[发明专利]空分多址SDMA-SPMA多址接入系统

说明书

本发明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，向网络节点发送收发数据；各网络节点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；网络节点周期计算网络负载，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。

技术领域

本发明涉及网络接入领域，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。

背景技术

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。