ＭＡＣ層的自適應擴展頻譜技術研究
2008-04-12 00:00:00穆宏濤
現代電子技術 2008年9期
摘 要：以往的擴展頻譜技術都是以固定的擴頻比進行通信，系統將所有節點同等看待，勢必造成無線帶寬資源的分配不合理。特別是在高干擾的情況下，平均分配帶寬資源很有可能使所有節點都無法正常通信，所以引入擴頻比的自適應調節技術是非常必要的。介紹了自適應擴展頻譜技術的概念，指出其在高干擾情況下的優越性，提出基于自適應擴頻技術的多址接入協議，并描述其在MAC層的實現。
關鍵詞：MAC層；自適應；擴展頻譜技術；多址接入協議
中圖分類號：TN919.3 文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2008)09-029-02
Research on Adaptive Spread Spectrum on MAC Layer
MU Hongtao
(Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)
Abstract：Former spread spectrum system always work with a fixed coefficient，and all the nodes are equalization，it must be avoidless that the distribution of the source of wireless bandwidth is improper.Especially，in the case of the interference is severe，any node couldn′t communicate，if the source of the wireless bandwidth is alloted averagely，so it is necessary that the coefficient of each node in the spread spectrum system adapts itself to its wireless communication circumstance.This paper introduces the concept of adaptive spread spectrum technology，then it presents the advantage in the case of the interference is severe，and it introduces the multiple access protocol for adaptive spread spectrum，then it describes its implementation in the MAC layer.
Keywords：MAC layer;adaptive;spread spectrum;multiple access protocol
干擾信號對于無線通信系統是非常嚴重的威脅，特別是在軍用通信中，僅依賴擴頻系統所固有的抗干擾能力是不夠的。在無線網絡中，處在不同位置的節點可能具有不同的信噪比，因而所需的通信資源必然存在著相當大的區別，在高干擾環境的情況尤為如此。例如在戰場通信中，有的節點可能受到強干擾信號的壓制，而有些很可能信道情況很良好，如果將各個節點等同看待，必然造成嚴重的信道資源的分配不合理。針對這一問題，本文研究的重點是如何在MAC層為系統內的節點自適應地分配擴頻比，使系統根據每個節點所受干擾的不同，自適應地調整每個節點的擴頻系數從而達到無線帶寬資源的合理分配。
1 自適應擴展頻譜技術
在介紹這個協議前，先講述在本系統中所要用到的多址技術的選擇和相應幀的結構。
考慮到FDMA、CDMA體制下業務信道帶寬的變化，涉及到一些硬件的控制，實現難度大，下面就以TDMA系統進行分析[2]。
圖1是幀的結果圖，式(1)是幀的表達式:
式中：N為一幀內的CHIP的總數；T為幀周期；T0i為第i個時隙的時間長度；Ki為第i個時隙內的擴頻系數；RSi為第i個時隙內的信源速率；Mi為第i個時隙內的信息復接壓縮比，即信息經復接后速率Rmi與信源速率RSi的比值。
根據設定，有:
Rt=KiMiRSi
(3)
式(3)清楚地表明，對于某一業務RSi而言，根據不同的需要變化Ki，Mi，使滿足式(3)，在此基礎上包含了T0i的變化并使式(2)成立。系統設計的目的，就是對Ki，Mi，T0i合理取值，去匹配RSi。由式(2)得出：
(1) 若Ki=1，Mi=1，T0i=T時，RSi=Rt=RSimax。表示該系統的全部資源分配給該業務，與之匹配的業務速率最高；
(2) 若Mi=1，T0i=T，Ki=Kimax時，RSi=RSimin。表示該系統的全部資源分配給該業務，與之匹配的業務速率最低，但是此時抗干擾能力最強，或為該業務提供的傳輸距離最遠；
(3) 若Ki=1，Mi=Mimax時，N=Nmax。此時允許同時接入的用戶數量最多。
上述三點是系統資源分配的極端，絕大部分情況下資源分配是在這些極端之間進行變化的。
作為一種新型的無線接入通信系統，已經:
(1) 沒有信道數的概念，可以僅有一個信道，傳輸高速率業務；也可以有很多信道，傳輸低速率業務。
(2) 沒有抗干擾能力的硬指標，系統給出一個彈性范圍。當對抗干擾要求不高的時候，降低Ki值，把資源分配給更多的用戶開展業務；當對抗干擾要求較高的時候，提高Ki值，降低Mi值，多占用一些時間資源，相對減少接入用戶的數量，保障重要業務的通信。
(3) 沒有系統覆蓋范圍的硬界限，系統覆蓋范圍是一個彈性的區域。調整Ki，Mi，T0i的值，關鍵在于調整了擴頻處理增益，也就調整了通信距離。
各節點的通信擴頻比將由控制中心按照在媒介接入控制層(MAC)所設計的基于自適應擴頻技術的多址接入協議(ASMAC)來調整，控制中心是整個網絡的中心，負責為每個要發送信息的移動臺分配資源，任何一個移動臺有信息要發送時，要想控制中心發出接入申請，若有多個移動臺同時提出接入申請，會發生碰撞，控制中心提供相應的碰撞解決方法。因此就需要在MAC層上引入相應的多址接入協議。
2 基于自適應擴頻技術的多址接入協議介紹
基于自適應擴頻技術的多址接入協議(ASMAC)，他是在媒介接入控制層(MAC層)上的多址接入技術。在多址協議中，當發生碰撞時，整個分組都被毀壞。如果分組較長，這樣信道的利用率就很低。因而在本系統中使用了預約多址協議。
當數據分組較長時，我們可以在數據分組傳輸前，以一定的準則，發送一個很短的預約分組，為數據分組預約一定的系統資源。如果預約分組傳輸成功，則該數據分組在預約到的系統資源(頻率、時隙等)內無沖突地傳輸。由于預約分組所消耗的信道容量很少，因而系統效率很高。
一種基于時隙的預約多址協議如圖2所示。他采用與TDMA類似的幀結構。在一幀當中有一個預約的區間，該預約區間有m個小的預約時隙(圖2以m=4為例)，每個節點固定分配一個預約時隙，一幀中的其余部分均為數據分組的傳輸時隙(時隙的長度等于每個分組的長度)。在當前幀結尾處傳輸的預約分組將用于預約下一個幀中的數據分組傳輸時隙。也就是說，在當前幀中進行預約的分組在下一幀中才能進行傳輸。
圖2 基于時隙的預約多址協議
每幀的數據區間有m個分組，而這些分組的包頭都設有0或1代碼，其中0表示該幀的傳輸完畢，也就是說這個分組是該幀的最后一個分組，否則代碼設置為1，即后面還有分組需要傳輸。
每幀結尾處設立的預約時隙又被稱為MiniSlot，而在自適應變比擴頻協議中，他實現了多個方面的功能，其中不僅包含了節點的編號和他在下一幀中業務傳輸的申請，并將該節點自己的信道情況以及所需要的擴頻比信息一起發送給中心站。
在本文采用的預約多址協議中，將預約區間設置在每幀的幀頭，如圖3所示，如果在第i-1幀時間段出現了數據業務，則此次業務的預約請求將被放置在第i幀中進行發送，經過中心站的判斷后，如果幀中還有空閑時隙未被分配，那么此業務將在第i+1幀中進行傳輸。也就是說，一個業務的出現到其傳輸最少需要經過3個幀周期。
圖3 業務在每幀中的預約與傳輸
3 結 語
變比擴頻技術的采用增加了系統對環境的適應能力。在軍用通信中，平時降低擴頻比，增大用戶的容量；戰時增大擴頻比，減少用戶容量，提高抗干擾能力，保障基本用戶的通信，系統資源得到合理應用。此時系統資源在用戶的不同需求下，能夠合理地與用戶的業務匹配，增強了系統的靈活性、機動性和對戰場環境的適應能力。
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作者簡介 穆宏濤 男，1981年出生，石家莊市人，碩士研究生。主要從事無線網絡的研究。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
