接入信道

接入信道（共5篇）

接入信道 篇1

1 问题描述

随着天翼网络的不断发展, 话务量增长, 珠海密集市区基站出现ACOC告警, 由于ACOC告警出现时, 基站将禁止目前所有的接入及切换入, 对网络质量及用户感知影响较大, 为解决这一问题, 尝试对ACOC告警频繁基站开通多接入及双寻呼信道, 有效地解决了此类问题。

2 原因分析

目前珠海ACOC告警主要出现在话务较高基站, 例如:福海附楼1、富华广场3等。

ACOC目的是衡量2秒时间内access slot是否够用。当然, 在计数器里它不仅仅考虑好帧占用的时隙, 同时还考虑坏帧占用的时隙。CDMA 3G1x帧持续时长为20ms, 那么对于一个2秒的帧窗口来说最大能容纳100帧。而其中access channel message在此时间段内, 即要考虑基站搜寻的access channel message, 还要考虑手机终端发送的access channel message。定义这两项的参数分别为“Access Channel Preamble Size”和“Maximum Access Capsule Size”数。

朗讯对于这两项参数的推荐设置分别是:Access Channel Preamble Size为2帧, Maximum Access Capsule Size为6帧, 那么对应一个access channel slot的帧数为9帧, 从而可知道2秒内有100帧就意味着有100/9=11个slot。如果当2秒内access slot超过11个, 此时acoc告警就会出现。而一个用户做一次通话尝试 (包括起呼尝试和被叫尝试) 时就占用一个slot, 如果在2秒内有11个人做通话尝试, 此时acoc就告警就会出现了。

朗讯系统与ACOC相关的参数共有3个, 包括Access Channel Overload Control Invocation Threshold (aco_thresh) 、Access Channel Overload Increase Persistence S t e p S i z e (a c o_i n c) 和A c c e s s C h a n n e l O v e r l o a d Decrease Persistence Step Size (aco_dec) 。其中aco_thresh为启动接入信道过载控制的门限值, 朗讯默认值为90, 即扇区接入信道负荷达到90%的情况下启动过载控制, 并持续监控, 在这期间该扇区会禁止用户接入。aco_inc表示当接入信道负荷超过门限后每次增加的计数值, aco_dec表示当接入信道负荷降到72%后每次减少的计数值。当计数值为0时, 接入信道过载控制取消。根据朗讯文档介绍及对比珠海实际设置, 珠海当前设置为朗讯默认值, 即aco_thresh=90, aco_inc=4, aco_dec=1。由于系统每2秒进行一次测试, 因此产生ACOC后至少会持续8秒时间该扇区不能进行呼叫, 如果在这期间负荷不能降到72%以下, 那么ACOC持续时间会更长。

3 解决方案

为解决此类问题, 我们尝试开通这些基站的多接入及双寻呼信道,

3.1 参数设置方法

首先, cell2中将MULT (2) PAGE CH, MULT (2) ACC CH设置为y, 如图1:

然后, 将btseqp中1x载频的paging chnls及Acc Chnls设置为2, 如两载频全部设为2.

最后, 在具有两个寻呼信道的区域和一个寻呼信道区域的交界处, 将边界扇区 (具有两个寻呼信道的扇区) 的FCI表中的Nbr conf设置为2, 表明它的邻区具有不同数量的寻呼信道配置。

3.2 设置验证

以上设置完成后, 通过后台网管可以很明显地观察到新增的开销信道:

同时, 通过路测验证, 可以很明显地看到设置生效。

由于接入信道的长码掩码中需要包含寻呼信道编号, 所以每个寻呼信道开通后, 必须增加有1条接入信道, 但每条寻呼信道可以对应1到32条接入信道。从以上设置可以看出, 每个扇区为两个寻呼信道时, 已经开通了两条接入信道, 而此案例中每个扇区有新增了两条接入信道, 所以, 每扇区最终设置为2条寻呼信道, 4条接入信道。

3.3 指标跟踪情况

以上两个小区开通双接入及双寻呼信道后, 寻呼信道及接入信道负荷下降20%, 且未再出现ACOC告警, 以下是开通前后接入信道的指标对比情况:

4经验总结

增加接入信道是解决“ACOC”告警, 降低接入信道符合较为有效的手段。但由于新增接入信道需要占用CE, 所以需要在接入信道符合和业务信道使用情况间取得平衡, 且在开通多接入信道及多寻呼信道的区域内, 需要注意被叫成功率的变化。

无线接入信道损耗特性分析 篇2

在无线接入信道,电波不仅随传播距离的增加而发生弥散损耗,并且会受到地形、地物遮蔽而发生“阴影效应”,而且信号经过多点反射,会从多条路到达接收端,这种多径信号的幅度、相位以及到达时间都不一样,它们相互叠加产生电平快衰落和时延扩展。工程实际中,常常用一些特征量来表示衰落信号(快衰落)的幅度特点,这些特征量主要有衰落速率和衰落深度。本文将对莱斯和瑞利2种小尺度衰落信道条件下的衰落速度和衰落深度进行分析。

1 无线接入信道的损耗分析

无线接入信道的损耗主要包括自由空间传输损耗和散射损耗两部分。

1.1 自由空间传输损耗

自由空间损耗反映了无线电波在理想空间传播时产生的扩散损耗。自由空间传播损耗提供了一个可供比较的传播环境标准。自由空间传播损耗Lbs的定义为:

undefined。

式中,Lf为自由空间传播基本传输损耗;d为传播路径长度;λ为波长。

1.2 反射损耗

在工程实践中,典型的移动通信电波传播需要考虑地物等反射对电波传播的影响,这种情况下的传播通路为直射通路和反射通路,对应的传播模型称为二射线反射模型。

反射引起的附加损耗可以表示为:

undefined。

式中,λ为波长;Re为等效反射系数;Δr为直接射线与地反射射线之间的路程差。

2 服从瑞利分布的衰落深度

无线信道中传输的信号在无视距路径存在的情况下是服从瑞利分布的,此时信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

从而可以得到相应的幅度分布概率为:

undefined

即P(R)为传输信号不超过给定值的概率,而q(R)表示传输信号超过给定值的概率。

根据式(1)和式(2)可以求出包络功率ω=r2的分布密度和分布概率为:

undefined, (3)

undefined。

式中,ω0=2σ2为平均信号包络功率。

令式(3)右边等于1/2,可以得到信号幅度中值为:

ωm=ω0ln2。

从而可得:

undefined

而相应于被超过概率q的相对于中值的电平即为:

V(dB)=10lg(-lgq)+5.2。

从而得到信号服从瑞利分布情况下的衰落深度为:

F=V(0.5)-V(0.9)≈8.2 dB。

3 服从莱斯分布的衰落深度

当信号在无线传输过程中存在视距路径且该视距路径可建模为常矢量时,此时传输信号服从莱斯分布,信号幅度、相位的联合分布密度为:

undefined。

式中,α为直射路径分量幅度。

信号幅度和相位的分布密度分别为:

undefined

式中,

undefined(零阶虚变量贝塞尔函数);

undefined;undefined;

undefined。

当γ2<<1时,信号可近似看作是服从瑞利分布,而当γ2 >>1时,则

undefined

从而可以得出结论,当常矢量很强时,信号的幅度和相位主要分布在常矢量的幅度值α和相位值θ=0附近。可得信号幅度的分布概率为:

undefined。

定义undefined,则

undefined。

从而可得相对于常矢量的被超过概率q的相对于中值的电平为:

F=20lgm。

令K=20lgk,从而可以得到信号服从莱斯分布情况下的衰落深度为:

undefined

。

不同莱斯因子条件下的误码性能如图1所示。

4 衰落速率分析

衰落速率可表示为:

undefined。

当用中值电平表示时,衰落速率还可以写为:

N(r)=N(rm)n(r)。

式中,N(rm)为中值电平rm处的衰落速率;n(r)为电平r处的相对衰落速率。可以得到N(rm)和n(r)的表达式为:

undefined;

undefined。

当γ=0时,信号服从瑞利分布:

undefined。

当γ≠0时,信号服从莱斯分布:

undefined。

5 结束语

小尺度衰落是无线接入多径衰落信道重要特征,在典型的莱斯分布和瑞利分布衰落信道条件下,衰落深度和衰落速度是表征信道特性的重要参数,直接决定了系统工程中关键部件的设计方法。本文推导了莱斯、瑞利信道衰落深度和衰落速度的统计计算方法,对针对变参条件下的信道设计有一定的参考作用。

参考文献

[1]PROAKIS J G.数字通信(第4版)[M].张力军,译.北京:电子工业出版社,2003.

接入信道 篇3

关键词：IEEE 802.15.4,饱和吞吐量,马尔可夫链模型

0 引言

无线传感器网扩展了人们信息获取能力,将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,在下一代网络中将为人类提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够极方便地获取客观物理信息,因此具有十分广阔的应用前景,能应用于军事国防、工农业控制、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等重要领域。无线传感器网络应用之防范已经引起了许多国家学术和工业界的高度重视,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络的介质访问控制协议处于通信协议的底层部分,它是所有数据报文和控制信息在无线信道上进行发送和接收的控制者。正因为这种重要性,近年来,对于无线传感器网络的性能分析与评价成为无线传感网络领域的一个热点。MiLic J等采用马尔科夫模型模拟IEEE802.15.4协议CSMA/CA的退避过程,该模型基于一种饱和吞吐量的假设,不适用于非饱和的情况;Sofie Pollin 等建立的模型增加了空闲状态,但是把数据包发送时持续的每个时隙都作为一个状态,虽然模型很精确,但是计算非常复杂;Pollin等人同样研究了上行链路的饱和模型,没有考虑时延和碰撞的影响。Misic等人就非饱和情况推出了一个数学模型,将时延加入了模型,但还是没有考虑碰撞的影响。

在上述研究成果的基础上,对IEEE802.15.4 CSMA/CA基本机制进行改进,在原来标准马尔科夫链的基础上加入对空闲状态的建模,提出了一种新的基于最优发送概率的机制N-MAC。实验结果表明:当网络规模发生变化时,N-MAC的性能明显优于基本MAC机制。

1 IEEE802.15.4协议CSMA/CA机制

星型网络和点对点网络是IEEE802.15.4网络的两种基本拓扑结构。本文只针对星型拓扑结构进行研究。

在无线传感器网络中,NB、CW和BE是介质访问控制协议算法中的三个重要参数。其中NB ( Number Of Backoffs) 表示站点的后退次数,它的初始值为0。当退避计数器的数值为0时,这时候如果站点监测到当前信道有数据包传送时,则将后退次数的值加1;但是当后退次数超过最大值时,则表明当前数据包发送失败。CW (Content Window Length) 表示站点当前竞争窗口的长度。BE (Backoff Exponent)表示站点的后退指数,取值范围是0～5,它的默认值为3。图1描述了CSMA/CA算法的整个流程。

CSMA/CA算法的具体步骤:

①站点初始状态时,当网络中有数据包要传输时,首先站点要将后退次数NB赋值为0,将竞争窗口CW的值赋值为2,后退指数BE在2和MinBE之间随机取值,其中MinBE表示站点在退避时的最小退避指数。

②在确定传感器节点中存在电量的前提下,站点在0到2BE-1之间要随机产生一个等待时间进行指数退避,这样做的目的是避免发送数据时产生碰撞,减少信道的碰撞概率,以增加信道的使用率,提高系统的整体性能。

③当退避计数器到达0时,执行第一次、CCA信道检测,其中CCA主要用于检测信道是否空闲,属于物理层的检测。

④如果CCA检测到信道忙,则后退次数和后退指数的值分别加1,但是后退指数的值最大不能超过最大退避指数5,竞争窗口的值重新置为2。如果后退次数的值小于或等于介质访问控制协议协议的最大退避次数5,则算法重新回到步骤②,如果上述条件都不满足的话,表示接入信道失败,整个算法终止。MAC层向上层报告数据包发送失败的信息。

⑤反之如果CCA检测到信道当前状态时空闲,则当前竞争窗口的值减1,回到③,然后进行第二次CCA信道检测,直到当前竞争窗口的值减到0,这时候表示节点竞争信道成功,开始发送数据帧。

2 马尔科夫链数学分析模型

本文为了研究方便,假设整个网络由1台网络协调器和n-1台传感器节点组成。

2.1 分析模型

为方便起见,假设随机过程w(t)表示一个设备在时隙为t时的退避窗口的大小,随机过程s(t)表示设备在t时刻所处的退避阶段。{s(t),w(t)=0}和{s(t),w(t)=-1}分别代表第一次CCA检测和第二次CCA检测的随机过程。α和β分别表示在第一次CCA和第二次CCA都检测到信道是忙的概率。

因此可以得出数据流单步转移概率如下所示,由图2中可以看出,马尔科夫链模型中加入了对信道空闲状态的建模:

$\begin{array}{l}{\rm P}\{i,k|i,k+1\}=1,i\in (0,m),k\in (0,W{}_i-2)\\ {\rm P}\{i,-1|i,0\}=1-\alpha ,i\in (0,m)\\ {\rm P}\{i,k|i-1,0\}=\frac{\alpha }{W},i\in (1,m),k\in (0,W{}_i-1)\\ {\rm P}\{i,k|i-1,-1\}=\frac{\beta }{W},i\in (1,m),k\in (0,W{}_i-1)\\ {\rm P}\{0,k|-2,G-1\}=\frac{1-q{}_1}{W{}_i},i\in (1,m),k\in (0,W{}_0-1)\\ {\rm P}\{-1,0|-2,G-1\}=q{}_1\\ {\rm P}\{0,k|m,0\}=\frac{\alpha (1-q{}_1)}{W{}_0},k\in (0,W{}_m-1)\\ {\rm P}\{-1,0|m,0\}=\alpha q{}_1\\ {\rm P}\{0,k|m,-1\}=\frac{\beta (1-q{}_1)}{W{}_0},k\in (0,W{}_m-1)\\ {\rm P}\{-1,0|m,-1\}=\beta q{}_1\\ {\rm P}\{0,k|-1,0\}=\frac{1-q{}_2}{W{}_0},k\in (0,W{}_i-1)\\ {\rm P}\{-1,0|-1,0\}=q{}_2(1)\end{array}$

设$b{}_{i,k}=\underset{t\to \infty }{{\displaystyle \lim }}{\rm P}\{S(t)=i,W(t)=k\}(i\in (0,m),k\in (0,W{}_i-1))$为马尔科夫链的稳态分布概率,根据马尔科夫链规则有如下关系式:

$b{}_{i,k}=\frac{W{}_i-{\rm K}}{W{}_i}b{}_{i,0},(i\in (0,m),k\in (0,W{}_i-1))(2)$

由离散随机过程各状态的概率总和为1可得如下关系式:

$1=b{}_{-1,0}+{\displaystyle \sum _{k=0}^{G-1}b}{}_{-2,k}+{\displaystyle \sum _{i=1}^m{\displaystyle \sum _{k=-1}^{W{}_i-1}b}}{}_i,k(3)$

由马尔科夫链的归一化条件可得:

$\begin{array}{l}b{}_{0,0}=\frac{2(1-q{}_2)(1-2p)(1-p)}{2{}^{\text{Μ}\text{i}\text{n}BE}(1-q{}_2)(1-p)[1-(2p){}^{m+1}]+{{\rm P}}^{\prime }}\\ m\le 5-\text{Μ}\text{i}\text{n}BE\\ b{}_{0,0}=\frac{2(1-q{}_2)(1-2p)(1-p)}{2{}^{\text{Μ}\text{i}\text{n}BE}(1-q{}_2)(1-p)[1-(2p){}^{6-\text{Μ}\text{i}\text{n}BE}]+{\rm P}{}^n}\\ m\le 5-\text{Μ}\text{i}\text{n}BE(4)\end{array}$

其中,p′和p″的表达式分别为:

p′=(1-q2)(1-2p)(3-α)(1-pm+1)+2q1(1-2p)(1-p)+2G(1-q2)(1-2p)(1-p)(1-pm+1

p″=(1-q2)(1-2p)[(3-α)(1-pm+1)+32W(p6-MinBE-pm+1+2G(1-q2)(1-p)(1-pm+1)]+2q1(1-2p)(1-p) (5)

由图2所示的马尔可夫链可以推导出,站点在第一,第二个CCA检测内成功gon发送数据的概率分别为:

$\omega ={\displaystyle \sum _{i=0}^{m}b}{}_{i,0}={\displaystyle \sum _{i=0}^{m}p}{}^{i}b{}_{0,0}=\frac{1-p{}^{m+1}}{1-p}b{}_{0,0}(6)$

$\tau ={\displaystyle \sum _{i=0}^{m}b}{}_{i,-1}={\displaystyle \sum _{i=0}^m(}1-\alpha )b{}_{i,0}=(1-\alpha )\omega (7)$

由802.15.4协议的基本机制可知,站点能发送数据包的前提是站点在两次CCA检测中信道都为空。因此,设λ为设备发送数据包的概率:

λ=(1-β)τ=(1-pm+1)b0,0 (8)

由式(9)-(10)可知:

α=G{1-[1-(1-α)(1-β)ω]n-1=G(1-

(1-λ)n-1} (9)

$\beta =\frac{1-(1-\lambda ){}^{n-1}}{2-(1-\lambda ){}^{n-1}}(10)$

因此:

$\beta =\frac{1-(1-\lambda ){}^{n-1}}{2-(1-\lambda ){}^{n-1}}(11)$

2.2 吞吐量计算公式

令ptr为站点在任意一个时隙时间发送数据包的概率,即表示至少一个站点在随机选定的时隙时间内发送数据包的概率,有:

ptr=1-(1-γ)n (12)

令ps为站点成功传送数据包的概率,有:

$p{}_s=\frac{n\lambda (1-\lambda ){}^{n-1}}{p{}_{tr}}(13)$

联立式(12)-(13),则可以得出整个系统的饱和吞吐量公式为:

3 M-MAC机制性能分析与评价

3.1 试验环境及参数设置

本小节采用数学分析的方法来验证本文提出的新的802.15.4CSMA/CA退避机制的优越性。

这里考虑一个单跳的星型网络场景,节点处于一个能够相互监听的信道区域内。

本次实验主要采用的实验参数如下:数据包有效载荷为70bytes;发送时隙大小为20symbol;MAC层帧头为70bytes;PHY帧头为6bytes;信道速率为250kbps;ACK超时时间为54symbol。 本文假设数据链路层发送的数据帧大小恒定,并且每个站点一直工作在饱和状态下,也就是站点一直有数据包要发送。

3.2 结果及分析

从图3中可以明显看出新机制N-MAC的饱和吞吐量在数据包到达率增加的基础上比基本MAC 机制的饱和吞吐量高。并且随着数据包到达率的增加,两种机制的饱和吞吐量都有所增加,但是明显可以看出,N-MAC机制的饱和吞吐量增加的幅度要高于基本MAC机制。

从图4中可以明显看出新机制N-MAC的饱和吞吐量比基本MAC 机制的饱和吞吐量高,并且随着站点数目的增加,两种机制的饱和吞吐量都呈下降趋势,这是因为随着站点数目的增多,站点间的竞争加大,成功接入信道的概率变小。

总体而言,本文提出的方法可以增大系统的饱和吞吐量,对提高无线传感器网络的整体性 能起到 了很好的作用。

4 结束语

在上述研究成果的基础上,本文对基本MAC进行改进,在原来标准马尔科夫链的基础上加入对空闲状态的建模,提出了一种新的基于网络规模的无线传感网络协议N-MAC。数学分析实验结果表明:当网络规模发生变化时,N-MAC的性能明显优于基本MAC机制。然而,本文还是在理想信道情况下进行的研究,因此,如何改进无线传感器网络在非理想信道下的整体性能是下一步研究的重点。

参考文献

[1]Pollin S,Ergen M,et al.Performance Analysis of Slotted IEEE802.15.4 Medium Access Layer[C].Proc.of IEEE GLOBE-COM,2006,San Francisco,CA,USA,2006:1-6.

[2]Zheng J,Lee J M.A comprehensive performance study of IEEE802.15.4.Sensor Network Operations[M].IEEE press,2006:218-237.

[3]Yang Xiao,Yi Pan.Differentiation,QoS Guarantee,and optimiza-tion for real-time traffic over one-hop ad hoc networks[J].IEEETransactions on Parallel and Distributed Systems,2005,16(6):538-549.

[4]孙利民,李建中,等.无线传感器网络[M].清华大学出版社,2005.

[5]Kim T,Choi S.Priority-Based Delay Mitigation for Event MonitoringIEEE 802.15.4 LR-WPANs[J].IEEE Communications Let-ters,2006,10(3):213-215.

[6]Zhang Y,Xu P,Zhang Z,et al.Comments on Throughput analysisof IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA considering timeout period[J].IEEE electronics Letters,2006,42(19):1127-1128.

接入信道 篇4

IEEE802.11是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE的802.11标准由很多子集构成,它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层(媒体访问控制)的通信协议。该系列中的802.11b,802.11a和802.11g都已经崭露头角,尤其是802.11g,它的产品普及率最高,在众多的标准中处于先导地位。IEEE802.11在MAC层(媒体访问控制)定义了两种信道接入技术,不同的信道接入技术对网络的性能有不同的影响,因此在设计研究过程中需要根据网络性能的实际要求来选择不同的信道接入技术。本文既是研究不同的信道接入技术对网络性能的影响。给网络设计提供重要依据。

2 IEE802.11信道接入技术

2.1 分布式访问方式(DCF)

IEEE802.11中的分布式协调机制是一种基于分布式控制的竞争式共享介质方式,采用带冲突避免的载波监听多路访问技术。DCF机制主要采用两种方法进行帧的传输,基本接入机制以及请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制【5】。

在分布式协调机制中,站点在开始发送新的数据前必须首先监听介质。如果介质上已有信息正在传输,则此站点将不会发送本地信息。如果两个或者更多的站点同时传输,则有可能导致碰撞,从而造成发送失败。因此为了避免冲突,站点在开始发送之前先监听介质。如图1所示,当一个站点检测到物理信道空闲时间超过一个DCF帧间距(DIFS)之后,站点进入退避状态,每个站点维护一个退避计时器,当退避计时器为0时,站点发出请求发送(RTS)信号。如果在规定时间内没有允许发送(CTS)信号返回,则站点认为发生了冲突从而使竞争窗口加倍,选择新的退避计时器重复上面的操作。

在无线通信系统中,由于发送信号的泄漏,在发送的时候很难进行检测,因为无线信道信号的强度变化范围非常大,所以就无法采用冲突检测的方式。所以,只能是在发送前,先检测一下,也就是载波监听。载波监听是非常重要的技术,载波监听在发现介质空闲时,站点就可以启动介质竞争机制,竞争信道。主要有两种方式,一种是物理(直接)载波监听,还有一种是虚拟(间接)监听,前者是从MAC帧中携带的相关信息来实现的一种逻辑上的预测,即每个帧携带发送站下一个帧将持续时间的信息,其它有关联的各个站点根据这个信息对信道是否占有进行预测。如果某个站点没有监听到持续时间字段,站点只能通过物理层检测;后者通过接收信道的能量强弱来确定。因为物理监听的方式下,无线信道不稳定,信号变化强度大,所以,通常采用虚拟的方式,就是利用帧中持续时间的保留信息,该信息包括将要使用信道的时间和其他控制信息。CSMA/CA是有冲突避免的载波监听型多址接入协议。它是对CSMA的另一种改进方法。它不仅支持全连通的网络拓扑,同时支持部分连通的网络拓扑。

其中CSMA/CA信号流程如图2所示。其工作原理如下:某工作站在发送信息之前,检测信道是否空闲以及空闲时间是否大于IEEE802.11DCF规定的帧间隔时间,如果否,该STA就延迟接入,直到当前的传输结束。之后,也就是一次成功传输完成刚结束,这时碰撞发生率最高,因为所有待发送的STA都延迟等待这一时刻的到来,为进一步减少碰撞,工作站选择随机避退(back off time)再次延迟接入,在检测信道的同时倒数back off time计数器,直到其值为0,这时,如果其它工作站选择的back off time更短,它就赢得了信道占用权,文中所述的STA又检测到信道忙,只好再次延迟接入,否则,若信道空闲,发送信息。

2.3 中心网络控制方式(PCF)

PCF【5】是一种可选优先级的无竞争的介质访问方法,以DCF控制机制为基础,由中心控制器AP控制各个站点的数据帧传送,所有站点都服从中心站点的控制。在PCF协议中,AP通过向相关的移动站发送轮询消息,依次对这些移动站进行轮询。如果AP需要将数据发送至正被轮询的移动站,那么数据可包含在轮询消息中。如果轮询的基站需要将数据发送至AP,则可将数据包含在轮询响应消息中。在适当情况下,确认信息(确认收到了上一个来自AP的数据帧)也可包含在响应消息中。

由于DCF只能提供尽力而为(Best effert)的服务,没有任何QOS保证。为了提供延迟受限的服务,IEEE802.11提供了可选的PCF机制。PCF只能在有中心协调点(一般由接入点担任)的架构式网络中使用。PCF以DCF为基础,在DCF之上实现。图3是PCF和DCF的关系示意图。

点协调机制是优先级高于分布式协调机制的访问方式,提供对无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下,置于访问站点(AP)中的中心控制器(PC)控制来自工作站的帧的传送。工作站均在PC的控制下获得对媒质的有限访问。中心控制器在其发出的查询帧中使用PIFS,因为PIFS小于DIFS,因而中心控制器总是能获得对介质的访问并且在其发送查询帧、接收响应时,把异步通信全部都锁住。PC在每一个无竞争期开始,都对介质进行监测。如果介质在PIFS间隔之后仍然空闲,PC就发送一个包含无竞争期各项参数的信标(Beacon)帧。在含有AP的BSS中,信标帧用于保证相同物理网络中工作站的同步,它包含时间戳(Timestamp),所有工作站都利用时戳来更新计时器,802.11定义其为时间同步功能计时器。工作站接收到信标帧后,更新它们的NAV。该值向所有工作站通知无竞争期的长度,直到无竞争期结束才允许工作站获得对介质的控制权。发送信标帧后,PC等待至少一个SIFS间隔,然后发送下列帧之一:

1.数据帧:这种帧直接从AP的中心控制器发往轮询表中的某个站点,如果PC没有收到接收端返回的确认帧(ACK),会在无竞争期内的PIFS间隔后重发该帧。中心控制器可以向所有的站点发送广播,单播以及多播帧。

2.无竞争轮询帧:PC向某个工作站发送无竞争轮询帧,授权该工作站可以向任何其它目的终端发送数据.如果被轮询的工作站没有数据要发送,它就发送一个空数据帧。如果该站没有收到己发送数据的确认帧,则必须在被PC再次轮询时重发未被确认的帧。

3.数据帧+无竞争轮询帧:PC向某个站点发送数据,而这个站点恰好是轮询列表中即将被轮询到的,那么为了降低系统开销,可以发送这种类型的帧,以便使轮询和数据传输同时进行。

4.无竞争结束帧:这种帧用于确定竞争期的结束。站点可以选择是否被PC轮询,可以在连接请求帧(Association Request)中的特殊信息字段CF一Pollable项中表明是否希望被轮询,某个站点可以通过发包Reassoeiation Request帧来改变自己的可轮询性。Pe维护着一个轮询队列,每个非竞争期PC至少会发送一次CFPoll,从而使队列中的工作站都有可能被PC轮询。对于点协调机制,其Qos支持也具有很大的局限性:由于竞争期站点发送的数据长度不能控制,使得下一个目标信标传输时间的信标发送产生延迟;而在非竞争期被轮询的站点发送的数据大小也不可控,因此站点的传送时间也不易被接入点控制;接入点的轮询调度算法过于简单,同样没有区分业务类型。

3 OPNET平台中的仿真设计实现

3.1 仿真设计

3.1.1 建立基本模型

从OPNET自带的物件拼盘中选择wireless_lan_adv作为基本模型,然后使用可移动的器件wlan_station_adv(mob)作为接入节点,设置15个节点来进行仿真。应用配置物件用来配置不同的业务。在PCF中选择mobile_node_0作为接入点。只需将该节点的PCF Functionality设为Enabled。

3.1.2. 设置网络规模

范围设定为o f f i c e,网络大小设定在100m*100m。

3.1.3 设置业务参数

采用ON-OFF业务,在ON期间产生数据包,每个包的大小和包间隔可以按照某种分布函数来确定,在OFF期间不发送数据包。设置Start time为constant(1.0),ON的平均持续时间为exponential(10),OFF的平均持续时间为exponential(90),包平均到达的间隔为exponential(1.0);每个数据包的大小为exponential(1024)(字节)。

3.1.4. 配置WLAN中的输入接口参数

DCF方式如图5所示,PCF方式如图6所示:

3.1.5 收集统计量并处理图像

在收集统计量时统一对节点mobile_node_3收集统计量,要收集的统计量有throughput(吞吐量)、data dropped(丢包率)、delay(传输时延)、网络负载以及单个节点的发送速率,接收速率等等。

在设置仿真参数时仿真持续时间为1天,随机数为128(seeds)。

最后是运行仿真处理图像。直接采用Optimized仿真核心,这样调试信息就会省略掉,从而提高仿真速度。对仿真得到的曲线取平均值处理,便于后面总结结论研究。

从图8我们可以看出就WLAN LOAD性能参数来讲,PCF站点和DCF站点的负载是差不多的。这是因为两种方式的节点产生的数据包几乎是差不多的。其实这也是期望中的结果,因为PCF相对于DCF的优势在其负载上并不是很明显。

从图7可以看出两种方式的吞吐量是非常相似的,甚至是某些峰值点所出现的时间都很类似,只出现了一点的时间差。这也是我们所期望的,因为,尽管时延不同,但是在目前的负载水平上,其媒介的状态并没有达到“饱和”,换句话说,也就是不管是PCF源节点还是DCF源节点所发送出来的数据包,迟早会到达目的节点的。

稳定、可靠、高效是我们对网络的基本要求。丢包率反应网络的可靠性。从图11中可以看出,DCF方式的平均丢包率要高于PCF方式,但是在延迟方面,DCF方式则较PDF方式有明显的优势,这也与理论分析一致。DCF是基于竞争的,在节点数较少的情况下,延迟较小,吞吐量较大。在丢包率也即可靠性方面PCF较DCF方式有很大提高,这也正是音频、视频等多媒体数据对网络传输安全性能的要求。所以,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。

从图12可以看出,在吞吐量相同的情况下,PCF协议在延迟方面要优于DCF。对于时间敏感的实时性业务,如分组话音和多媒体业务,应使用无争用服务的点协调功能PCF协议。但是大多数情况WLAN的默认配置采用DCF而不是PCF。因为DCF基本上能够满足传送数据业务的服务要求,而PCF采用轮询的方式,增加了开销,所以带宽利用率较DCF低。因此实际应用中,若业务在丢包率许可的范围内,还是应考虑采用DCF协议。

但是PCF的主要缺点是扩展性较差,因此只是一种可选的接入方式,通常与DCF一起使用。DCF是802.11系列标准中最重要的信道接入方式,它使普通的节点和AP都相互竞争来接入无线信道,因此它适用于对时延不敏感的数据业务,如Email和FTP等。PCF必须依赖于固定的基础设施(如AP),而DCF则不需依赖任何固定的基础设施,是唯一能够用于Ad hoc网络的信道接入方式。

4 总结

本文在介绍了WLAN中MAC层的DCF功能和PCF功能的基本原理的基础上,利用了先进的网络仿真工具OPNET架构起仿真模型,并且对二者在网络负载,端到端时延,以及吞吐量等网络性能的统计特性进行了仿真。仿真结果表明,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。采用PCF的站点由于使用无竞争轮询机制在某些性能方面是优于采用DCF功能的站点的,但是PCF功能是基于基础网络的,要实现PCF功能还要在专门的基站或AP上装有软件PC(Point Coordinator)。如果对于大型网络,采用PCF功能还是可以很好的提高整个网络的性能的。这样为用户使用提供了可靠的依据。

参考文献

[1]钟章队.无线局域网[M].北京:科学出版社,2008

[2]王文博,张金文.OPNE Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[3]李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社:6～18,2006.

[4]周慧.OPNET网络仿真及其应用研究[C].武汉:武汉科技大学,2009.6

[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]李楠,岳佳.无线局域网关键技术与应用[J].山西电子技术,2008,(06):59-60

[7]王文波.IEEE802.11DCF协作MAC接入机制研究[C].北京:北京邮电大学,2009.2

[8]及晓梅.关于IEEE802.11协议MAC层DCF机制的研究与改进[C].天津:天津大学,2004:21-22

接入信道 篇5

本文介绍了CDMA反向接入信道和前向业务信道的结构及原理, 给出了采用SystemView软件仿真反向接入信道和前向业务信道的方法及仿真结果。

一、CDMA系统反向接入信道仿真

1、反向接入信道

移动台使用接入信道来发起同基站的通信, 以及响应基站发来的寻呼信道消息。接入信道的结构图如图1所示:

每个接入信道对应前向链路中的一个寻呼信道, 但每个寻呼信道可对应多个接入信道。移动台通过接入信道向基站进行登记, 发起呼叫, 响应基站发来的呼叫等。当呼叫时, 在移动台没有转入业务信道以前, 移动台通过接入信道向基站传送控制信息。当需要时, 接入信道可以变成业务信道, 用于传输用户业务数据。所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输, 以便通信保密[1]。

在一个CDMA频道中, 每个寻呼信道能同时支持32个接入信道, 最少可能是0个。每个接入信道帧包含96 bit。每个接入信道帧由88个信息比特和8个编码尾比特组成。接入信道前缀包含一个96个全零的帧, 以4800 b/s的速率发射。发射接入信道前缀是为了帮助基站捕获接入信道。

接入信道的编码过程: (1) 卷积 (2) 码元重复 (3) 交织 (4) 正交调制。正交调制后信号速率从28800 bit/s提高到307.2kbit/s。接入信道扩频时利用了PN长码。在进行直接序列扩频以后, 使用I和Q正交序列作四相扩频调制, 加入基站特征.使用户信号的相位充分地随机化。这一对I和Q正交序列称为引导PN序列, 即正交PN序列对。反向链路信道四相扩频使用的都是固定零偏置的PN序列对。经PN序列对扩频生成的正交信道序列最后进行OQPSK调制。Q支路的序列经延迟Tc/2=406.901n s后, I路和Q路序列送到基带滤波器限带并滤波, 最后按照OQPSK的方式进行发送载波调制。

2、反向接入信道的SystemView仿真电路的设计

根据CDMA反向链路接入信道结构框图1及上述原理, 反向链路接入信道的仿真电路图如图2所示。

图中以伪随机序列发生器图标0作为系统的信息源。它产生的序列分为两路, 分别经过由图标3、4到图标33等组成的信号通路和图标1, 图标1是代表完整反向链路接入信道系统的单个图标。为了降低系统的最高信号频率以提高仿真效率, 两路信道均按照基带信号处理步骤进行仿真。

3、仿真结果

运行该系统, 并将信号经图标1与经图标3—34组成的信号通路的结果相比较。接入信道信号通路的功能与单一的接入信道相同, 符合IS-95标准的CDMA反向链路接入信道模型。仿真结果如图3所示。

二、CDMA前向业务信道仿真

1、前向业务信道

前向业务信道用来传送基站向移动台发送的用户信息和信令信息, 在每个前向业务信道中包含有向移动台传送的业务数据和功率控制的信息。基站在前向业务信道上以9600bit/s、4800bit/s、2400bit/s和1200bit/s可变数据速率发送信息。业务信道采用可变数据速率, 不同的速率对应的发射功率不同, 速率越高, 发射功率越大。这样在没有语音活动期间降低数据速率, 可以降低业务信道对其他用户的干扰。前向业务信道帧长20ms, 数据速率的选择是按帧进行的。虽然数据速率是按帧改变的, 但调制符号速率保持固定, 即19200个符号/秒, 这是通过码元重复实现的[2]。

前向业务信道结构如图4所示。

2、前向业务信道的SystemView仿真电路的设计

前向业务信道的SystemView仿真电路如图5所示, 其中图标1代表了一个完整的前向链路业务信道模型, 其信号速率设置为9600 b/s。伪随机序列发生器图标0作为系统的信息源, 产生码速率为8.6kb/s的伪随机序列。与前面反向接入信道仿真时相同, 它发出的信号分别经过单一信道图标和各图标组成的信道模型两条信号通路。

3、仿真结果

运行该系统, 并将信号经过单个图标1与经过组合的前向链路业务信道两条信号通路的结果相比较。由图标4、18到图标16、15组成的前向业务信道链路与单个图标1的功能相同, 符合IS-95的CDMA标准的前向链路业务信道模型。仿真结果如图6所示, 通过观察可以发现, 观察窗3和观察窗14的输出波形相同。

三、小结

本文利用SystemView仿真软件对CDMA系统的反向接入信道和前向业务信道进行了模型设计并仿真, 仿真结果清晰地表现出两种信道的结构特点, 充分展示了SystemView在通信仿真中强大的功能和优越性。

摘要：本文在介绍CDMA系统反向接入信道和前向业务信道的结构及原理的基础上, 给出了采用SystemView软件仿真反向接入信道和前向业务信道的方法及仿真结果, 清晰地表现出两种信道的结构特点, 充分展示了SystemView在通信仿真中强大的功能和优越性。

关键词：SystemView,CDMA系统,反向接入信道,前向业务信道

参考文献

[1]姚美菱:《移动通信原理与系统》, 北京邮电大学出版社, 2011年。