載波偵聽隨機分組碼分多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計與簇內(nèi)多址干擾性能分析

杜傳報，全厚德，馬萬治，崔佩璋，王曉明

（1.軍械工程學(xué)院信息工程系，河北石家莊050003；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家重點實驗室，四川成都611731；3.63981部隊，湖北武漢430000）

載波偵聽隨機分組碼分多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計與簇內(nèi)多址干擾性能分析

杜傳報1，全厚德1，馬萬治2，崔佩璋1，王曉明3

（1.軍械工程學(xué)院信息工程系，河北石家莊050003；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家重點實驗室，四川成都611731；3.63981部隊，湖北武漢430000）

在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用場景下，面向某型電臺的雙通道網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案能夠有效地減小實際碼分組網(wǎng)存在的碼分資源浪費問題。為了提高雙通道網(wǎng)絡(luò)控制通道的抗干擾能力，引入隨機分組碼分多址技術(shù)，提出了載波偵聽隨機分組碼分多址接入（CSRP-CDMA）協(xié)議。并建立了基于CSRP-CDMA的時隙擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)理論分析模型，推導(dǎo)了分組傳輸成功概率和吞吐量表達式，分析了擴頻增益、分組負荷和分組頭長度比值以及接收信號信噪比等因子對吞吐量性能的影響。和適用于RPCDMA的傳統(tǒng)MAC協(xié)議做了網(wǎng)絡(luò)性能仿真比較。理論數(shù)值和仿真結(jié)果顯示，CSRP-CDMA協(xié)議性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)協(xié)議，其歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量理論值達到0.75，能夠有效保證控制通道的資源利用率。

通信技術(shù)；擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；碼分多址接入；多用戶檢測器；多址干擾；網(wǎng)絡(luò)吞吐量

0 引言

目前，戰(zhàn)術(shù)超短波自組網(wǎng)主要采用異步組網(wǎng)和同步組網(wǎng)兩種組網(wǎng)體制。由于同步組網(wǎng)具有網(wǎng)間互聯(lián)互通、組網(wǎng)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)容量高、抗跟蹤干擾能力強等優(yōu)點，大規(guī)模戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中以該方式為主［1］。戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下，實際存在的子網(wǎng)數(shù)量遠遠小于理論組網(wǎng)容量，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)碼分資源的嚴重浪費。為提高資源利用率，針對某型電臺設(shè)計的雙通道組網(wǎng)方案采用控制通道和數(shù)據(jù)通道構(gòu)成的雙通道結(jié)構(gòu)，其中控制通道抗干擾能力決定網(wǎng)絡(luò)可靠性，因此控制通道抗干擾設(shè)計成為關(guān)鍵技術(shù)之一。由于擴頻技術(shù)具有優(yōu)越的信道接入和抗干擾特性，因此可將擴頻技術(shù)與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合［2-3］，以提高控制通道抗干擾能力。

擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要應(yīng)用在分布式網(wǎng)絡(luò)場景中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)地域分布屬性或功能屬性被劃分成多個簇，簇首和網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成虛擬骨干網(wǎng)絡(luò)［4］，實現(xiàn)簇間互聯(lián)互通。通常使用不同擴頻碼劃分子簇，而簇內(nèi)通過某種碼分配方式分配擴頻碼給簇內(nèi)節(jié)點以實現(xiàn)簇內(nèi)通信。目前擴頻碼分配方式主要有［5-6］:公共碼方式、基于發(fā)送方的擴頻碼方式、基于接收方的擴頻碼方式和基于收發(fā)對的擴頻碼方式。Roland等［7］、Christian等［8］中提出一種無連接無協(xié)商的隨機分組碼分多址接入（RP-CDMA）技術(shù)。RP-CDMA設(shè)計了一種分組級的碼分配方式，將分組分成分組頭和分組負荷，分組頭由公共擴頻碼擴展，分組負荷由隨機擴頻碼擴展。接收機通過分組頭檢測器捕獲分組頭，獲得分組頭中攜帶的負荷擴頻碼ID，分組負荷檢測器通過負荷擴頻碼檢測出分組負荷。RP-CDMA最初應(yīng)用在雙向鏈路的基站網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分組收發(fā)和確認分組收發(fā)在不同的鏈路中完成。文獻［7］將RP-CDMA技術(shù)應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，但主要研究多用戶檢測性能，并未建立相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，也并未針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)單向鏈路特點設(shè)計相應(yīng)的MAC協(xié)議。文獻［8］給出了RP-CDMA技術(shù)應(yīng)用于Aloha系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，但并未考慮多址干擾對系統(tǒng)性能的影響；同時，相比Aloha系統(tǒng)的高碰撞概率和低傳輸效率，具有載波偵聽功能的載波偵聽多路訪問（CSMA）信道接入?yún)f(xié)議更多應(yīng)用于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。文獻［9］設(shè)計了簡單平面網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的RP-CDMA MAC協(xié)議，但并未考慮分層分布式拓撲網(wǎng)絡(luò)場景，也未建立相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，且未考慮多址干擾對網(wǎng)絡(luò)的影響。因此，在分層分布式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景下，基于CSMA載波偵聽設(shè)計思想，設(shè)計出適合RP-CDMA技術(shù)的CDMA信道接入?yún)f(xié)議是本文的主要研究對象。

為了提高控制通道抗干擾性，本文引入了RPCDMA技術(shù)，并針對分層分布式網(wǎng)絡(luò)場景設(shè)計了載波偵聽隨機分組碼分多址接入（CSRP-CDMA）協(xié)議。并將伯努利過程和泊松分布引入時隙擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中，綜合考慮簇內(nèi)多址干擾、白噪聲干擾、分組頭沖突等影響。另外，本文建立了基于CSRP-CDMA的時隙擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)理論分析模型，推導(dǎo)出分組成功傳輸概率，得到了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的表達式，研究了擴頻增益、分組負荷和分組頭長度比值以及接收信號信噪比等參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。并和文獻［9］所提MAC協(xié)議做了仿真比照。結(jié)果顯示，相比文獻［9］所提MAC協(xié)議，CSRP-CDMA協(xié)議的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能大幅提升，并且在提高控制通道抗干擾能力同時，其歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量可達到0.75，滿足控制通道資源利用率的要求，為雙通道網(wǎng)絡(luò)中控制通道的工程實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 雙通道組網(wǎng)方案

傳統(tǒng)組網(wǎng)方案在實際應(yīng)用中存在碼分資源浪費嚴重的情況，以正交同步組網(wǎng)為例，假如群網(wǎng)頻率集為｛f0，f1，f2，…，fn-1｝，頻點數(shù)目n，則理論組網(wǎng)容量為n，即最多可同時建立n個子網(wǎng)，而戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)任務(wù)所需要的子網(wǎng)數(shù)目為m.如圖1所示，首先通過頻分組網(wǎng)劃分不同的群網(wǎng)，群網(wǎng)再通過碼分組網(wǎng)劃分子網(wǎng)。以群網(wǎng)1為例，將該頻率集下的m個跳頻序列分配給m個子網(wǎng)，剩余n-m條空閑跳頻序列未被分配，并且不能被已建子網(wǎng)中節(jié)點所使用。因此m越小，空閑跳頻序列越多，空閑的碼分資源浪費越嚴重。

圖1 空閑碼分資源示意圖Fig.1 Idle code resources

因此，針對某型電臺所設(shè)計的雙通道組網(wǎng)方案，使用基于全連通子簇的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點的雙通道收發(fā)機制由控制通道和數(shù)據(jù)通道構(gòu)成。全網(wǎng)節(jié)點的控制通道均使用同一條跳頻序列，傳輸簇維護、網(wǎng)絡(luò)管理、路由控制等分組信息等。當某節(jié)點對有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求時則會建立數(shù)據(jù)通道，此數(shù)據(jù)通道上的所有節(jié)點均切換到相同的空閑跳頻序列上完成數(shù)據(jù)分組傳輸。雙通道組網(wǎng)如圖2所示，子簇為全連通網(wǎng)絡(luò)，實線為數(shù)據(jù)通道，虛線為控制通道。

圖2 雙通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Dual-channel network structure

2 系統(tǒng)模型

為便于建模，假設(shè):1）子簇為全連通網(wǎng)絡(luò)，簇間通過不同分組頭擴頻碼區(qū)分，不考慮簇間多址干擾；2）分組負荷檢測器使用最小均方誤差（MMSE）多用戶檢測器；3）沖突只對分組頭產(chǎn)生影響，多址干擾和信道噪聲對分組頭和分組負荷均產(chǎn)生影響；4）全網(wǎng)時隙同步。

2.1 節(jié)點發(fā)送模型

假設(shè)每個子簇有Nnode個同質(zhì)節(jié)點，節(jié)點有效傳輸距離為r，隨機分布在以簇頭節(jié)點位置為中心的覆蓋區(qū)域內(nèi)。如圖3（a）所示，分組頭長度為Lh（bits），擴頻增益Nh，分組頭周期Th為單位時隙，即Th=1 slot；分組負荷長度為Ld（bits），擴頻增益Nd，并且NdLd整除NhLh，負荷周期Td=（NdLd/NhLh）Th（slots）；分組長度為Lp=Ld+Lh（bits），分組周期Tp為

圖3 分組格式和接收機結(jié)構(gòu)Fig.3 Packet format and receiver structure

節(jié)點在任意分組周期Tp內(nèi)最多只能發(fā)送一個分組，故Tp內(nèi)某子簇中發(fā)送分組的節(jié)點數(shù)目服從伯努利分布，節(jié)點的分組發(fā)送概率為λs，λs為平均分組發(fā)送速率（分組數(shù)目/Tp），接收機收到xr個分組的概率為

在t個分組周期內(nèi)，節(jié)點發(fā)送的分組個數(shù)服從λS的泊松分布。根據(jù)n個服從λS的泊松分布之和服從nλS的泊松分布，則在tTp時間內(nèi)接收機收到k分組的表達式為

2.2 接收機建模

接收機由分組頭檢測器和多用戶檢測器構(gòu)成，如圖3（b）所示。分組頭檢測器由傳統(tǒng)的單匹配濾波器實現(xiàn)，分組負荷檢測器由多用戶檢測器［10-12］實現(xiàn)，如匹配濾波器、解相關(guān)器、MMSE、迭代干擾消除器等。因為負荷擴頻碼不同，來自多個節(jié)點的分組負荷可以同時到達接收機，分組負荷檢測器使用多用戶檢測器成功恢復(fù)出這些分組，但多用戶檢測器性能決定了分組負荷的抗多址干擾能力。因為分組頭與分組負荷使用不同的擴頻碼，即使在接收機前端和其他分組負荷重合，依然可以被分組頭檢測器成功檢測。因為使用相同擴頻碼，多個分組頭發(fā)生重疊則被視作丟失。但是由于分組頭所占比重很少，分組頭信道負載通常很輕，因此分組頭沖突概率可控。分組頭檢測器由單匹配濾波器構(gòu)成，其輸出分組j的信干噪比Γmfj為

式中:Powerh和Powerd分別是分組檢測器前端的分組頭接收功率和分組負荷接收功率；σ2是高斯白噪聲功率譜密度；Npacket指在某分組周期內(nèi)分組頭檢測器同時接收到的分組負荷的總數(shù)目；Nh指分組頭擴頻增益。分組頭檢測器的匹配濾波器輸出信號門限為γmf，只有當時參考分組頭檢測成功。

分組負荷檢測器采用MMSE多用戶檢測器，假定接收機端接收到的分組負荷信號功率相等，MMSE檢測門限為γmmse，可知當檢測器輸出端信干噪比滿足Γmmse≥γmmse時，參考分組負荷可以檢測成功。有Γmmse公式［7］如下:

式中:α=Kmax/Nd，Nd是分組負荷擴頻增益。故通過（5）式可求得MMSE的最大檢測分組數(shù)Kmax.

3 CSRP-CDMA

CSRP-CDMA使用RP-CDMA的分組格式，由分組頭和分組負荷構(gòu)成，分組頭由公共擴頻碼擴展，分組負荷由隨機生成的負荷擴頻碼擴展，如圖3（a）所示。分組負荷擴頻ID由分組頭攜帶，接收節(jié)點解調(diào)分組頭后獲取負荷擴頻碼，進而解擴分組負荷。因為碼分多址特性，擴頻序列可被看作是獨立信道，CSRP-CDMA使用公共信道發(fā)送分組頭，同時使用多個隨機信道發(fā)送分組負荷。因為分組負荷擴頻碼集足夠大，鄰居節(jié)點間同時選擇相同的負荷擴頻碼的概率可以忽略不計，因此通常說在唯一的私有信道上發(fā)送分組負荷。

文獻［9］提出的最終確認策略要求發(fā)送節(jié)點不用等待上個分組的ACKs就可以發(fā)送下個分組，而接收機則必須在空閑時刻才可以給發(fā)送節(jié)點返回多個ACKs.因此在業(yè)務(wù)量大時，簇內(nèi)存在多個同時分組傳輸?shù)默F(xiàn)象會很普遍，這會導(dǎo)致接收機一直處于接收狀態(tài)，使得發(fā)送ACKs的機會不能得以保證，造成分組傳輸效率的降低。因此，CSRP-CDMA提出分組片段確認策略，一次數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)由多個幀構(gòu)成，每個幀由多個分組構(gòu)成，而此策略要求每個幀由多個分組片段構(gòu)成，每個片段中的最后一個分組頭攜帶分組片段結(jié)束標識符，幀中的最后一個分組頭攜帶幀結(jié)束標識符。發(fā)送節(jié)點需要在某分組片段發(fā)送完成時轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)，等待接收此片段的ACKs，如果此片段中的某分組發(fā)送失敗，則重新發(fā)送。分組片段確認策略保證分組的可靠性和傳輸效率，同時又不破壞上層的幀設(shè)計規(guī)則，能更好與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。

CSRP-CDMA中，網(wǎng)絡(luò)基于時隙同步，每個時隙長度和分組頭長度相同，分組頭在時隙起始時刻發(fā)送。每個節(jié)點存儲器中都有一張鄰居節(jié)點狀態(tài)表，節(jié)點狀態(tài)有接收和發(fā)送兩種狀態(tài)。節(jié)點只有在發(fā)送分組片段時是發(fā)送狀態(tài)，否則為接收狀態(tài)。分組頭包含源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、分組片段結(jié)束標識符或幀結(jié)束標識符等信息。當節(jié)點在接收狀態(tài)時，分組頭檢測器偵聽鄰居節(jié)點發(fā)送的分組頭，進而知道此時刻起下一個分組負荷周期內(nèi)鄰居節(jié)點狀態(tài)，據(jù)此可判定接收節(jié)點在下一個負荷周期內(nèi)的節(jié)點狀態(tài)，以此決定直接發(fā)送或是退避延遲發(fā)送，這里分組負荷周期是指分組負荷所占時隙數(shù)目。

圖4為載波偵聽隨機分組過程，步驟如下:

1）準備發(fā)送分組，檢查鄰居節(jié)點狀態(tài)表中目的節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟2.

2）判斷目的節(jié)點狀態(tài):如果是接收狀態(tài)，則轉(zhuǎn)到步驟9；否則步驟3.

3）偵聽并解調(diào)分組頭，轉(zhuǎn)到步驟4.

4）判斷此分組頭是否發(fā)送給目的節(jié)點:如果是，則轉(zhuǎn)到步驟5；否則轉(zhuǎn)到步驟8.

5）判斷分組頭中是否攜帶相關(guān)結(jié)束標識符:如果是，則轉(zhuǎn)到步驟6；否則轉(zhuǎn)到步驟3.

6）等待一個負荷周期，轉(zhuǎn)到步驟7.

7）在鄰居節(jié)點狀態(tài)表中修改相關(guān)節(jié)點狀態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟9.

8）判斷是否此分組頭是否來自目的節(jié)點:如果是，則延遲一個時隙，轉(zhuǎn)到步驟7；否則轉(zhuǎn)到步驟3.

9）發(fā)送分組。

圖4 載波偵聽隨機分組過程Fig.4 Process of carrier sense random packet

4 網(wǎng)絡(luò)性能的理論分析

4.1 分組傳輸成功概率

在基于CSRP-CDMA的時隙隨機接入Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，一個分組的成功傳輸需要滿足兩個條件:1）分組頭被正確接收；2）分組負荷被正確檢測。故參考分組傳輸成功概率為

式中:Ph為分組頭成功檢測概率；Pd為分組負荷檢測概率。簇內(nèi)節(jié)點的分組頭都使用相同的擴頻碼，均在時隙的起始時刻發(fā)送，只要在某個時隙有多個分組頭重疊則產(chǎn)生沖突，相關(guān)的分組均視為丟失。由于采用不同的擴頻碼擴展，分組負荷對分組頭產(chǎn)生多址干擾。信道噪聲僅考慮高斯白噪聲。因此分組頭的傳輸成功概率Ph為

式中:Phc為分組頭未與其他分組發(fā)生沖突的概率；Phi為多址干擾和高斯噪聲影響下分組頭成功傳輸?shù)母怕?。以接收機收到的某參考分組為例，在參考分組時間Tp收到xr分組的概率如（2）式，由于參考分組的分組頭占據(jù)Tp的第一個時隙，故剩余xr-1分組頭只要不在第一個時隙就不會和參考分組頭發(fā)生沖突，故概率Phc為

如圖5所示，黑色標記為參考分組頭，斑馬線標記為產(chǎn)生多址干擾的分組負荷。在時間t0～t1范圍內(nèi)產(chǎn)生的分組會對參考分組頭產(chǎn)生多址干擾，時長等于分組周期Tp.故分組周期Tp內(nèi)收到xr分組的概率服從伯努利分布為P（xr）.若這xr-1分組只要在Tp的第一個時隙發(fā)送，其分組負荷不會影響參考分組頭，因此有k分組產(chǎn)生多址干擾的概率為

圖5 分組頭受多址干擾影響示意圖Fig.5 Effect of multi-access interference on packet header

由（4）式可知，接收機分組頭檢測器最多能承受的多址干擾數(shù)目NMAI，max為

故分組頭不受多址干擾和高斯噪聲影響的概率Phi為

分組負荷檢測器使用MMSE聯(lián)合檢測器，其成功檢測分組取決于同時接收分組數(shù)目不大于多用戶檢測器最大處理分組數(shù)。負荷檢測器在檢測窗口區(qū)間Td內(nèi)接收到的負荷發(fā)送時間范圍在2Td內(nèi)。因此，負荷檢測器假定多用戶檢測器最大檢測分組數(shù)目為Kmax，則在2Td內(nèi)接收機端分組數(shù)目不能超過Kmax，其接收機端的分組數(shù)目服從伯努利分布，根據(jù)（5）式可求得多址干擾和高斯白噪聲環(huán)境下的Kmax.因為分組頭所占比重很小，故其對分組負荷的影響忽略不計。根據(jù)（3）式有參考分組負荷成功檢測概率Pd表達式為

λs為平均分組發(fā)送速率，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一定時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨λs變化，通過文獻［7］中相關(guān)結(jié)論，推導(dǎo)結(jié)論如下，據(jù)此可獲得網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大的平均分組發(fā)送速率λs.

結(jié)論 假定任何分組頭在某時隙發(fā)生重疊，則判定相關(guān)分組傳送失敗，如果未發(fā)生重疊則判定發(fā)送成功，此處不考慮多址干擾和信道噪聲影響。接收機收到n個分組，k個分組傳輸成功的概率為εn，k，有表達式為

證明 ui是指第i時隙的分組頭的數(shù)目，故有u1+u2+u3+…+uz=n.

n個分組頭在z時隙里共有zn種可能。第一步，將這n個分組頭分布在z時隙里，保證有k個分組頭傳輸成功。其中ui=0表示時隙i沒有分組頭，ui=1表示時隙i有1個分組頭。這種情況下，將k分組頭分布在z時隙中，保證ui=（0，1）.下一步，在ui=0的這些時隙里分布剩余的n-k個分組頭，這些分組傳輸不成功，故有u1+u2+u3+…+uz-k= n-k.

下面，用m表示ui=0的時隙數(shù)目，故共有種可能，有u1+u2+u3+…+uz-k-m=n-k， ui＞0，其中m的限定條件:由于m時隙無分組，故有z-k-m時隙分配n-k分組頭，則每個時隙至少有2個分組頭（因為若只有1個分組頭則認為傳輸成功），故有n-k≥2（z-k-m），.

由此可得到n分組中有k分組成功傳輸?shù)慕M合數(shù)An，k為

其中當k=n-1時，說明只有1個分組頭傳輸失敗，至少有2個分組頭才可能碰撞產(chǎn)生沖突，故有εn，k=0.當k=n時，εn，k表示n分組全部傳輸成功的節(jié)點最大分組發(fā)送速率，故有節(jié)點平均分組發(fā)送速率λs為

證畢。

4.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

定義網(wǎng)絡(luò)負載G［13］為分組周期Tp內(nèi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的平均分組數(shù)目，因此有G=NnodeλsTp.網(wǎng)絡(luò)吞吐量S定義為網(wǎng)絡(luò)中實際傳輸成功的平均分組數(shù)目，則S=GPp.因為采用擴頻方式需要占用額外的傳輸帶寬，評價時隙擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)則需要考慮擴頻增益，為此歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為Snormal，有

5 結(jié)果分析

本節(jié)分別研究分組頭檢測器檢測能力，擴頻增益、分組負荷和分組頭長度比值、分組長度以及接收信號信噪比等參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)吞吐性能的影響，并給出了相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。主要參數(shù)設(shè)置如下:γmf= 3 dB，γmmse=3 dB，σ2=1 dB，平均分組發(fā)送速率λs由（15）式計算得到。

5.1 分組負荷檢測能力分析

根據(jù)第2節(jié)系統(tǒng)接收機建模中MMSE信號判決（5）式數(shù)值計算分組負荷的最大檢測能力。分組負荷檢測器的最大檢測能力由接收機前端的接收信號信噪比SNR和分組負荷擴頻增益決定，因此首先根據(jù)（5）式分析二者取不同值時對多用戶接收機最大檢測能力的影響，參數(shù)設(shè)置如下:γmmse=3 dB，σ2=1 dB，Powerh和Powerd均為10 dB.如圖6所示，MMSE多用戶檢測器的最大檢測分組數(shù)目Kmax由分組負荷擴頻增益Nd和接收信號信噪比SNR決定。隨著分組負荷擴頻增益增加而線性增長，在接收信號SNR＜30 dB時，Kmax隨著SNR增加而增大，當SNR越大，SNR對MMSE檢測能力的提高影響越來微弱。由上述分析可知，在接收信號信噪比一定時，通過設(shè)計合理的分組負荷擴頻增益，可使多用戶接收機檢測性能滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需求。

圖6 分組負荷擴頻增益對多用戶檢測能力影響Fig.6 Effect of packet payload SS gain on multiuser detector capability

5.2 網(wǎng)絡(luò)分組成功傳輸率和吞吐量性能分析

網(wǎng)絡(luò)吞吐性能受限于分組傳輸成功概率，分組傳輸成功概率又受分組頭擴頻增益、分組負荷擴頻增益、分組長度、分組負荷/分組頭長度比率、接收信號信噪比和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等參數(shù)影響，所以下面逐一分析這些參數(shù)。

首先分析分組頭擴頻增益對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。參數(shù)設(shè)置為，Lh=5，Ld=500，Nd=20，Powerh和Powerd均為10 dB，接收機前端SNR為10 dB.圖7是在不同子簇規(guī)模下，歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量Snormal隨分組頭擴頻增益Nh的變化趨勢。當接收信噪比SNR=10 dB和分組負荷擴頻增益為20時，有MMSE最大檢測能力Kmax=19，此條件下只有當子簇規(guī)模小于MMSE檢測能力或和MMSE檢測能力相匹配時，在分組頭擴頻增益Nh=10時有最大的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。當節(jié)點數(shù)為20，Nh＜10時Snormal急劇上升，這是因為分組傳輸成功概率增大的緣故，而Nh＞10時分組傳輸成功概率趨于恒定，但分組負荷和分組頭比重隨分組頭擴頻增益增大而減小，故Snormal逐漸下降。因此，分組頭擴頻增益決定了分組頭的沖突碰撞概率，需要合理的設(shè)計保證較高的分組傳輸成功概率。

圖7 分組頭擴頻增益對網(wǎng)絡(luò)性能影響Fig.7 Effect of packet header SS gain on network performance

下一步分析分組負荷擴頻增益對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。參數(shù)設(shè)置如下，Lh=5，Ld=500，Nh=10，子簇規(guī)模大小設(shè)定為Nnode=20，Powerh和Powerd分別為10、20、30 dB.由圖8可知，分組傳輸成功概率Pp在Nd＞20后趨近于1，但歸一化吞吐量Snormal卻急劇下降，這是因為當Pp趨同時網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化也趨同，Nd增大會使網(wǎng)絡(luò)消耗更多的帶寬，所以Snormal才會下降。當Nd＜15時，隨著Nd增大，分組傳輸成功概率增加率遠遠大于Nd增加率，因此歸一化吞吐量也急劇增加。因此，負荷擴頻增益的設(shè)置需同時考慮多用戶檢測器最大檢測能力與網(wǎng)絡(luò)負載需求相匹配，以獲得最優(yōu)的頻譜利用效率。

不同分組長度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，如圖9所示。參數(shù)設(shè)置如下，Nh=10，Nd=20，Powerh和Powerd均為10 dB，信噪比SNR=10 dB，分組負荷和分組頭比值約為100.由圖9可知，在多分組接收機能力范圍內(nèi)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大，網(wǎng)絡(luò)負載增大，分組傳輸成功概率變化緩慢，歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加，這是因為網(wǎng)絡(luò)負載過小時造成網(wǎng)絡(luò)中的碼分信道資源利用不充分所致。再者，在不同分組長度條件下，分組成功傳輸成功概率和歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量相同。這種現(xiàn)象是因為不同的分組負荷在不同的擴頻信道上傳輸，分組負荷間不會產(chǎn)生沖突，盡管分組頭在相同的擴頻信道上傳輸，但由于其長度與時隙相等，分組頭的碰撞概率可控。因此，分組長度與網(wǎng)絡(luò)性能沒有關(guān)系。

圖8 分組負荷擴頻增益對網(wǎng)絡(luò)性能的影響Fig.8 Effect of packet payload SS gain on network performance

圖9 不同分組長度對網(wǎng)絡(luò)性能影響Fig.9 Effect of packet length on network performance

接下來考慮不同分組負荷和分組頭比重對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，仿真結(jié)果為圖10、圖11.仿真參數(shù)Nh=10，Nd=20，Powerh和Powerd均為10 dB，信噪比SNR=10 dB.如圖10所示，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為20時，LdNd/LhNh值在200左右有Snormal最大，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模嚴重超出接收機能力時，分組負荷抗多址干擾能力下降，分組負荷不受多址干擾的成功概率Pp急劇下降，故分組傳輸成功概率減小，造成Snormal驟降。由圖11可知，分組傳輸成功概率隨分組負荷擴頻增益增加而增長，因為過小的分組負荷擴頻增益會降低MMSE接收機的最大檢測分組數(shù)。由圖10、圖11可知，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和MMSE接收機能力相匹配時，分組負荷/分組長度比值在200左右有最佳的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。因此，分組負荷與分組頭比值在100～200區(qū)間，由于分組頭所占開銷很小，網(wǎng)絡(luò)具有良好的吞吐性能。

圖10 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和分組負荷/分組頭長度比的網(wǎng)絡(luò)性能Fig.10 Network performances for different network scales and packet payload-header length ratios

圖11 不同分組負荷擴頻增益和分組負荷/分組頭長度比的網(wǎng)絡(luò)性能Fig.11 Network performances for different packet payload SS gains and packet payload-header length ratios

不同信噪比下網(wǎng)絡(luò)性能隨網(wǎng)絡(luò)負載變化的性能曲線如圖12所示。結(jié)合上述分析結(jié)果，仿真參數(shù)設(shè)定為Nh=10，Nd=20，分組負荷與分組頭比值200.在平均分組發(fā)送速率不變的前提下，網(wǎng)絡(luò)負載與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化相同，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，網(wǎng)絡(luò)負載越大。由圖12可知，當接收信號信噪比SNR＜30 dB時，分組傳輸成功概率、歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量和歸一化傳輸時延隨SNR增加而增加，但是當SNR＞30 dB時，信噪比對網(wǎng)絡(luò)性能影響不再增加。由先前分析可知，MMSE最大檢測能力Kmax在15左右。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小于15時，即網(wǎng)絡(luò)負載在接收機硬件承載能力范圍內(nèi)時，分組成功傳輸概率一直很高，而歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加而增大，這是因為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過小時，網(wǎng)絡(luò)負載很輕造成網(wǎng)絡(luò)碼分資源浪費。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大于15時，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加，網(wǎng)絡(luò)負載增加，分組傳輸成功概率降低，進而歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。因此，當信噪比較低時，通過提高信噪比可以明顯改善網(wǎng)絡(luò)性能，但是當信噪比提高到一定程度時，再繼續(xù)提高信噪比無助于進一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

圖12 不同SNR時網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對網(wǎng)絡(luò)性能的影響Fig.12 Effect of network scale on network performance under different SNRs

5.3 CSRP-CDMA和文獻［9］MAC協(xié)議仿真比較

使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET14.5在主頻2.8 GHz的Windows 7系統(tǒng)上對CSRP-CDMA和文獻［9］MAC協(xié)議進行了性能仿真對比，給出了在不同信噪比環(huán)境下雙通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的性能曲線。因為CSRP-CDMA協(xié)議是針對雙通道網(wǎng)絡(luò)控制通道的信道接入而設(shè)計的，故本處僅分析控制通道上的控制消息分組的傳輸效率，以考察CSRP-CDMA協(xié)議的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。由于未考慮簇間干擾，簡便起見，故僅構(gòu)建一個簡單全連通網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均使用一條跳頻序列，用以模擬雙通道網(wǎng)絡(luò)的控制通道。仿真主要參數(shù)設(shè)置為:網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為5 km×5 km，節(jié)點數(shù)目分別為10～20，通信頻段為30～87 MHz，跳速為200跳/s，跳頻頻率集數(shù)目為256，信道帶寬64 kbits/s，控制消息分組大小為1 024 bits，Nh=10，Nd=20，分組負荷與分組頭比值200，分組頭長度為24 bits，分組負荷長度為2 kbits，Powerh和Powerd均為10 dB，MMSE最大分組檢測能力Kmax=15，平均分組發(fā)送速率λs隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而變化，可由（15）式計算得到，SNR=20 dB.取10次獨立仿真結(jié)果求取平均值作為最終統(tǒng)計結(jié)果。如圖13所示，CSRPCDMA協(xié)議和文獻［9］協(xié)議的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能比較仿真曲線。據(jù)圖13可知，CSRP-CDMA仿真曲線能夠較好逼近理論曲線，由于使用載波偵聽分組頭機制和分組片段確認策略，CSRP-CDMA仿真性能優(yōu)于文獻［9］協(xié)議，并且可知在多用戶分組檢測能力為15時，CSRP-CDMA在節(jié)點數(shù)為13時具有最佳的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。據(jù)先前研究工作可知，雙通道網(wǎng)絡(luò)控制通道的碼分資源利用效率在本文仿真環(huán)境下，需要在0.56以上才能夠使得路由尋找時間符合國軍標，故可知網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在節(jié)點數(shù)目10～15之間均滿足要求，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大于15時則需要設(shè)計檢測性能更強的多用戶分組檢測器。

圖13 CSRP-CDMA協(xié)議和文獻［9］協(xié)議性能仿真比較結(jié)果Fig.13 Comparison of performances of CSRP-CDMA protocol and MAC protocol in Ref.［9］

6 結(jié)論

針對某型雙通道電臺組網(wǎng)設(shè)計中的控制通道的抗干擾問題，本文提出了載波偵聽隨機分組碼分多址接入?yún)f(xié)議。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于伯努利和泊松分布的系統(tǒng)模型，綜合考慮分組頭沖突、信道噪聲和簇內(nèi)多址干擾，建立了時隙擴頻Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能模型，獲得了分組傳輸成功概率和吞吐量的表達式。另外，著重分析了分組負荷擴頻增益、分組頭擴頻增益、分組長度、分組負荷與分組頭比值、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和信噪比對網(wǎng)絡(luò)吞吐性能的影響。理論數(shù)值和仿真結(jié)果顯示，CSRP-CDMA協(xié)議性能比文獻［9］所提MAC協(xié)議性能優(yōu)越，在提高控制通道抗干擾能力同時能夠滿足控制通道的資源利用效率。為雙通道網(wǎng)絡(luò)控制通道抗干擾能力增強的工程實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。下一步將研究簇間多址干擾對控制通道的性能影響。

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Carrier Sense Random Packet Code Division Multiple Access Protocol and Its Intra-cluster Multiple Access Interference Performance Analysis

DU Chuan-bao1，QUAN Hou-de1，MA Wan-zhi2，CUI Pei-zhang1，WANG Xiao-ming3
（1.Department of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.National Key Lab of Science and Technology on Communication，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，Sichuan，China；3.Unit 63981 of PLA，Wuhan 430000，Hubei，China）

In tactical scenarios，the dual-channel networking scheme designed for a certain type radio can solve the serious waste of code resource significantly，which is caused by the traditional code networking scheme.The random packet CDMA technology is used to enhance the anti-jamming capability of control channel of dual-channel networks，and a new MAC protocol，called carrier sense random packet CDMA，is proposed.A performance analytical model of slotted spread spectrum ad hoc networks based on CSRPCDMA is established，which provides packet transmission success probability and expressions of network throughput.And the influences of the factors，such as spreading gain，packet header and payload ratio，received signal-noise ratio，on network performance are analyzed.Finally，CSRP-CDMA protocol is com-pared with the traditional MAC protocol for RP-CDMA by network simulator OPNET.Numerical and simulation results show that CSRP-CDMA protocol has higher network performance than the traditional MAC protocol，and the theoretical normalized network throughput value of CSRP-CDMA can reach 0.75 to guarantee the resource utilization of control channel effectively.

communication；spread spectrum Ad Hoc network；code division multiple access；multiple user detector；multi-access interference；network throughput

TN929.5

A

1000-1093（2015）07-1256-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.014

2014-07-07

國家自然科學(xué)基金項目（U1035002/L05）；國家無線重大專項項目（2014ZX03003001-002）

杜傳報（1987—），男，博士研究生。E-mail:leopard0306@126.com；全厚德（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:quanhoude@126.com