空分多址SDMA-SPMA多址接入系统技术方案

本发明专利技术公开的一种空分多址SDMA‑SPMA多址接入系统，旨在提供一种能够提高网络吞吐量的接入系统。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：SPMA协议处理单元统计单位时间内各定向接收天线收取的数据量，SDMA信号处理单元对SPMA协议处理单元发送的数据进行编译码、调制和解调，向网络成员发送收发数据；各网络成员通过信道统计消息的交互计算出网络负载，节点利用各自计算得到的网络负载查表获取下个信道统计周期内本节点发送消息的时延；网络负载与信道接入时延之间的映射表通过在SPMA协议处理单元处初始化加载获取；网络成员周期计算网络负载，查询网络负载与信道接入时延映射表，得到本节点的信道接入时延，节点根据信道接入时延计算消息发送时机。

SDMA-SPMA Multiple Access System

【技术实现步骤摘要】
空分多址SDMA-SPMA多址接入系统
本专利技术涉及网络接入领域，尤其是具有空分的多址接入SPMA多址接入系统且适合用于自组织网络的一种多址接入技术。
技术介绍
随着信息科学的发展，传统集中式网络不再能够满足及传感器网络的需求。这种情况下，具有灵活性强、可靠性高的分布式自组织网络受到极大关注。分布式自组织网络具有以下特点：自组织性：分布式网络中的节点是对等的，不存在负责网络管理的中心节点。分布式网络不需要事先进行规划，节点具有随遇入网能力。分布式网络允许节点具有高移动性，即能够承受网络拓扑的快速变化；多跳路由：分布式网络中的节点都具有中继功能，当目的节点不在源节点的一跳通信范围内，便需要中间节点进行多跳中继转发，从而实现远距离数据传输；可靠性：由于分布式网络中没有负责网络管理的中心节点，使得网络具有高抗毁性，可靠性强。媒体接入控制协议MAC是航空自组网的关键技术之一，主要解决多个飞行器如何高效共享通信信道的问题，直接影响着网络的吞吐量、传输时延、网络规模和组网灵活性。由于航空自组网网络拓扑高速动态变化，节点分布尺度较大，高空无线信道质量较差等特殊性，其MAC协议和传统地面移动自组网MAC协议有着较大的区别。MAC协议控制节点如何接入无线信道，当多个节点同时请求接入信道时，MAC协议就必须制定一种合理的机制来保证多节点竞争同一信道时接入的有效性。MAC协议描述了网络内各节点接入信道时需要遵守的规则，对于网络资源的合理、高效、公平利用至关重要。航空自组网是在特殊环境下建立起来的MANET，它具有传统MANET多跳、自组织、自修复的特点和临时快速组网的优势，也存在暴露终端，隐藏终端，无线带宽有限，链路脆弱，QoS很难保证等问题，由于其特殊的应用场合，在设计MAC协议时，需要考虑更多的问题。飞行器节点分布的大尺度性和稀疏性，在航空自组网中，飞行器节点分布范围十分广阔，可能导致信道质量分布的不均匀；节点之间距离较远，单跳通信半径可达数百公里，传播时延较大；节点分布稀疏，密度较小，可能导致网络无法连通；网络拓扑的高速动态变化，飞行器不断高速地加入或退出网络，导致网络拓扑和通信链路快速动态变化，可能使得网络连通受限，在设计MAC协议时，需要考虑使用更多的通信资源来传输控制信息，快速建立通信链路。无线信道不稳定和不均匀，航空自组网主要采用VHF频段进行视距通信，电磁波绕射能力较弱，信号传输容易受飞机机身和地形的影响，空空通信中，飞机的高速运动，信道质量受多普勒频移影响较大，地空通信中由于直射波和地面的反射波的叠加，还存在显著的多径衰落节点差异性。航空自组网中存在多种不同类型的节点，航空业务的多样性，不同的业务对传输时延、吞吐量等性能指标有着不同的要求，视频类业务对吞吐量和时延有着较高的要求，在航空节点相距较远，无线链路不佳的情况下要求MAC协议对这些不同的业务能够提供相应的QoS支持。航空自组网采用分布式控制、无网络中心节点、具有很强的临时性，比一般无线网络更容易受安全方面的威胁。这要求MAC协议具有一定的抗干扰功能以实现可靠的数据传输。航空自组网MAC协议在考虑上述众多问题的同时，还要求能处理较重的网络负载，保证端到端传输的服务质量，因此不能直接使用地面移动自组网的MAC协议。MAC协议侧重于传输的可靠性、公平性和稳定性，但分组接入等待时延大，组网不够灵活，动态时分多址TDMA的出现一定程度上改善了入网退网的灵活性，但工程实现难度较大。基于随机竞争接入的MAC协议能提供低的接入时延、维持较大的网络规模和具有动态组网能力，这些特征符合未来航空通信的需求，但在QoS保障、公平性和稳定性上有着天然的不足。航空自组网MAC协议的发展趋势：一是采用多信道和多天线机制，多个信道同时进行通信，可以有效解决隐藏终端和暴露终端的问题，物理上消除控制分组和传输分组的碰撞。各节点配置多个天线，可以和多个节点同时进行通信，提高网络吞吐量、传输效率和服务质量。蜂窝系统是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通信，许多同时进行通信的用户，互相以信道来区分，这就是多址。因为移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积无线电波覆盖的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可以收到，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为了建立连接的首要问题。在无线通信环境的电波覆盖范围内，建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。当把多个用户接入一个公共的传输媒质量实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。多址接入技术的目的是让多个用户能同时接入基站，享受基站提供的通信服务，保证各个用户之间的信号不会互相干扰。多址方式的基本类型有：频分多址方式、时分多址方式、空分多址方式、码分多址方式等。空分多址(SDMA)是一种新发展的多址技术，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它电子系统的干扰。自从阿罗华系统所引入的多址接入方式出现后，情况就起了变化。这种方式中有碰撞现象，即两个或两个以上的信息同时企图占用信道，它们相撞而均被破坏，必须重发。这与排队系统中被拒绝有相似的效果，只是被拒绝或被破坏的已不止一个信息。目前移动通信系统中最常用的是频分多址方式、时分多址方式、码分多址技术。频分多址是以不同的频率信道实现通信。时分多址是以不同时隙实现通信。码分多址是以不同的代码序列来实现通信的。空分多址是以不同方位信息实现多址通信的。多址技术是移动通信的基础技术之一，每个信号赋以不同的特征是多址接入技术要解决的问题。在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法主要有频分多址FDMA接入、码分多址CDMA接入、时分多址TDMA接入和空分方式(SDMA)。时分多址利用不同的时隙来区分用户，即用户的数据在不同的时隙上传输，从而避免用户间信号的相互干扰。码分多址利用不同的码字来区分用户，即用户的数据用不用的码字进行加扰，从而避免用户间信号的相互干扰。时分多址利用不同的时隙来区分用户，即用户的数据在不同的时隙上传输，从而避免用户间信号的相互干扰。空分多址SDMA技术是一种信道增容的方式，利用空间分割构成不同的信道，可以实现频率的重复使用，有利于充分利用频率资源。空分多址(SDMA)技术是按照空间的分割来构成不同信道的。理论上讲，空间中的一个信源可以向无限多个方向(角度)传输信号，从而可以构成无限多个信道。但是由于发射信号需要用天线，而天线又不可能是无穷多个，因而空分多址的信道数目是有限的。空分多址还可以与其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如“空分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空分多址SDMA‑SPMA多址接入系统，包括：SPMA协议处理单元、SDMA信号处理单元和收发天线，其特征在于：SPMA协议处理单元串联SDMA信号处理单元，SDMA信号处理单元通过发送天线和接收天线1…接收天线N构成节点系统，具备全向发送天线和N个定向接收天线的网络成员通过全向发送和定向接收实现消息交互；SPMA协议处理单元统计单位时间内各定向接收天线收取的数据量，计算节点的信道接入时机，SDMA信号处理单元对SPMA协议处理单元发送的数据进行编译码、调制和解调，向网络成员发送收发数据，通过空分缩小定向接收天线共享信道的节点数；各网络成员通过信道统计消息的交互计算出网络负载，使用前一个统计周期的网络负载计算本统计周期节点接入信道的时延，节点利用各自计算得到的网络负载查表获取下个信道统计周期内本节点发送消息的时延；网络负载与信道接入时延之间的映射表通过在SPMA协议处理单元处初始化加载获取；网络成员周期计算网络负载，查询网络负载与信道接入时延映射表，得到本节点的信道接入时延，节点根据信道接入时延计算消息发送时机。

【技术特征摘要】
1.一种空分多址SDMA-SPMA多址接入系统，包括：SPMA协议处理单元、SDMA信号处理单元和收发天线，其特征在于：SPMA协议处理单元串联SDMA信号处理单元，SDMA信号处理单元通过发送天线和接收天线1…接收天线N构成节点系统，具备全向发送天线和N个定向接收天线的网络成员通过全向发送和定向接收实现消息交互；SPMA协议处理单元统计单位时间内各定向接收天线收取的数据量，计算节点的信道接入时机，SDMA信号处理单元对SPMA协议处理单元发送的数据进行编译码、调制和解调，向网络成员发送收发数据，通过空分缩小定向接收天线共享信道的节点数；各网络成员通过信道统计消息的交互计算出网络负载，使用前一个统计周期的网络负载计算本统计周期节点接入信道的时延，节点利用各自计算得到的网络负载查表获取下个信道统计周期内本节点发送消息的时延；网络负载与信道接入时延之间的映射表通过在SPMA协议处理单元处初始化加载获取；网络成员周期计算网络负载，查询网络负载与信道接入时延映射表，得到本节点的信道接入时延，节点根据信道接入时延计算消息发送时机。2.如权利要求1所述的空分多址SDMA-SPMA多址接入系统，其特征在于：SDMA信号处理单元具有编译码、调制/解调、数据收发功能。3.如权利要求1所述的空分多址SDMA-SPMA多址接入系统，其特征在于：收发天线单元包括一个全向发送天线和N个定向接收天线，节点的定向接收天线负责接收覆盖方向上的无线信号，各定向接收天线的覆盖范围相加为全空域。4.如权利要求1所述的空分多址SDMA-SPMA多址接入系统，其特征在于：网络中节点采用竞争机制接入信道，各自计算自己的接入时机，节点根据周期统计的网络负载计算本节点接入信道的时机；节点的信道接入时机到达后，利用全向发送天线将信号等功率发送至各个方向。5.如权利要求1所述的空分多址SDMA-SPMA多址接入系统，其特征在于：节点的定向接收天线和全向天线构成了网络拓扑，网络中包含节点1、节点2、节点3和节点4，4个网络成员，其中，节点1、节点3、节点4是节点2的一跳邻居，节点2通过定向天线接收邻居...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴利平，王昭，钮金鑫，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51