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多址技术在无线网络中的应用
摘要：
在过去的20年中，通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了社会的发展。
在通信网络发展过程中，随机多址接入控制协议促进了通信网络的迅速发展，成为IEEE802.3,802.11和HIPERLAN等协议标准的核心，对以太网、Intemet、无线局域网和移动通信网络起到了重要的支撑作用。
关键词：
多通道;固定分配多址;随机多址;无线网络
Multi-sitesTechnologyinWirelessNetworkApplication
AuthorhezhujianInstructorliangpingyuna
Abstract：
Inpasttwentyyears,rapiddevelopmentandabroadplicationo
communicationtechnologyhavegreatlypromotedthedevelopmentofsociety.Communicationnetworkhasbeenacceleratedgreatlybyrandomaccessprotocols,whichhavebeenthestandardofIEEE802.3,802.11,hiperlanandplayaimportantroleinEthernet,Internet,WLANandmobilecommunicationnetwork.
Keywords：
manypassways;muchlocationatrandom;wirelessnetwork
1引言
多址技术一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志。
多址技术所要解决问题的特点是：
通信（子）网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数。
其实就是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。
其中对通信资源的切割与分配也就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。
常见的维有信号的时域、频域和空域，此外还有信号的各种扩展维。
信号空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。
例如，假设和分别为对应于用户i和j的无线信号；积分变量x为划分信号空间的维，如可以为时间、频率、空间或扩展维变量。
实际中不同用户之间的无线信号往往不能做到完全正交，而只能做到准正交，也就是说在积分区间中的积分应是趋近于零。
---多址通信技术在现代通信中起着重要作用。
在卫星通信、计算机通信、移动通信等通信网络中，当多个用户通过一个公共信道与其他用户进行通信时，就必须采用某种多址技术。
所谓多址技术是指允许两台或两台以上的发射机通过一个公共信道发送信号的技术按照信道资源的共享方式，多址技术通常又可分为两类：
固定分配多址（FAMA-FixedAssignmentMultipleAccess）和随机多址（RandomMultipleAccess）。
FAMA又分为频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）。
FDMA只适用于用户数比较少，通信业务量又比较稳定的网络。
DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况，但实现DAMA需要一个专用信道，供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。
随机多址又称随机接入，它的特点是所有用户都可以根据自己的愈愿随机地发送信息，并期望不会与其它节点发生碰撞.但是如果多个用户同时发送，就会发生多个用户的信息分组在物理信道上粗互重受（即碰撞），使得碰撞用户的发送都告失败。
因此随机多址实际上就是争用接入，争用胜利者才可获得信道，从而获得信息的发送权.随机接最初是在20世纪70年代初期在夏威臾大学试验成功的。
为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机，夏威夷大学建立了一种叫ALOHA（AdditiveLinkOn-lineHAvvaiisystem）的协议，又称为纯ALO队协议11）其基本思想是:
若一个空闲的节点有一个分组到达，则立即发送该分组，井期望不会与其他节点碰撞.实脸和理论分析表明，当负载为0.5时，系统的最大平均吞吐f为0.184。
但随粉负载的进一步加大.则由于碰撞的分组数增多，吞吐1t迅速下降，系统进入不稳定工作区。
为了提高系统吞吐f和网络的稳定性，则必需在负载增大的同时，尽可能的减少碰撞的分组数。
只有实现这样的控制技术，才能改善网络的性能.将时间划分为时隙（slot），所有站点在时间上同步，要发送分组的站点只能在时隙开始发送分组，这就是有名的Slot时ALOHA系统t1。
当该系统负载为1时其最大平均吞吐f为0.368.显然.系统的性能有了较大提高。
2固定分配多址技术
FAMA分为频分多址（FDMA），时分多址（TDMA），空分多址（SDMA），码分
多址（CDMA）。
2.1频分多址（FDMA）
频分多址（FDMA）是应用最早的一种多址技术，AMPS、NAMPS、TACS、NTT和JTACS等第一代移动通信系统所采用的多址技术就是FDMA，此外在卫星通信中FDMA也得到了广泛的应用。
每个FDMA信道每次只能承载一路业务信息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小。
FDMA信道的带宽窄（30kHz），限制了系统业务的进一步拓展。
FDMA系统中的基站需要采用带通滤波器以消除寄生辐射的影响，在移动台则需要使用双工器以支持收发器的同时工作，从而增加了基站与移动台的成本。
当然，FDMA相对于下面的TDMA也有优势。
比如，FDMA系统中的码间干扰小，几乎无需均衡；用于同步控制等的系统开销小；分配了信道的基站和移动台可以同时进行连续的信号发射。
2.2时分多址（TDMA）
时分多址（TDMA）在第二代移动通信系统中得到了广泛应用，如GSM、NADC和PACS等；此外在不少新建的卫星通信系统中也有所采用。
TDMA系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用率高，系统容量较大。
同样是由于用户工作的非连续性，所以电源效率高。
TDMA系统的发射和接收均在不同的时隙，所以无须双工器。
而且TDMA系统还可以根据用户需求灵活地进行时隙分配。
TDMA系统的缺陷是由于发射速率较高，为了消除码间干扰的影响需要采用自适应均衡；此外就是用于同步控制等的系统开销较大。
2.3空分多址（SDMA）
空分多址（SDMA）是一种新发展的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信标准TD－SCDMA中就应用了SDMA技术；此外在卫星通信中也有人提出应用SDMA。
SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。
实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用；也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。
应用SDMA的优势是明显的：
它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；此外一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰。
如前所述，SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。
特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求，对于当前的技术水平这还是个严峻的挑战。
所以，虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展，但仍然由于存在上述一些在目前尚难以克服的问题而未得到广泛应用。
但可以预见，由于SDMA的诸多诱人之处，SDMA的推广是必然的。
2.4码分多址（CDMA）
码分多址都是利用了地址码的正交性来实现多址接入，但通常可根据扩频的不同实现手法，将码分多址分为以下几种：
2.4.1直接序列码分多址（DS－CDMA）
这是用得比较多的一种扩频多址方式。
众所周知，DS－CDMA在现在的第二代移动通信中已经得到了成功应用；而且它还是第三代移动通信的核心技术，在IMT－2000的众多标准中，大部分都采用了DS－CDMA。
此外，在军事通信和卫星通信中，DS－CDMA也都受到了青睐。
从原理上来说，DS－CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。
收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。
根据Shannon定理，在信号平均功率受限的白噪声信道中，系统的极限信息传输速率C（b/s）与信道带宽B（Hz）、信噪比S/N之间应满足如下的约束关系：
C=Blb（1+S/N）
实际上，该式也体现了上述各变量之间的一种互换关系。
也就说，在所需的最高信息传输速率C不变的条件下，通过应用地址码展宽信号带宽B，就可以在信噪比S/N很低的条件下实现可靠通信。
DS－CDMA正是这一思想的应用。
通过DS扩频，将信号功率谱在一个很宽的频谱上进行了“平均”；或者说是在背景噪声不变的情况下，信噪比S/N变得很低，好像是将信号在噪声中“隐藏”了起来。
因此DS－CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。
此外，关于DS－CDMA的优点还可以罗列很多：
许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理；具有“软容量”特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS－CDMA没有绝对的容量限制；具有“小区呼吸功能”，即小区负荷量可以动态控制，相邻小区可通过覆盖范围的互动来重新分担负荷；可以通过“软切换”实现移动台的越区管理，保证越区时通信的连续性。
当然，DS－CDMA也存在一些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之间的非完全正交性而造成的，通信过程中不同用户的发射信号会相互干扰。
多址干扰是DS－CDMA系统中相当严重的一个问题，这还需要人们通过对地址码选择的进一步研究来解决。
此外，在DS－CDMA系统中还存在“远近效应”，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信号用户的通信形成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致，但现阶段人们已通过在移动通信系统中引入“自动功率控制”技术削弱了远近效应的影响。
2.4.2跳频码分多址（FH－CDMA）
跳频码分多址（FH－CDMA）在民用通信中并不多见，但在军事抗干扰通信中则是一种常见的通信方式。
FH－CDMA的基本原理是优选一组正交跳频码（地址码/扩频码），为每个用户分配一个唯一的跳频码，并用该跳频码控制信号载频在一组分布较宽的跳频集中进行跳变。
事实上，我们可以简单地将FH－CDMA看作是一种由跳频码控制的多进制频移键控（MFSK）。
当然从每一时隙来看我们也可以将其视为一种FDMA；但与普通FDMA的最大不同是，FH－CDMA的频率分配是由一组相互正交的具有伪随机特性的跳频码来控制实现的，所以我们仍然将其归属于码分多址，同时它又是一种扩频多址。
因为，虽然单独从每一跳变时隙的内部来看，FH－CDMA是一个窄带系统，但从一个较长时间的整体效应来看，FH－CDMA就是一个宽带扩频系统。
从抗干扰的角度来区分FH－CDMA与上述的DS－CDMA，FH－CDMA就是一种依靠跳频码控制的快速“躲避式”抗干扰技术。
2.4.3跳时码分多址（TH－CDMA）
跳时码分多址（TH－CDMA）同样主要是用在军事抗干扰通信领域。
与FH－CDMA不同的是，TH－CDMA用一组正交跳时码控制各个用户的通信信号在一帧时间内的不同位置进行伪随机跳变；所以，TH－CDMA可以看作是一种由伪随机码控制的多进制脉位调制（MPPM）。
显然TH－CDMA是一种码分多址；同时由于信号在时域的压缩意味着信号在频域的扩展，所以TH－CDMA也是一种扩频多址。
为了进一步提高抗干扰性能，TH－CDMA通常都是与其他扩频技术如跳频混合使用。
2.4.4混合码分多址（HCDMA）
混合码分多址（HCDMA）是指码分多址之间或是码分多址与其他多址方式之间混合使用的多址方式，以达到克服单一多址方式使用的弱点，而获得优势互补的效果。
组合的具体方式多种多样，如在码分多址方式之间的常用组合形式有：
跳频与跳时相结合的FH/TH－CDMA、跳频与直接序列相结合的FH/DS－CDMA、跳时与直接序列相结合的TH/DS－CDMA；而码分多址与其他多址方式的组合形式有：
FDMA与DS－CDMA相结合的FD/DS－CDMA、TDMA与DS－CDMA相结合的TD/DS－CDMA以及TDMA与FH－CDMA相结合的TD/FH－CDMA，等等。
3随机多址技术
随机多址接入技术最初是20世纪70年代初期在夏威夷大学实验成功的，这是为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。
由于无线信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以被多个站收到，而每个站又是随机发送的，因此这个系统是一个随机接入多址系统。
夏威夷大学早期研制的系统称为AddtiveLinkOn-lineHawaiisystem,简称ALOHA。
纯ALOHA系统的吞吐量极限值为0.184。
为了提高随机多址接入系统的吞吐量，可以将所有各站在时间上都同步起来，并将时间划分为一个个等长的时隙，同时规定，不论帧在任何时候产生，它只能在每下个时隙开始时才能发送出去，这样的ALOHA系统叫做时隙式ALOHA（SlottedALOHA）。
1972年Roberts推出SlottedALOHA最大的吞吐量为0.368。
CSMA（CarrierSenseMultipleAccess,载波监听多址接入）协议是在ALOHA协议的基础上发展起来的检测型随机竞争类MAC协议，由于起性能比ALOHA大大提高且算法简单，故在实际系统中得到了广泛的应用。
CSMA协议有几种类型，包括非坚持CSMA（NonpersistentCSMA）、在CSMA方式中，又分为时隙式和非时隙式。
后来，CSMA技术又进一步得到发展，如有线局域网中使用的IEEE802.3MAC标准协议就是CSMA的改进型。
IEEE802.3采用的CSMA/CD（带碰撞检测的CSMA）协议是在坚持CAMA的基础上增加了碰撞检测功能，从而使性能大大改善。
实现CSMA/CD的一个重要前提是各站能够非常容易地实现碰撞检测功能。
在有线局域网（如以太网）的情况下，可根据检测电缆线上支流分量的变化容易地实现碰撞检测功能。
然而当使用无线传输媒体时，日前尚在找到实现碰撞检测的简单有效方法，故CSMA/CD不能照搬到无线局域网中来。
对应于CSMA，有几种改进的算法可适用于无线传输媒体的MAC协议，即CSMA/CA、BTMA及ISMA，这些协议在无线通信中得到广泛的应用。
另外，由于随机多址接入技术在突发性事件中有较好的性能，目前它常被用来和各种固定多址技术（如CDMA，SDMA，TDMA，FDMA等）相结合，以改善通信网络的性能。
DS/CDMAALOHA就是CDMA与随机接入相结合的多址协议，在随机接入技术中采用CDMA技术能明显地改善系统的性能。
目前，随机多址协议的研究和改进仍是现代通信研究的一个重要课题，主要的研究方法有冲突分解，排队模型分析，以及随机多址技术的与固定多址技术的混合系统研究等，另外，随着多业务通信的要求，可以利用随机多址技术的某些特性，提供各种优先级控制算法以满足各种不同的通信方式，在一定程度上满足多业务通信中实时信息QoS服务质量的同时，也能使普通数据流能以最大信息传输速率来传输。
而在实现这种传输时，可以采用静态与动态控制的方式，使整个系统的性能得以改善。
3.1完全随机多址接入方式ALOHA
ALOHA系统的重要意义并不在于它是世界上第一个用无线信道连接的计算机网络，而在于它首先在无线信道中引入了数据包这一结构，这种结构与传统的点对点的信道结构有很大的区别，利用这种技术网络中的每一个用户可以随时发送数据，而网络中的用户不需要同步。
ALOHA信道的主要优点：
（1）允许大量间断性工作的发射机共享同一信道，由于不需要路由选择与交换，组建由大量的这类用户组成的网络比较简单。
（2）利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。
目前所用到的ALOHA多址接入有两种：
纯ALOHA和分隙ALOHA。
它们的区别在于，是否把时间划分为离散的时隙。
纯ALOHA无需全局时间同步，而分隙ALOHA则必须时间同步。
3.1.1纯ALOHA（P－ALOHA）
纯ALOHA（P－ALOHA）协议就是对于用户竞争发射的时间没有任何限制，用户在需要发射的任何时间即刻发射，然后等待反馈回来的碰撞检测信号，如果碰撞发生就再等候一个随机的时间进行重发。
显然，当用户数增加时，因碰撞概率的增加就会引入较长的平均时延。
设R为归一化信道流量（单位Erlang），P－ALOHA的吞吐量T=Re-2R。
A1
A2
A3
B1
B2
C1
C2
A1
B1
C2
完全碰撞部分碰撞
重发
A站
B站
C站
t
t
t
（a）纯ALOHA方式
t
中心站
A1
A2
A3
B1
B2
C1
C1
A1
B1
A3
B2
C2
A站
B站
C站
中心站
重发
重发
完全碰撞
t
t
t
（b）S-ALOHA方式
图1ALOHA方式发生碰撞与重发情况示意图
纯ALOHA是一种完全随机的多址方式。
在这种系统中，任何通信站只要有数据要发射，随时可以发射。
然后等待一段时间（等于电波往返传播时间）。
如果该站在这段时间内收到对方的应答信号，就认为发射成功。
否则，如果由于用户间发射的信号发生碰撞（部分或全部重叠），或因信道噪声产生误码，接收端均不能正常接收，发端收不到应答信号，则该站必须重发。
但为了避免连续碰撞，各站应该经过随机的延迟后分散重发。
如图1（a）所示。
如果几次（2-3次）重发均失败，就应该放弃重发。
可以看出，这种系统比较简单，但由于碰撞与信道空闲的时间均较多，故信道利用率比较低，为了导出这种系统的性能，我们假设：
a有无限多个通信站，每个站产生一无限小的分组率，因而单位时间产生的总分组数是有限的；
b所有分组长度固定；
c不考虑信道噪声；
…….……………………………..……
………………………………
…………
…………………………..
0.4
1/e
S-ALOHA
ALOHA
0
0.01
0.1
0.5
1
10
0.2
1/2e
吞吐量S
图2ALOHA与S-ALOHA的性能
d提供网络的负载（G）是泊松分布。
假设采用如下符号：
S——网络吞吐量，代表有效传输的实际总数据率，通常归一化，以网络容量的百分数表示；
G——提供负载，提供给网络的总数据率，等于S加上因碰撞而单位时间重发的分组数之和，通常归一化。
已设G为泊松分布，对于速率为λ的泊松过程，在时间t内的传输概率Pr=1-e-λ1。
由图（a）可以看出，易受碰撞的时间t=0，而速率λ=G，于是有Pr=1-e-2G，即重发率为G×Pr。
因而有：
G=S+GPr=S+（1-e-2G）
（1）
故S=Ge-2G
（2）
如果将
（2）式对G求导数，并且令其等于零，则得到最大值存在于G=0.5初，且S=S=1/2e0.184。
即大于吞吐量仅为容量的18.4%。
例如，设ALOHA网采用9600/s的数据率，则总的最大吞吐量仅为0.184×9600=1766b/s的容量必须由所有用户共享。
需要指出，S与报文长度分布有关，对于固定长度报文为0.184，而当报文长度为指数分布时只有0.13。
ALOHA方案的S与G的一般关系如图2所示。
可以看出，除了信道利用率低外，ALOHA方式还存在不稳定性。
即当业务量较小时，信道利用率随业务量的增加而增加，但到一定程度后，业务量再增加，由于碰撞机会增多，信道利用率反而下降。
极端情况下甚至无法正常通信。
3.1.2时隙ALOHA（S-ALOHA）
时隙ALOHA是一种时分随机多址方式。
它将信道分为许多时隙，每个时隙正好传送一个分组。
时隙的定时有系统时钟决定，各站控制单元必须与此时钟同步。
各站只允许在时隙时端开始发射。
因此，一旦发生碰撞就是完全重叠。
如图1（b）所示。
所以，易遭受碰撞的时间t=1，单个分组遭受碰撞的概率为1-e-G。
与式
（2）相应得到：
S=Ge-G
将式（3）对G求导数，令其等于零，求得S的最大值为1/e=0.368即36.8%。
可见仅由于这一简单的改进，就使信道利用率增加一倍。
和纯ALOHA一样，发生碰撞后各站仍是经过随机时延后分散重发。
因此S-ALOHA仍存在不稳定性问题。
3.2载波监测随机多址接入方式CSMA
3.2.1带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD
载波多址技术（CSMA）是对ALOHA协议的进一步改进。
CSMA允许每台计算机来确定共享多路是否已被其它计算机使用,它能防止打断一个正在进行的传输,但它不能防止所有可能的冲突。
当两台计算机同时检测载波,同时发现电缆是空闲的,同时开始发送帧。
两台计算机传输的电子信号将互相干扰。
这个结果就叫做冲突。
为了处理这样的事件，以太网要求每个发送计算机检测电缆上的信号来确保没有其它计算机同时传输。
当一台正在发送的计算机检测到冲突时就立即停止传输。
这样检测电缆就是所谓冲突检测CD（CollisonDetect），这种以太网机制就是所谓的带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD。
CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDerect），即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。
它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。
CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。
每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。
这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。
每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。
CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用。
载波侦听多路访问协议（carriersensemultipleaccessprotocol）在局域网中，站点可以检测到其他站点在干什么，从而相应地调整自己的动作。
网络站点侦听载波是否存在（即有无传输）并相应动作的协议，被称为载波侦听协议（carriersenseprotocol）。
下面介绍几种带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD（carriersensemultipleaccesswi
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