（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）高速無線接入系統(tǒng)的多址協(xié)議研究.pdf

摘要 t 隨著移動(dòng)通信和i n t e r n e t 的迅速增長，為個(gè)人提供高速接入i n t e r n e t 和其它 通信業(yè)務(wù)的“最后一公里”問題已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，無線接入技術(shù)的研究成 為熱點(diǎn)。本文首先回顧了無線接入的概念、發(fā)展?fàn)顩r及其關(guān)鍵技術(shù)，接下來闡 述了各種多址接入?yún)f(xié)議并指出了當(dāng)前的研究所面臨的技術(shù)問題，進(jìn)而介紹了仿 真的方法、各種業(yè)務(wù)源的建模及無線差錯(cuò)信道的建模，最后詳細(xì)介紹了用于無 線i n t e r n e t 接入的依賴用戶數(shù)目完善安排分組傳輸?shù)亩嘀方尤雲(yún)f(xié)議( t j s e r - d e p e n d e n t p e r f e c t s c h e d u l i n gm u l t i p l ea c c e s s 一u p m a ) 并將其應(yīng)用于無線a dh o ci n t e r n e t 接 入，建立了類似于w w w 應(yīng)用的業(yè)務(wù)源模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真分析了其性 能。 一一 關(guān)鍵詞：無線接入。多址接入自組織自相似 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di n t e r n e t ，t h e l a s tm i l e q u e s t i o nw h i c ho f f e rh i g hs p e e da c c e s st oi n t e r n e t a n do t h e rc o m m u n i c a t i o ns e r v t e e s f o ri n d i v i d u a lh a sb e e nr e c e i v e dw i d ea t t e n t i o n t h er e s e a r c h e so nw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g yb e c o m e h o tt h i sp a p e rf i r s tr e v i e wt h ec o n c e p t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e c r i t i c a lt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sa c c e s s t h e nv a r i o u sm u l t i p l ea c c e s s p r o t o c o l s a r e e x p l a i n e d a n dt h e t e c h n o l o g i cp r o b l e m s c o n f r o n t e di nt h ec u r r e n tr e s e a r c ha r e p r o p o s e d f u r t h e rt h em e t h o d so fs i m u l a t i o n ，t h em o d e l i n go fe a c hk i n d so ft r a f f i c s o u r c e sa n dt h em o d e l i n go fw i r e l e s se r r o rc h a n n e la r ep r e s e n t e d f i n a l l y u s e r d e p e n d e n tp e r f e c t - s c h e d u l i n gm u l t i p l ea c c e s s - - - u p m aw h i c hi s u s e df o rw i r e l e s s i n t e r n e ta c c e s si s p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e da n da p p l i e df o rw i r e l e s sa dh o ci n t e r n e t a c c e s sb a s e do nt h et r a f f i cm o d e l ss i m i l a rt ot h ew w wa p p l i c a t i o n s t h e p e r f o r m a n c e o fu p m ai sa n a l y z e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s w i r e l e s sa c c e s s m u l t i p l e a c c e s s s e l f - o r g a n i z i n g s e l f - s i m i l a r 創(chuàng)新性聲明 砭o s 2 a 8 本人聲明所旱交的論文是我個(gè)人z i 導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中加以標(biāo)注和致謝叫 所羅2 , j f l j 內(nèi)容以外論文巾不 包含其他人已經(jīng)發(fā)衷或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技入學(xué) 或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 同工作的同志對 i 研究 所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意n 本人簽名：輛堪( 韋 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完傘了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué) 校有權(quán)保留送交論文的復(fù)f u f 牛，允許查閱和借閱論文：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的 論文在解密后遵守此規(guī)定) 本人簽名：+ 商 圣f 帛 日期d m ，* 導(dǎo)師簽名：如弋 r 屯幻 日期刪。壚 星：皇竺絲二 一一 第一章緒論 隨著i n t e r n e t 和移動(dòng)通信的快速發(fā)提，兩種技術(shù)的融合已成為一種順理成章的 趨勢，這必將引導(dǎo)人類社會進(jìn)入移動(dòng)信息社會的新紀(jì)元?，F(xiàn)有的電路交換移動(dòng)電 話網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將向新一代基于分組的i p 驅(qū)動(dòng)的無線話音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。1 9 9 9 年1 0 月在瑞士目內(nèi)瓦召開的世界電信博覽會也推出未來電信業(yè)發(fā)展的主題：以無線方 式快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。無線方式最有價(jià)值之處在于可為移動(dòng)中的人們提供接 入。正如尋呼機(jī)和移動(dòng)電話己成為商業(yè)界人士公文包中的必備品一樣，漆上機(jī)和 筆記本電腦也成為移動(dòng)辦公不可缺少的一部分。隨著便攜式計(jì)算機(jī)的日益小型化 和無線傳輸技術(shù)的改進(jìn)，必然會產(chǎn)生巨大的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。隨著以i p 為 代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，能提供高速、廉價(jià)訪問的寬帶網(wǎng)已成為未來網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展的必然趨勢。目前，骨干網(wǎng)己可以達(dá)到吉比特甚至太比特的帶寬，高達(dá) 6 0 g b p s 的波分復(fù)用系統(tǒng)的投入應(yīng)用則解決了傳輸環(huán)節(jié)上的帶寬問題，于是，離用戶最近 的接入網(wǎng)部分則成為制約網(wǎng)絡(luò)向?qū)拵Щl(fā)展的瓶頸。如何突破“最后一公里”， 各種寬帶接入解決方案紛紛登臺亮相， 爭態(tài)勢。無線接入作為一種能夠快速、 營商的青睞。 從而使這技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出異?；钴S的競 靈活提供通信業(yè)務(wù)的手段，近年來受到運(yùn) 未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展決定無線接入技術(shù)的發(fā)展方向。未來的通信網(wǎng)將向綜合 化、寬帶化、智能化方向發(fā)展。電信網(wǎng)、i n t e r n e t 網(wǎng)、c a t v 網(wǎng)互相融合已成為大 勢所趨。使電信網(wǎng)除提供電話、世務(wù)外，還要提供電視、高速數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)。 最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信的目標(biāo)：即實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、地點(diǎn)與其他任何人進(jìn)行任 何利t 類的信息交流。無線接入在未來的通信網(wǎng)中占有f 分重要的位置，無線接入 技術(shù)必然向綜合化、寬帶化、智能化方向同步發(fā)展。 12 研究高速無線接入系統(tǒng)中多址接入?yún)f(xié)議的意義 無線通信網(wǎng)中最寶貴的資源就是信道( 相應(yīng)于一定帶寬的頻帶) 。每個(gè)用戶或 終端都想使用信道。如果多個(gè)用戶同州爭用某一倍道，那么就必然發(fā)生碰撞。如 果都不用某一信道，那么該信道就會空閑，造成信道資源浪費(fèi)。因此，共享信道 的準(zhǔn)則多址接入仂、議是高速無線接入的關(guān)鍵技術(shù)之一。 在日前的移動(dòng)通信中，由于傳輸速率較低，提供業(yè)務(wù)利，類少( 主要是話音業(yè) 務(wù)) ，對無線資源使用效率的要求并不很高。但在未來高速無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率 !童壟垂堡堡壘至塹塑量型：絲：! 莖竺壅 = 一一。 大為提高，持續(xù)時(shí)問短，具有突發(fā)性的業(yè)務(wù)將占據(jù)主導(dǎo)地位，因此有效地控制無 線終端使其合理地占用有限的網(wǎng)絡(luò)資源是一個(gè)重要課題n 彩址接入?yún)f(xié)議必須支持高速無線接入網(wǎng)絡(luò)中的各種業(yè)務(wù)并保證各自的q o s 指 標(biāo)。選擇多址接入?yún)f(xié)議的關(guān)鍵因素是在適當(dāng)保持無線信道的高效率基礎(chǔ)上以合理 的0 0 s 等級支持網(wǎng)中的業(yè)務(wù)。多址接入?yún)f(xié)議列通信服務(wù)i ! t t t 、網(wǎng)絡(luò)容量和復(fù)雜度 以及無線終端的復(fù)雜度都有著重要的影響。它需要支持現(xiàn)代無線通信網(wǎng)中的各種 業(yè)務(wù)服務(wù)，在任何的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下部要保持必要的q o s 水平，并為無線終端提 供公平的共享網(wǎng)絡(luò)資源的機(jī)會，在保證一定q o s 的條件下，多址接入?yún)f(xié)議應(yīng)盡可 能地提高無線信道的利用率，面對不同的業(yè)務(wù)流量負(fù)載，協(xié)議除了保證必要的實(shí) 現(xiàn)可靠性外，還應(yīng)該表現(xiàn)出極大的靈活性， 寬浪費(fèi)。為了減少無線終端在體積、功耗、 接入點(diǎn)應(yīng)完成多址接入仂議的主要功能。 以完成有效的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，盡量減少帶 成本和復(fù)雜度等方面的負(fù)擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)和 常見的多址接入方式有頻分多址( f d m a ) 、時(shí)分多址( t d m a ) 、碼分多址( c d m a ) 以及隨機(jī)多址( 如a l o h a 等) 。f d m a 由于使用簡單方便，已在第一代蜂房系 統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。第二代蜂房系統(tǒng)多采用t d m a 。在第三代蜂房系統(tǒng)中，多址技 術(shù)將以寬帶c d m a 技術(shù)為主。近年來動(dòng)態(tài)t d m a 技術(shù)得到了廣泛的重視和研究。 d j g o o d m a n 等人提出了分組預(yù)約多址( p r m a ) 仂、議，n a m i t a y 等人提出了資源 拍賣多址( ra m a ) 協(xié)議，xq i u 等人提出了動(dòng)態(tài)預(yù)約多址( d r j v i a ) 杉j 、議等。由于動(dòng) 態(tài)t d m a 能充分利用信源的統(tǒng)計(jì)特性來統(tǒng)計(jì)復(fù)用有限的頻率資源，相比于t d m a 系統(tǒng)較火幅度地提高了系統(tǒng)容量。c d m a 具有頻譜利用率高，頻率安排簡單，軟 切換，保密性能好以及容量大等優(yōu)點(diǎn)，從理論上講，c d m a 系統(tǒng)要優(yōu)于t d m a 系統(tǒng)，但當(dāng)業(yè)務(wù)量接近于信道容量時(shí)，c d m a 系統(tǒng)的通過率就會急劇下降。故而 c d m a 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率比較低，難以滿足多媒體業(yè)務(wù)的要求。c d m a 的優(yōu)勢之 一是其克服多徑衰落的能力，雖然一般認(rèn)為，單純的d sc d m a 難以提供高速的 數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)樗蟊葦?shù)據(jù)帶寬寬得多的射頻帶寬，對1 5 6 m b i t s 的數(shù)據(jù)傳輸 速率，如果處理增益為1 5 ，則要求射頻帶寬為23 2 5 g h z ，顯然簡單的直擴(kuò)方法 難以實(shí)現(xiàn)。但是將其與跳頻( f h ) 或多載波傳輸技術(shù)相結(jié)合，則可以獲得高速率的 數(shù)據(jù)傳輸。近來這方面的討論很多，主要有寬帶c d m a ( w c d m a ) 、多速率 c d m a ( m rc d m a ) 、多載波c d m a ( m cc d m a ) 、多碼c d m a 、混合d s f h c d m a 、混合c d m a f d m a 等等。從載波頻率使用情況看，可分為單載波c d m a 和多載波c d m a ，而多載波方案一般都與正交頻分復(fù)用( o f d m ) 有關(guān)，o f d m 是 最有效的頻分復(fù)崩方法，各相鄰載波間的保護(hù)帶最小。將o f d m 技術(shù)用于c d m a 可以有效提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。 在現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)中，由于片j 于各種網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、e j 戶數(shù)、業(yè)務(wù)量火小、 用途等諸因素各不相同，所用的多址方式也是多種多樣的。有的多址方式是上述 塑= 童望堡一3 一 兒種。式的變形和推7 1 ，有的是固定多址與隨機(jī)多址相結(jié)合，有的將是上述多址 方式與擴(kuò)頻多址方式相結(jié)合等等。在本文中我們主要研究動(dòng)態(tài)t d m a 技術(shù)。 l3 本文研究的主要內(nèi)容 本文是在國家8 6 3 計(jì)劃3 1 7 主題的重大課題“寬帶無線i p 系統(tǒng)”和國家自然 科學(xué)基金課題“高速信息網(wǎng)絡(luò)的高速無線按入技術(shù)研究”的支持下進(jìn)彳亍的。首先 對無線接入網(wǎng)進(jìn)行了簡要的介紹，其次研究分析了各種主要的多址接入?yún)f(xié)議，然 后說明了仿真的方法及業(yè)務(wù)源、無線差錯(cuò)信道的建模等。在此基礎(chǔ)上著重闡述了 本課題組提出的用于無線接入i n t e r n e t 的u p m a 多址接入?yún)f(xié)議，并對其進(jìn)行了性 能仿真分析。具體研究工作分為以下幾部分： 1 描述無線接入的概況、關(guān)鍵技術(shù)等。 2 分析了各種多址接入?yún)f(xié)議。 3 介紹各種仿真方法。 4 說明各類業(yè)務(wù)源的建模。 5 描述無線差錯(cuò)信道的建模。 6u p m a 三種模式的性能仿真。 7u p m a 應(yīng)用于a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的的性能仿真。 高速無線接入系統(tǒng)的多址協(xié)議研究 第二章無線接入系統(tǒng)介紹 21 引言 近年來，以因特網(wǎng)為代表的新技術(shù)革命正在深刻地改變傳統(tǒng)的電信概念和體 系。目前，北美骨干網(wǎng)七的業(yè)務(wù)量已達(dá)到了約6 - 9 個(gè)月左右就翻一番的地步，而 且迄今沒有減緩的跡象。傳統(tǒng)電話網(wǎng)將不可避免要過渡到以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別是l p 業(yè) 務(wù)為中一亡、的融合的下一代電信網(wǎng)，這種下一代電信網(wǎng)的基本特征將是寬帶化和i p 化。目前波分復(fù)用系統(tǒng)的帶寬已達(dá)4 0 0 g b i t s ，太比特路由器已經(jīng)問世，這種巨大 的鏈路和節(jié)點(diǎn)帶寬正是實(shí)現(xiàn)上述戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變的物理基礎(chǔ)。另一方面，用戶側(cè)終端 的速率也在突飛猛進(jìn)，其c p u 的性能每1 8 個(gè)月就翻一番。從電子郵件到w e b 瀏 覽乃至視頻業(yè)務(wù)，帶寬要求正以幾倍幾十倍的速度增長。然而，面對核心網(wǎng)和用 戶側(cè)帶寬的快速增長，中間的接入網(wǎng)卻仍停留在窄帶水平，而且仍主要是以支持 電路交換為基本特征，與核心網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的發(fā)展趨勢很不協(xié)調(diào)。顯然，接入剛 已經(jīng)成為全網(wǎng)帶寬的最后瓶頸，接入網(wǎng)的寬帶化和1 p 化將成為下步接入網(wǎng)發(fā)展 的主要技術(shù)趨向。 理論上，全光纜接入網(wǎng)絡(luò)將是比較完美的解決方案，但實(shí)現(xiàn)上對接入網(wǎng)絡(luò)的 要求過高即使在發(fā)達(dá)國家也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能實(shí)現(xiàn)。據(jù)最近的統(tǒng)計(jì)資料，在美國4 6 0 萬商業(yè)大樓中，光纖到大樓只有1 ；而事實(shí)上，商業(yè)、企業(yè)中約9 5 以上的商 業(yè)企業(yè)是少于2 0 個(gè)雇員的中、小型企業(yè)，向這類中小型商業(yè)用戶提供光纖接入， 經(jīng)濟(jì)上并不合算。與有線接入比較，無線接入有以下特點(diǎn)： 無線接入網(wǎng)的成本與傳輸距離無關(guān)，對用戶密度等因素不敏感，特別適 于距離稍長、用戶密度不高的地區(qū)。 運(yùn)營成本低，取消了銅線分配網(wǎng)和銅線分接線，無需人員修復(fù)設(shè)備線路， 減少這部分費(fèi)用。 擴(kuò)容方便采取逐步增加投資的方式可以更準(zhǔn)確地跟蹤用戶需求的增長， 擴(kuò)容方便而且資金回收快。組網(wǎng)靈活、安裝迅速、建設(shè)周期短。 安全性好、抗災(zāi)能力強(qiáng)。對地震、水災(zāi)等，無線系統(tǒng)比有線系統(tǒng)的抗災(zāi) 能力強(qiáng)，同時(shí)災(zāi)毀后易于修復(fù)。 無線接入技術(shù)作為電信網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，t 要是解決吲定和移動(dòng) 電話通信的接入問題，同時(shí)也可以解決移動(dòng)終端| 方問i n t e r n e t 等窄帶數(shù)據(jù)移動(dòng)通 信業(yè)務(wù)接入問題。無線通信的特點(diǎn)決定了無線接入在以f 幾個(gè)方面有特別的應(yīng) 用： 人口稀疏的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)：有線接入投資大、效益低，采用無線接入 第二章無線接八系統(tǒng)介紹 i 是比較好的辦法。 受地理環(huán)境或氣候條件的限制的地區(qū)：如山區(qū)、海島、水網(wǎng)地區(qū)、沙漠 地區(qū)等，埋設(shè)電纜困難和架設(shè)明線不易，無線接入是唯一選擇。 堋市新興商業(yè)區(qū)和居民區(qū)：電話需求懸大，新建市話網(wǎng)投資大、時(shí)問長，- 采用無線接入則可在短時(shí)間內(nèi)滿足要求。 臨l l , j 急需電話的地區(qū)：如在大型建筑丁地、大型體育賽事、搶險(xiǎn)救災(zāi)、 公安、鐵路、非常時(shí)期、應(yīng)急操作等急需接入的場合，采用無線接入是 最好的解決方法。 2 2 無線接入系統(tǒng)概述 無線接入系統(tǒng)主要由用戶無線終端( s r t ) 、無線基站( r b s ) 、無線接入交 換控制器以及與固定網(wǎng)的接口網(wǎng)絡(luò)等部分組成。其基站覆蓋范圍分為三類：大區(qū) 制5 5 0 千米，小區(qū)制0 5 5 千米，微區(qū)制5 0 5 0 0 米。無線接入技術(shù)是指接 入網(wǎng)的某一部分或全部使用無線傳輸媒質(zhì)，向用戶提供固定和移動(dòng)接入服務(wù)的技 術(shù)，即從公用電信網(wǎng)的交換節(jié)點(diǎn)到用戶終端全部或部分采用無線手段的接入技 術(shù)。無線接入的優(yōu)點(diǎn)是可以提供一定程度的終端移動(dòng)性，開設(shè)速度快，投資省， 缺點(diǎn)是傳輸質(zhì)量不如光纜等有線傳輸方式，適用于移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的無線接入技術(shù) 尚不成熟。 從技術(shù)上來說，按照使用的媒介不同，接入網(wǎng)可劃分為有線接入網(wǎng)和無線接入 網(wǎng)。無線接入分為移動(dòng)無線接入和固定無線接入。移動(dòng)無線接入就例如我們熟悉 的移動(dòng)電話接入等，用戶是可移動(dòng)的；而固定無線接入與此正好相反，用戶基本 是固定不動(dòng)的。 一固定無線按入技術(shù) ( - - ) l m d s ( 本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)) 無線接入技術(shù)正從窄帶、中寬帶向?qū)拵Х较虬l(fā)展，以l m d s 為代表的寬帶無 線固定接入技術(shù)正越來越受到廣泛關(guān)注，成為種1 i 可忽視的發(fā)展趨勢。這種系 統(tǒng)工作在2 0 g h z 4 0 g h z 頻帶上，傳輸容量可與光纖比擬，同時(shí)又兼有無線通信 的經(jīng)濟(jì)和易丁二實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。窄帶和中寬帶無線接入是基1 i 電路交換的。但寬帶無 線接入系統(tǒng)是基于分組交換的，是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，由一個(gè)中心站和許多用 戶站組成。寬帶無線接入l m d s 是從微波視頻分布系統(tǒng)( m i c r o w a v ev i d e o d i s t r i b u t i o ns y s t e mm v d s ) 發(fā)展而來。作為一種新興的寬帶無線接入技術(shù)，l m d s 為最后一公里寬帶接入和交互式多媒體應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)和簡便的解決方案，它的寬 帶屬性決定它兒乎可以承載任何種類的業(yè)務(wù)，包括遠(yuǎn)程辦公、高速l a n 互聯(lián)、 基于i p 的v p n 、傳統(tǒng)的和新型的電話通信、視頻會議、視像監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、 ! 墮鎏垂垡堡壘垂竺塑蘭絲墮鯊竺塹 一一 遠(yuǎn)程教學(xué)、p c s 骨干網(wǎng)以及住宅多媒體等。隨著i n t e r n e t n c f - 性的增長，基于l p 的應(yīng)用將推動(dòng)l m d s 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 ( 二1 一i 孕同定接入系統(tǒng) 按照f j 前的發(fā)展情況看，步子邁得較快的有r e l e d e s i c 、s k y b r i d g e 、s p a c e w a y 、 c y b e t s l a r 等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均從未來寬帶業(yè)務(wù)需求出發(fā)，將g e o ( 靜止軌道p 星) 系統(tǒng)的多點(diǎn)廣播功能和l e o ( 低軌道衛(wèi)星) 系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性結(jié)合起來， 工作于k a 波段或k u 波段，可為同定用戶提供高速的交互式業(yè)務(wù)和廣播、比務(wù)，除 i n t e r n e t 高速接入外，還可提供會議電視、可視電話、遠(yuǎn)程應(yīng)用等多種交互式業(yè)務(wù)。 也就是說，利用全球?qū)拵l(wèi)星系統(tǒng)可建設(shè)寬帶的“空中i n t e r n e t ”，這是一種具有 類似于光纖通信業(yè)務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，作為一種寬帶接入系統(tǒng)，在沒有寬帶地 面基礎(chǔ)設(shè)施，或者是采用地面基礎(chǔ)設(shè)旋很不經(jīng)濟(jì)的地區(qū)可用于寬帶無線本地環(huán) 路。 f 三1 擴(kuò)頻微波 擴(kuò)展頻譜( s p r e a ds p e c t r u m ) 技術(shù)，簡稱擴(kuò)頻( s s ) 技術(shù)，近年來，在無線通 信中的應(yīng)用和發(fā)展非常迅速，采用擴(kuò)頻技術(shù)的產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)，而且更新很快。 擴(kuò)頻微波和微波無線技術(shù)使用y - , i v 、科研、醫(yī)療( i s m ) 頻段的頻率有：9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 24 8 3 5 g h z 、57 2 5 58 5 g h z 、u n i i 頻段有：5 】5 53 5 g h z ，傳 送速率可達(dá)2 m b s 、4 m b s 、1 0 m b s 。擴(kuò)頻微波傳輸方式最常用的有兩種：一種是 直接序列( d i r e c ts e q u e n c e ，d s ) 擴(kuò)頻技術(shù)( 簡稱直擴(kuò)) ；另種是跳頻( f r e q u e n c y h o p p i n g ，f h ) 技術(shù)。d s s s 以固定模式傳輸本頻段內(nèi)信號，因而可以更加充分地利 用帶寬；而f h s s 則以隨機(jī)模式傳輸信號，信號傳送過程中要經(jīng)過多次握手和同 步，效率較低。 二、移動(dòng)無線接入的方式 f 一) 移動(dòng)通信系統(tǒng) 第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)以f d m a 方式和模擬調(diào)制為特征，稱為模擬蜂窩移 動(dòng)通信，傳送模擬電話信號。這類系統(tǒng)簡單，但頻率利用率低，系統(tǒng)容量小( 僅 為帶寬的1 0 左右) ，話音質(zhì)量差，通信的專用性和保密性不強(qiáng)，難以繼續(xù)發(fā)展。 第二代蜂窩移動(dòng)通信以t d m a 和數(shù)字調(diào)制為特征，稱為數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信。其 質(zhì)量、系統(tǒng)容量、功能和功耗都有很大改進(jìn)，系統(tǒng)容量為帶寬的3 0 左右。它不僅 適于國內(nèi)網(wǎng)而且適于國際網(wǎng)。目前第二代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)十分成熟，在通信領(lǐng) 域自成體系，形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模。一類是采月jt d m a 技術(shù)，如：g s m 系統(tǒng)，d a m p s 系統(tǒng)，p d c 系統(tǒng)等。第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)除傳送數(shù)字話音外，還可傳送低速 數(shù)據(jù)( ， = l f 、( ，) ：。( p + ，) 。( 4 - 1 ) 其中口， ( ) ，均值為盧? ( 口】) 。a 描述p a r e t o 分布的重尾特性。 一般說來，a 越接近于1 ，所表示的源的突發(fā)性越強(qiáng)。旦選定了 個(gè)適合的a 值來描述業(yè)務(wù)源的特征，可以通過均值來確定盧的值。 b w e i b u l l 分布的o n o f f 源 w e i b u l l 分布的概率密度函數(shù)如下式所示， p ( ) = 鼉( e 一4( 4 1 2 ) 其中d o ，e o 分別稱為形狀和尺度參數(shù)。當(dāng)a = 】時(shí)，w e i b u 】j 分布 就變成指數(shù)分布，當(dāng)口 1 時(shí)w e i b u l l 分布為輕尾分布。當(dāng)日 0 ( 4 - 4 ) 其中，x 是第n 個(gè)隨機(jī)數(shù)；m o dm 是模1 1 1 運(yùn)算：初始值x 。稱為種子：a 、 c 為常數(shù)，a 稱為乘子，c 稱為增量。 一般取m = 2 k ，其中k 為計(jì)算機(jī)中數(shù)字尾部的字長。為了得到周期為 i n 的隨機(jī)序列，參數(shù)a 、x o 和c 應(yīng)滿足以下條件： f 口= 4 t + 1 、其中，為任意選定的正整數(shù) jc 為奇數(shù) lh 為任意非負(fù)整數(shù) 二從任意一個(gè)概率分布函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) 對于反函數(shù)能用閉式表示的可以用“反變換法”產(chǎn)生所需的隨機(jī)變 量。設(shè)已有 o ，1 區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)r ，需要產(chǎn)生分布函數(shù)為f ( x ) 的隨機(jī)變量，則產(chǎn)生的反變換的公式為f ( x ) = r ，即 r = 廠1 ( r )( 4 5 ) 1 負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)變量 參數(shù)為 的負(fù)指數(shù)分布的分布函數(shù)為： ( f ) = 1 - e x , ，r 。 ( 4 _ 6 ) 則其反函數(shù)為 x = 廠1 ( j r ) = 一l n ( 1 一j r ) ( 4 7 ) 由于r 與1 - r 的分布相同，所以上式可以寫為 r = 一l n ( r ) ( 4 - 8 ) 2w e i b u l l 分布的隨機(jī)變量 w e i b u l l 分布函數(shù)為 2 4 高速無線接入系統(tǒng)的多址協(xié)議研究 m ) ：l g 印( 4 - 9 ) 其反函數(shù)為 x = 0 一l n ( 1 一r ) r f 4 1 0 1 考慮到1 - r 仍為 o ，1 均勻分布隨機(jī)變量，故而有 x = 0 ( 一i n 尺) ”。( 4 1 1 ) 絲至蘭型! 翌壘塑。堅(jiān)絲堂焦塞一2 5 第五章u p m a 協(xié)議性能仿真 無線i n t e r n e t 接入已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。在2 4 g h z 到5 g i - i z ( u n i i 波段) 的 種種傳輸規(guī)范已經(jīng)被用來提供數(shù)據(jù)速率在1 - 2 3 m b p s 的無線i n t e r n e t 接入。這些規(guī) 范包括1 e e e 8 0 21l ( 標(biāo)準(zhǔn)和高數(shù)據(jù)率版本) 、b l u e t o o t h 、h o m er f 、h i p e r l a ni 。 包括d s a + + nd q r u m a 在內(nèi)的大多數(shù)多址接入?yún)f(xié)議是基于帶沖突分解的隨機(jī)多 址接入技術(shù)。隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議克服了固定分配多址接入?yún)f(xié)議中的資源浪費(fèi)問 題。但隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議又產(chǎn)生了另個(gè)問題，即在用戶數(shù)增加時(shí)，分組碰撞的 概率加大從而導(dǎo)致平均分組時(shí)延的加大，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的通過量。然而，如果 知道用戶數(shù)，就能避免碰撞完善地安排分組的傳輸。根據(jù)用戶數(shù)目完善安排數(shù)據(jù) 分組傳輸?shù)亩嘀方尤? l 伊m a u s e r d e p e n d e n tp e r f e c t s c h e d u l i n gm u l t i p l ea c c e s s ) 協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)用戶數(shù)、分組隊(duì)列長度和循環(huán)服務(wù)規(guī)則來安排分組的傳 輸。u p m a 利用自組織算法決定活動(dòng)用戶數(shù)，以動(dòng)態(tài)t d m a 的方式來為各個(gè)用 戶安排所需時(shí)隙，采用微時(shí)隙為空閑狀態(tài)的用戶保持一個(gè)連接。本章首先介紹自 組織算法，然后依次介紹了u p m a 三種模式及其性能仿真。 5 1 自組織算法 如圖5 - 1 所示，一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三種狀態(tài)：激活，空閑和非激活。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有分 組要傳輸時(shí)就處于激活態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成了隊(duì)列中所有的分組傳輸并在等待一 個(gè)新的分組就處于空閑態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于空閑態(tài)已有了一預(yù)定的時(shí)間段t 。就 進(jìn)入非激活態(tài)。 分組到達(dá)并成 功接入 圖5 1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換 為收集網(wǎng)絡(luò)中有多少節(jié)點(diǎn)的信息，每個(gè)處于激活或空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)定期地廣 播一個(gè)自組織包( s o p ) 來通告它的狀態(tài)( 激活或空閑) 和它所知道的節(jié)點(diǎn)。s o p 包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)i d 和它所知道的其它節(jié)點(diǎn)i d 。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三張表：路由表( r t ) 。距 高速無線接入系統(tǒng)的多址協(xié)議研究 禺表( d t ) 和狀態(tài)表( s t ) 。r t 儲存它所知道的節(jié)點(diǎn)i d 。d t 儲存鄰節(jié)點(diǎn)傳送過 來的s o p 中的r t 。通過比較r t 和d t ，就可發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點(diǎn)。s t 儲存節(jié)點(diǎn)處于激 活或空閑狀態(tài)的時(shí)問。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間段t 。內(nèi)沒收到某節(jié) 點(diǎn)( b ) 的任f q l 言息，它就從d t 中刪除b 并在s o p 中通告b 處于非激活狀態(tài)。在互 換s o p 和修正自身r t 后，在短時(shí)間內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)就有了正確的r t ，包括節(jié)點(diǎn)i d 和 處于激活或空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。 在我們的系統(tǒng)中，分組分為數(shù)據(jù)分組和自組織包這兩種類型。它們有著相同 的分組格式，通過在分組頭中的一個(gè)字節(jié)加以區(qū)分。數(shù)據(jù)分組中的分組數(shù)據(jù)只由 分組頭中指明的節(jié)點(diǎn)加以處理，其它節(jié)點(diǎn)如果接收到該分組，只處理分組頭，從 中獲得路由信息；自組織包的分組頭則沒有指明是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)接收，所有收到該分 組的節(jié)點(diǎn)都將處理其中的自組織數(shù)據(jù)，以獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自組 織包的條件是：1 ) 它沒有任何分組需要發(fā)送，且距離上次發(fā)送的時(shí)間間隔已經(jīng) 達(dá)到一定值，這個(gè)值我們稱作自組織周期；2 ) 它探測出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，?當(dāng)前州間距離首次發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓臅r(shí)間已經(jīng)達(dá)到半個(gè)自組f ： ：周期。這一條件是為 了避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化且對數(shù)據(jù)傳輸沒有構(gòu)成致命影響時(shí)組網(wǎng)開銷過大，影響 分組的傳輸。 路由表共有八列，形成如圖5 - 2 的表格樣式。其中，j 表示目的節(jié)點(diǎn)，i 表示 本節(jié)點(diǎn)。路由表用來記錄節(jié)點(diǎn)i 到網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)j 的路由。 ! 的節(jié)j 癸j 犁j1 從j 到ii j r r 麗_ 刁- 玎t 1 _ 愛1 f r 躉否磊甬1 i 乃麗 皇上l 塑鲞塑旦! ! 燮 f 工= 豎f 塹萱二些f 婆皇f 塑塑鱉塑i 鑾些盤查 圖f - 2 路由表格式 我們用單向鏈表來實(shí)現(xiàn)路由表，圖5 3 給出了一個(gè)有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)路由信息的節(jié)點(diǎn) 的路由表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖。 耋蘭i 卜嶇亙一匝n 匭如 圖5 - 3 路由表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖 距離表中記錄的是本節(jié)點(diǎn)i 的鄰節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的路由信息，它是一個(gè) 廣義表，由若干7 全鏊組成，每塊對應(yīng)一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的路由表。 g n n g 式見1 莖t5 - 4 。 l i 1 一 ?！?。1 - - j 圖5 - 4 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表用來記錄節(jié)點(diǎn)的狀態(tài) 示。 距離表格式示意圖 它在格式方面與路由表類似，如圖5 - 5 所 呈筍節(jié)憶箜駐留舊嬲酉眄孤而玎瓣盯百項(xiàng)麗驪了麗 量土- 焦壟二l 叁鑒u 童坌塑壁量f 墊堡坌塑墮蘭l i 益直邐：二： 圖5 - 5 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表格式 第五皇旦! 竺壘塑：望壁絲墮壅一2 一 5 2 點(diǎn)對點(diǎn)模式的u p m a 一原理 點(diǎn)對點(diǎn)模式可解決兩個(gè)局域網(wǎng)遠(yuǎn)程互連的問題。該模式( 圖5 6 ) 僅有兩個(gè)節(jié)點(diǎn) ( a 和b ) 。 圖5 - 6 點(diǎn)對點(diǎn)橋接 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)開機(jī)時(shí)，它偵聽信道。如果該信道空閑時(shí)間達(dá)到了某一預(yù)定的時(shí) 間段，它就發(fā)送一個(gè)s o p 通告它的存在。如果該s o p 被另一個(gè)s o p 所交疊，它就 隨機(jī)延遲一段時(shí)問后發(fā)送。一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的s o p 或分組后就知道這個(gè) 節(jié)點(diǎn)開機(jī)了。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它的s o p 被另一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收時(shí)，它就發(fā)送一個(gè) 請求分組( 良p ) 來引發(fā)另一節(jié)點(diǎn)b 的傳輸時(shí)期。節(jié)點(diǎn)b 在發(fā)完一定數(shù)目的分組后就 附加一指配分組( a p ) 于最后一個(gè)傳輸?shù)姆纸M上。a p 終止b 的傳輸。節(jié)點(diǎn)a 收到 a p 后就開始它的傳輸時(shí)期。如果節(jié)點(diǎn)b 沒有任何分組傳輸就立即發(fā)送a p 給a 。 節(jié)點(diǎn)a 就開始它的分組傳輸。為確保b 能確認(rèn)分組接收和傳送有嚴(yán)格時(shí)間要求的 數(shù)據(jù)，在兩個(gè)連續(xù)的分組傳輸之間有一個(gè)微時(shí)隙。該微時(shí)隙( t 。) 應(yīng)該大于來回傳 輸時(shí)延、處理時(shí)延和載波檢測時(shí)延的總和。每個(gè)傳輸分組的末尾附帶a c k 信息 或繼續(xù)傳輸指示( c t i ) 。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)期內(nèi)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)能在微時(shí)隙里插入 它的分組而不會沖突。這可防止一個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)占有該信道。圖5 7 顯示了在點(diǎn)對點(diǎn) 的無線i n t e r n e t 網(wǎng)橋模式下的u p m a 幀結(jié)構(gòu)。 圈回回 aba - 微時(shí)隙 i 節(jié)點(diǎn)b 傳輸i節(jié)點(diǎn)a 傳輸 pp a c k e i | c v l lp a c k e t 2 a p - p a c 叫a c 4p a c k e u c t i _ 節(jié)點(diǎn)a 可插八分組 圖5 7 點(diǎn)對點(diǎn)模式的u p m a 2 8高速無線接入系統(tǒng)的多址協(xié)議研究 二= l 一 二仿真假設(shè) 對于l a n 互連，許多研究表明l a n 業(yè)務(wù)具有自相似性。而通過疊加大量的 嚴(yán)格交替的具有諾亞效應(yīng)( n o a he f f e c t ) 的o n o f f 源則可使得總的業(yè)務(wù)顯現(xiàn)出自相 似性。故而本仿真將采用第四章介紹的p a r e t o 分布的o n o f f 源來近似模擬l a n 業(yè)務(wù)，疊加的源的個(gè)數(shù)為1 0 0 。對于l a n 業(yè)務(wù)，o f f 周期的a = 12 ，o n 周期的a = 17 。同時(shí)每一次產(chǎn)生的分組假設(shè)為以太網(wǎng)的分組。在以太網(wǎng)中，最大的分組是 1 5 1 2 字節(jié)，大多數(shù)用于文件傳送方面。峰值速率是1 0 m b p s 。用一個(gè)開關(guān)過程可 以為以太網(wǎng)業(yè)務(wù)量建模。在活動(dòng)周期分組長度分布的情況：4 6 字節(jié)以o3 4 2 的概 率，1 4 4 字節(jié)以o0 9 3 的概率，15 0 0 字節(jié)以05 6 5 的概率，平均分組容量為8 7 66 字節(jié)或o7 毫秒。l a n 互連要求的平均分組延時(shí)為1 0 1 0 0 m s ，故而我們這里取01s 為分組的生存時(shí)間。微時(shí)隙與a p 分組假設(shè)為3 2 字節(jié)。具體所用參數(shù)如表5 1 所 7 k 。 表5 - 1 主要仿真參數(shù) 信道速率1 0 m b p s o n 周期 o3 5 2 s o f f 周期 06 5 s 分組長度1 5 0 0 ，1 4 4 ，4 6 b y t e s 分組生存時(shí)間 0i s 仿真流程圖， ( a )( b ) 圖5 - 8 點(diǎn)對點(diǎn)u p m a 流程圖 第五章u p m a 協(xié)議性能仿真 點(diǎn)對點(diǎn)的u p m a 主流程圖如圖5 - 8 ( a ) 所示，a 傳輸期與b 傳輸期相似， 在此只給出- - + a 傳輸期的流程圖，如圖5 8 ( b ) 所示。 四仿真結(jié)果及其分析 本仿真假設(shè)信道是無誤傳輸?shù)?。性能曲線如圖5 - 9 ，5 - 1 0 ，5 - 1 1 所示。 業(yè)務(wù)負(fù)荷 圖5 - 9 通過量 業(yè)務(wù)負(fù)荷 業(yè)務(wù)彘荷 圖5 - 1 0 分組平均時(shí)延 例5 1 1 分組丟失率 由圖5 - 9 ，5 - 】0 ，5 - 】l 可看出在業(yè)務(wù)量較小時(shí)，通過量隨業(yè)務(wù)量的增加而 線性增加，有極低的分組時(shí)延和零分組丟棄率。當(dāng)歸一化負(fù)荷趨近于1 和超 過1 時(shí)，通過量基本保持穩(wěn)定為o 9 6 ，而分組丟棄率和分組平均時(shí)延則急劇 上升。但最后分組平均時(shí)延又保持在0ls ，這是因?yàn)榉抡婕僭O(shè)了分組生存時(shí) 間為0ls ，被丟棄的分組不考慮重傳。我們從理論上也可近似分析出其最大通 過量。假若信息分組、a p 分組和微時(shí)隙長度為分別為l ，l ，l 。，則在 滿負(fù)荷條件下其通過量為5 l ( 5 x l + 4 l s l o t + l a ，) ( 仿真中設(shè)次傳輸期 最多傳5 個(gè)信息分組) ，因l o 7 m s ，l 。t - l ”一o0 2 4 m s ，所以最大通過量約 為o 9 6 6 8 ，與仿真結(jié)果十分相符。由此可見在該種業(yè)務(wù)條件下，u p m a 可取得 0 o 0 0 d o m刪莒霜*_殺 o 0 0 q 0 0 0 0 吲捌留 吣 吣 嗡 瓣水咐鼎求 型一童壟垂絲堡全墨竺墮蘭些塑鯊嬰壅 = = 一。 滿意的性能。 53 星型拓?fù)淠Ｊ降膗 p m a 一原理 帶一個(gè)中。心接入點(diǎn)的無線i n t e r n e t 接入的拓?fù)涫且粋€(gè)星型結(jié)構(gòu)。中心接入點(diǎn) ( c a p ) j 奎至i ji n t e r n e t 骨干網(wǎng)，如圖5 - 1 2 所示，其它節(jié)點(diǎn)直接跟c a p 通信。 幽5 - 1 2 星型模式的u p m a 該模式下c a p 負(fù)責(zé)安排分組的傳輸。如圖5 13 所示，c a p 根據(jù)自組織算法 決定節(jié)點(diǎn)數(shù)目，以循環(huán)服務(wù)規(guī)則安排分組的傳輸。幀的傳輸以起始分! i i ( s t a r t ) 為開 始。在c a p 發(fā)送的每個(gè)分組或信標(biāo)后，有一微時(shí)隙使一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)利用該信道傳 輸分組。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有分組要傳輸就使該微時(shí)隙空閑。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸完 后，c a p 會發(fā)送它的分組或信標(biāo)來通告下一個(gè)微時(shí)隙的開始以讓另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接 入。僅當(dāng)c a p 沒有分組傳輸時(shí)才發(fā)送信標(biāo)。當(dāng)在一幀中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一次機(jī)會 發(fā)送分組時(shí)，c a p 就發(fā)送一個(gè)結(jié)束分組( e n d ) 。該結(jié)束分組后的微時(shí)隙是預(yù)留給新 節(jié)點(diǎn)的接入使用的。c a p 以循環(huán)順序發(fā)送分組到不同節(jié)點(diǎn)。當(dāng)c a p 中的分組隊(duì) 列不空時(shí)，起始( s t a n ) 和結(jié)束( e n d ) 分組可被附加在常規(guī)分組后的起始和結(jié)束標(biāo)志所 替代。 ab cdn e wbcdan e wc d i 微時(shí)隙 目 信標(biāo)時(shí)隙 圖5 1 3 星型模式u p m a 幀格式 箜至童竺! 堅(jiān)壘塑些壁垡蔓- 一翌 二仿真1 段設(shè) 由于未來的通信業(yè)務(wù)量中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占據(jù)相當(dāng)大的分量，本仿真只考慮數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)。分析數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般采用的是泊松到達(dá)的業(yè)務(wù)模型和服從指數(shù)分布的o n o f f 源模型。但足越來越多的研究表明現(xiàn)代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)特性、具有白干h 似的特衙+ 和長叫相關(guān)的特性，這是傳統(tǒng)的泊松源和指數(shù)分布的o n o f f 源所不能 確切反映的一。而o n o f f 長度服從重尾分布( 比如w e i b u l l ) 的o n o f f 源則 能較真切的反映現(xiàn)代數(shù)據(jù)的應(yīng)用( 比如w w w 的應(yīng)用) e 1 3 j ，通過疊加大量的具 有這種特性的o n o f f 源則能使產(chǎn)生的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出自相似的特性”。本仿真采用 第四章介紹的w e i b u l l 分布的o n o f f 源，分別取= l ，o8 8 ，07 ，06 ，同時(shí)為了便 于比較，也采用了泊松到達(dá)的過程。主要仿真參數(shù)如表5 - 2 所示。 網(wǎng)絡(luò)瀏覽的過程由一個(gè)相對長的停頓時(shí)間( o f f ) 和i 由發(fā)送一系列請求的時(shí)間 f o n ) 組成。對應(yīng)于上述物理過程，我們?nèi) n 周期為33 s ，o f f 周期為2 28 s ，同 時(shí)仿真時(shí)間取得足夠長來保證了大致相同的業(yè)務(wù)的到達(dá)特性。 假定信標(biāo)時(shí)隙、s t a t - ( 、e n d 和a c k 分組都一致為微時(shí)隙大小。 假設(shè)節(jié)點(diǎn)具有相同的業(yè)務(wù)負(fù)荷，并具有無限的緩沖器。 對于非激活節(jié)點(diǎn)請求接入是以競爭方式進(jìn)行，這里采用比較簡單的類似二進(jìn) 制指數(shù)退避法來進(jìn)行進(jìn)入。即節(jié)點(diǎn)接入的概率等于節(jié)點(diǎn)申請?jiān)摯谓尤氲拇螖?shù)的倒 數(shù)，若超過一定的時(shí)問仍未成功接入則被拒絕。被拒絕的節(jié)點(diǎn)需要重新申請接入。 本仿真將分兩種情況進(jìn)行討論。一種是節(jié)點(diǎn)僅在本網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行相互通信。另一 種是節(jié)點(diǎn)與本網(wǎng)絡(luò)外部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，此時(shí)需要在c a p 處模擬可能產(chǎn)生的外 部業(yè)務(wù)。 表5 - 2 主要仿真參數(shù) 信道速率1 0 m b p s 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷 3 0 k b p s ：l1 4 k b p s ；3 8 4 k b p s o n 周期 33 s o f f 周期 2 28 s 分組生存時(shí)問t d r 。p 5 0 0 m s ：l ( ) s 微時(shí)隙大小 3 2 b 3 7 e s 最大分組長度 l9 0 8 0 b i t s 仿真時(shí)間 7 2 0 0 s 三仿真流程圖 仿真流程圖如圖5 一1 4 所示，這里只列出了程序大概的框架，具體的流程限于 篇幅沒有列出。 翌童墮垂垡堡壘墨塹塑墨些堡堅(jiān)墮窒一 圖5 1 4 星型拓?fù)涞膗 p m a 流程圖 四仿真結(jié)果及其分析 1 節(jié)點(diǎn)僅在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行通信 假設(shè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷一致為3 0 k b p s ，此時(shí)c a p 僅轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，不獨(dú)自產(chǎn)生業(yè)務(wù)。 業(yè)務(wù)源特性對協(xié)議性能的影響 圖5 1 5 ，5 - 1 6 ，5 - 1 7 分別給出了在分組生存時(shí)間為o5 s 時(shí)的三組性能曲線。 04 。1 1 1 4 0i i l l ) 1 瑚2 2 0 02 0 0 6 0 8 0 。1 2 01 6 01 2 0 02 2 0 節(jié)點(diǎn)數(shù) 節(jié)點(diǎn)數(shù) 圖5 - 1 5 信道利用率圖5 1 6 平均分組丟失率 一 國| | 加 叫 ” 帥 醉旺幕髫翠 第五章u p m a 協(xié)議性能仿真 0 2 0 4 06 08 010 017 0 14 0 1 6 01b 0 2 0 07 7 0 點(diǎn)教 圖5 1 7 平均分組時(shí)延 由于u p m a 協(xié)議是一種動(dòng)態(tài) 的按需分配的多址接入?yún)f(xié)議，因 而在負(fù)荷較大時(shí)( 表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)數(shù) 的增加) 仍具有很高的信道利用 率。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷均為 3 0 k b p s 時(shí)系統(tǒng)最多可支持11 0 個(gè) 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。若節(jié)點(diǎn)數(shù)繼 續(xù)增加，此時(shí)分組丟棄率將急劇 上升，這對于數(shù)據(jù)容錯(cuò)要求很高 的數(shù)據(jù)應(yīng)用來說將是不可行的， 萎剖羅磊薹；孰黝 。l 二一 “ 甲f 了i 焉_ 1 f 了i i 己 o ”。”1 1 1 ”1 。知卸 節(jié)點(diǎn)數(shù) 節(jié)點(diǎn)數(shù) 高速無線接八系統(tǒng)的多址協(xié)議研究 也可看出，盡管在分組生存時(shí)間為1 0 s 時(shí)的分組丟棄率比o 5 s 時(shí)有顯著的改善， 但是在分組生存時(shí)間為1 0 s 時(shí)的w e i b u l l 分布的o n o f f 源對應(yīng)的分組丟失率卻 比分組生存時(shí)間為o5 s 的泊松源對應(yīng)的分組丟失率還大，這是因?yàn)橥话l(fā)性強(qiáng)的業(yè) 務(wù)的分組總是積存在某一時(shí)間段，咖泊松到達(dá)的業(yè)務(wù)分布卻比較平均，從而使得 相當(dāng)?shù)囊恍┓纸M在還沒來得及傳送之前就因?yàn)槌^分組生存時(shí)間而被丟棄。 02 04 06 0 8 01 0 0 i2 0 1 4 0 1 6 01 8 0 2 0 02 2 0 節(jié)點(diǎn)數(shù) 圖5 2 0 平均分組時(shí)延對比 t 。與用于接入的微時(shí)隙個(gè)數(shù)a s n 對協(xié)議性能的影響 在前述的仿真中用到的t 。非常大，a s n = 1 ，在這種情況下，對應(yīng)于所設(shè)的 業(yè)務(wù)源的節(jié)點(diǎn)幾乎不會從空閑狀態(tài)進(jìn)入非激活狀態(tài)。這里再取t 。= 5 s ，1 6 0 s ， a s n = i 和t 。= 5 s ，a s n = 3 ，兩組參數(shù)進(jìn)行仿真，其它參數(shù)保持不變。在這種情 況下，節(jié)點(diǎn)就可能從空閑狀態(tài)進(jìn)入非激活狀態(tài)。結(jié)果如圖5 2 1 ，5 2 2 所示。當(dāng) t 。= 5 s ，a s n = i 時(shí)在系統(tǒng)負(fù)荷比較大時(shí)p o i s s o n 到達(dá)的分組丟失率急劇上升，信 0 2 04 06 0日0f 0 012 0 i4 0 16 0 1 8 0 2 0 02 2 0 節(jié)點(diǎn)數(shù) 圖5 - 2 1 信道利用率 道利用率急劇下降，而其它組曲線則基本上未出現(xiàn)較大的變化。這是由于泊松到 一心! 蘿一 第至童嬰竺壘塑堅(jiān)壁絲墮壅竺 一 達(dá)的業(yè)務(wù)分布比較均勻從而導(dǎo)致將有不止一個(gè)的非激活節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)微時(shí)隙內(nèi)接 圖5 2 2 平均分組丟失翠 入，從而發(fā)生碰撞導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)分組未能及時(shí)進(jìn)入傳輸隊(duì)列而耗盡了分組生存時(shí)間被 - 2 i f ，