毕时开始发送，从而导致 冲突。陡着发送站点的增多，这种情况也会更加频繁，冲突问题也将愈发严重。 二二二一 笙 一一一 * 女 图4 - 3 传播延时对载波监听的影响 冲突情况二信号延时 由于信号在信道上的传播速度有限，采用载波监听并不能完全消除冲突。为了很好地说 明这个问题，我们用简单的示意图来说明。图4 3 中a ，b 两个终端进行通信，a 向b 发出的信 息帧要延时t 秒后才会到达b ，而b 在这段时间内检测不- i j a 所发送的信息，它会向a 发出信息 帧，则两个帧必然发生冲突。冲突的结果是掰个帧都无效。从图中我们可以看出，在a 看来， 只有当它发完帧后再经过两倍的传播延时( 2 t ) ，才可能收到b 发回的确认信息。我们可以让 一个站收到正确的帧后立即响应一个确认帧a c k 。因此在帧发送完成后，要经过2 t 后才能确 定对方是否发回确认帧a c k 。如果收 i t j a c k ，则此次发送成功结束。如果未收至i j a c k ，表明本 站发出的帧和其它站发出的帧存在冲突，就要延迟一个随机时间，然后重新进行载波监听。 减少冲突的方