关于建立跳频、跳时隙方案的模型_图文.
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跳频可分为快速跳频和慢速跳频,在GSM中采用的是慢速跳频,其特点是按照固定的间隔改变一个信道使用的频率.根据GSM的建议,基站无线信道的跳频是以每一个物理信道为基础的,因此对于移动台来说,只需要在每个帧的相应时隙跳变一次,其跳频速率为217跳/秒,它在一个时隙内用固定的频率发送和接收,然后在该时隙后需跳到下一个TDMA帧,由于监视其它基站需要时间,故允许跳频的时间约为1ms,收发频率为双工频率。
但对基站系统来说,每个基站中的TRX(收发信机)要同时于多个移动台通信,因此,对于每个TRX来说,能根据通信使用的物理信道,在其每个时隙上按照不同的跳频方案来进行跳变。
一、跳频的种类及各自实现的方法GSM中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。
在北电系统中采用的是射频跳频。
基带跳频是通过腔体合成器来实现的,而射频跳频是通过混合合成器来实现的。
当采用基带跳频时,它的原理是在真单元和载频单元之间加入了一个以时隙为基础的交换单元,通过把某个时隙的信号切换到相应地无线频率上来实现跳频,这种做法的特点是比较简单,而且费用也底。
但由于采用的腔体合成器它要求其每个发信机的频率都是固定发射的,当发信机要改动其频率时,只能人工调谐到新的频率上,其话音信号随着时间的变化使用不同频率发射机发射,收发信机在跳频总线上不停的扫描观察,当总线发现有要求使用某一频率时,总线就自动指向拥有该频率的发信机上来发送信号。
采用基带跳频的小区的载频数与该小区使用的频点数是一样的。
当采用射频跳频时,它是在通过对其每个TRX的频率合成器进行控制,使其在每个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。
它采用的混合合成器对频带的要求十分宽松,每个发信机都可使用一组相同的频率,采用不同的MAIO加以区分。
但它必须有一个固定发射携带有BCCH的频率的发信机,其他的发信机可随着跳频序列的序列值的改变而改变。
两者的区别是:1、基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8个发信机,而且衰耗小,此时衰耗仅为3.5dB;而射频跳频采用的混合合成器的容量较小,最多可配置4个发信机,而且衰耗大,当为H2D时,衰耗为4.5dB当为H4D 时,衰耗为8dB.显然,当基站配置较大时,采用混合合成器的基站的覆盖要小.2、腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活,混合合成器所带的发信机可以使用一组频率,频点的间隔要求为200 K;腔体合成器的发信机仅能使用固定的频率发射,而且所用频点的间隔要求大于600K.3、基带跳频的每个发信机TX只能对应一个频点,而射频跳频的每个发信机TX能够发送所有参与跳频的频点。
跳频技术简介2006-10-30 19:50跳频是最常用的扩频方式之一,其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式,也就是说,通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。
从通信技术的实现方式来说,“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式,也是一种码控载频跳变的通信系统。
从时域上来看,跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看,跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。
其中:跳频控制器为核心部件,包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能;频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率;数据终端包含对数据进行差错控制。
与定频通信相比,跳频通信比较隐蔽也难以被截获。
只要对方不清楚载频跳变的规律,就很难截获我方的通信内容。
同时,跳频通信也具有良好的抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。
由于跳频通信系统是瞬时窄带系统,它易于与其他的窄带通信系统兼容,也就是说,跳频电台可以与常规的窄带电台互通,有利于设备的更新。
通信收发双方的跳频图案是事先约好的,同步地按照跳频图案进行跳变。
这种跳频方式称为常规跳频(Normal FH)。
随着现代战争中的电子对抗越演越烈,在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。
它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。
在跳频通信中,跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律,保证了通信方发送频率有规律可循,但又不易被对方所发现。
常用的跳频码序列是基于m序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。
这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现,结构简单,性能稳定,能够较快实现同步。
它们可以实现较长的周期,汉明相关特性也比较好,但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时,这些序列的抗干扰能力较差。
在90年代初,出现了基于模糊(Fuzzy)规则的跳频图案产生器。
在这种系统中,由模糊规则、初始条件以及采样模式共同来决定系统的输出序列。
A4:关于建立跳频、跳时隙方案的模型
图1
在IEEE802.15.4中,规定了在2.4-2.483GHz,Fc=2405+5(k-11)in megahertz, for k=11,12,…,26其中K是信道编号,代表了从第11到第26号一共16个信道,每个信道的频间间隔是5MHz,如图1所示。
这16个信道可以同时工作,在其载波上交互的数据不会相互干扰。
图2
WIA-PA超帧的CAP阶段主要用于设备加入,簇内管理和重传。
CFP阶段用于手持设备与簇首间的通信。
WIA-PA超帧将IEEE STD 802.15.4-2006超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以及休眠。
网络管理者负责为每个路由设备生成一个WIA-PA超帧,每个路由设备的超帧长度可以不同。
路由设备的超帧长度为所管理簇的最小数据更新周期。
WIA-PA超帧中的时隙类型包括共享时隙和专用时隙,其中共享时隙用于簇间非周期性数据的传输,专用时隙用于簇内通信段和簇间通信段周期性数据的传输。
图3
按照上述拓扑结构,在一个超帧周期的通信时间范围内,每一个时隙只有一个节点工作,这样就会使得整个网络数据交互周期变得很长。
况且有些节点在每一个数据
采集周期中,可能出现没有数据上传的情况,势必造成过多的通信资源浪费,整个网络的吞吐量下降。
因此,我们将图4的拓扑结构设计成图5的拓扑结构,
图4
图5
将各簇内的节点数据收发收发模块的功率调大,能使节点发送数据包至或者接收到全网内任意的路由节点。
对于每一个路由节点,都工作在一个信道上,那么就有4个节点同时在接收传感器节点上传的数据。
考虑到每个节点都会存在在某个周期内没有数据发送的状态,那么,我们通过在自己所处的通信时隙前利用命令帧广播自己的“资源空闲信息”,告知整个网络其他节点自己空出来的通信资源,设计一种传感器节点跳频、跳时隙的通信方法,便于其
他节点占用。
(数据交互过程详见IEEE802.15.4、具体算法见“跳频跳时隙算法终版”)
例如:
在一个网内包括有15个数据信道、1个控制信道和197个节点。
默认所有节点在此通信周期里面有数据发送时,那么至少就应该分配[n/k]=14个时隙给全网节点。
当有节在这个周期里面没有数据向路由节点发送时,节点通过命令帧在控制信道上向全网告知自己的“空闲资源信息”,当编号其之后的节点收听到之后,调整自己发送数据的时隙及信道资源。
例如,按计划应该在第二时隙第2信道上发送数据的17号节点在这个数据周期交互周期里面没有数据发送给路由节点,那么它在第一时隙利用控制信道报告自己的“节点编号”(可按算法推算“空闲资源信息”),在此刻处于监听状态的其他节点收听到命令帧,修改自己发送数据的时隙及信道,占用空闲资源。
此时下一个时隙的第一个数据信道上的31号节点填补17号节点的位置,其他节点依次将自己的位置往前“挪”一个。
如图所示:
如此以往,没有数据发送的节点的通信资源都被利用,可以得到下图所示的效果:
针对问题建模:
在此簇内传感器节点是n,在整个带宽内信道个数是k,在一个节点有发送数据的概率是P的情况下,参考相关资料求:
(1)在不会发生通信冲突的情况下,使整个网络通信的带宽达到最大;
(2)设计算法求出在通信周期内分配多少个时隙最合适?。