CN85101665A - 多址通信系统 - Google Patents

Abstract

一种灵活的多址通信系统，它特别适合于汽车无线电系统。

该系统包括一个基地台和多个分台，它的选址方式是根据在一个Aloha征求消息中传送的一个OP码和参数而来确定的。从当前通信量状况的一个估计数来确定该OP码和参数的数值，并从而在多个运行方式中确定一个特定的方式，以及在那个方式中的动态运行。

该不同的选址方式包括小通信量方式、动态帧长方式、在其中形成分台组的用户机的混合方式以及终端设备定时询问方式。

Description

本发明涉及一种多址通信系统，它在汽车无线电动态信道分派系统、局部地区网（LANS）以及卫星通信线路中具有特殊的，但不是唯一的应用。为了便于描述，将参照汽车无线电动态通道分派（中继）系统来描述本发明，但是要理解的是上述方法还适于其它多址通信系统。

中继系统的特点在于许多用户同时试图得到对应于他们的地址的问题。这些选址尝试（它可被认为是通话请求）可能冲突而被破坏，并且在缺少任何形式控制的情况下会产生一种不稳定状况，在这种情况下，被破坏的通话请求数目增加，引起被转发的请求数目增加，而这本身又导致进一步破坏并且终归引起系统的全部阻塞。通话请求经由单个信号传输通道被传送到一个中央系统控制计算机，它在下文被叫做系统控制机，并且该信号控制机按照某些预定的准则来分配话音通道。在最简单的单个信号通道系统的情况下，该信号通道必须被用来作信号传输和讲话。

为了缓和这些冲突问题，可控地址规约被用来训练用户设法获得地址。同样，通过量，即系统的每单位时间内已获得成功的通话请求数目也能被增加。

1970年秋季联台计算机会议AFIPS会议会刊37，281-285的“Aloha系统一一用于计算机通信的另一个替换物”一文中，N.Abramson提出被称为“纯Aloha”的最初的多址规约中的一个。借助这个规约，用户发送一个请求并且等待来自系统控制机的对他们的请求的某种形式的证实信号;如果没有听见证实信号，用户在重新试做之前需等待一个随机时间。

“纯Aloha”的通过量通过一个被称为“有隙Aloha”的改进的规约被加倍，“有隙Aloha”只允许用户在间断的时隙内发送请求，每个请求占据一个时隙。不管这个改进的通过量，“有隙Aloha”还是存有实际上的缺点，例如在忙时期间的不稳定性。

为了克服这些缺点，一个被称为“成帧Aloha”的规约进一步发展了“有隙Aloha”，该“成帧Aloha”在英国专利说明书2063011A（PHB32679）中被公开。在成帧Aloha中，系统控制机每隔一段时间间隔地在信号传输通道上发送一个被称为“Aloha    now”的同步消息，它表示紧跟着的n时隙可以用来使用户经由该信号传输通道去发送请求（新请求或是失败请求以后重发的请求）给系统控制机。时隙上的数目是一个由系统设计程度决定的常数。按照这个规约，请求被包含在所知的时帧内，简化了系统控制策略。然而，具有固定数目的时隙的缺点是它没考虑到闲时与忙时之间请求数目中的变化，并且这会引起闲时的不必要的长时间信息延迟以及忙时的不稳定性。

使可获得的时隙数目与请求数目相匹配的尝试被公开于英国专利说明书20    9799B（PHN9693）中，并被称为“动态帧长Aloha”（DFLA）。这个规约包括用于动态控制帧长的方法，那就是在一个帧接一个帧的基础上校正时隙的数目n。通过观测前帧中的事件，诸如被筛选（或冲突）的时隙、空闲的时隙以及获得成功的时隙的数目，以及从呼叫到达率的估计数目来计算数目n。通过在这个方法中使用反馈控制，在许多运行状况下都可获得稳定性，另外选址时间（用户要求请求与该请求被证实之间的时间延迟）被减少了。然而，只有帧能被无限增加，以便应付极大量通话请求的要求，这个形式的DELA才能稳定。事实上，这是不可能的，因为该Aloha信息只包含一定数目的数据特来确定不同的帧卡，因而，由此得出DFLA的通过量在大通信量负载的情况下会低。此外，还存有不希望极长的帧的情况。相反，在小通信量的情况下，DFLA有缺点，那就是为了将选址时间减到最少，中央基地台发射机通常要连续不断地发射。这增加了对其它无线电系统的干扰的可能，并且也可能缩短发射机的工作寿命。

在大通信量的情况下提供稳定性的另一个途径由John    I.caPetanakis在IEEE的信息埋论分册，1979年9月5日、Ⅱ-25卷505页到515页，“用于传输组广播通道的树枝状算法”一文中公开了。在该树枝状算法中，一棵树包括一个根节，一对分枝从该根节伸展。所说的分枝中的每一个都在各自的节点分成两个，并且在较远的节继续一分为二，直到一对源点被各自的细枝连接到一个有关的节点为止。

在所给的例子中，来自根节的各分枝被作为两棵生了根的子树来对持。信号传输在多对间隙中进行，在那里每一个所说的间隙都具有等于一个传输组的宽度，该传输组是由一个数字数据的固定长度字块构成的。在运行中，各生根子树被要求在多对间隙内它各自的间隙中去发送通话请求。如果一个冲突/筛选被检测到，则该系统要在发出另一个一般性通话征求之前消除该争用。在消除争用时，两个生根子树中的一个被考虑，而要在生根子树中的另一个被考虑之前消除该争用。这种类型树枝状算法的缺点是，顺序涉及性质不同的子树的法对于实际执行过程来说可能太复杂了。此外，如果在一个节有两个通话请求，一个比另一个强得多，那么，较弱的一个可能由于调频通道的俘获而被忽略。最后，根据只允许一个应答间隙，那么如果存在争用，则必须考虑进一步分割或用户机，而结果，由于附加发信装置而损失时间。

本发明的目的是要提供一种多址通信系统，它可适用于不同通信量的情况。

按照本发明的一个方案，提供有一种多址通信系统，它包括一个基地台和多个分台，该系统的运行方式是根据在一个Aloka征求信息中传送的一个OP码来确定的，根据当前的通信量状况的一个估计量，来确定该OP码的数值，从而在多个运行方式中来确定一个特定的方式。

按照本发明的另一个方案，提供有一个多址通信系统，它包括一个基地台和多个分台，该系统的运行方式是根据在一个Aloha征求消息中传送的一个OP码和参数来确定的，根据当前通信量状况的一个估计数来确定该OP码和参数的数值，从而在多个运行方式中来确定一个特定的方式，以及那个方式中的动态运行。

通过能够在不同的运行方式之间转换，按照本发明提供的该通信系统是能够使自己适应经常发生的通信量情况的。

特别是该系统能够在不同的运行方式之间转换，该不同的运行方式包括小通信量方式，动态帧长方式、混合方式，用这些方式分台组的用户机被形成并且可做终端设备定时询问。在小通信量方式状况下，基地台发射机能够在一个低占空比的状态下运行并发送一一个Aloha征求信息，例如每5秒1次，而分台（或汽车）能够在一个帧中以随机选择的时间（可被割开间隙）发送选址请求，并且在万一发生争用或传播误差情况下，能够在同一个帧内一次或多次地重发请求。该帧的持续时间通常是，但不唯一是等于该基地台键控周期。

动态帧长方式可如公开在英国专利说明书2069799B中的那样或其变通方案。

如果经常发生的通信量情况是这样的，以至于基地台确定，以动态帧长方式继续运行会导致通过量减小，那么该Aloha征求信息参数的数值要被改变，以便分台组被划分成为用户机，并且各用户机能够以一种诸如动态帧长一样的随机选址方式运行。这被认为是比利用公开在John    I.caPetanakis的论文中的该类型的树技状运算来运行更有效，因为在一个用户机内的分台能随机选择一个帧内的时间，在该帧内去发送它们的选址请求。

最后，如果组的单元数目达到一点，在那儿各个分台正被寻址，那么该系统采用一个终端设备定时询向方式，用这个方式，各个分台被寻址和被征求或被逐个指示去发送信号。

这样，当通信量水平增加（或减小）时，仅仅通过改变OP码及参数的数值，该选址规约就会从随机选址逐步变化到终端设备定时询问（再返回），因此保证了使该系统延迟减到最小。

在终端设备定时询问方式中，可以如下方式形成基地台消息，即使得对前一个被终端设备定时询问的分台的响应的证实成为消息参数之一。在先的回答或不被发送，或者如果它们被发送，它们就包括特殊信息，该特殊信息增加了该终端设备定时询向周期的持续时间。

在除了终端设备定时间问以外的运行方式中，如果所说的时隙是在一个帧内，分台可以在一个紧随呼叫发生的时隙中来发送信号。这能比用其它成帧系统更快地选址，因为在其它成帧系统中，分台必须在该帧中随机选择一个时隙之前等待下一个Aloha信息。

现在，参照附图，通过实例，来描述本发明，在那儿：

图1用方框示意图的形式说明具有单一固定地点的单个汽车无线电中继系统。

图2A表示一个信息的不同的组成部分。

图2B到图2D表示了三个不同形式的征求信息。

图3指出了系统控制机与汽车之间在小通信量方式下的信号传输。

图4A到图4D用图说明在混合方式中用户机的一个对称结构。

图5A到图5D用图说明在混合方式中用户机的一个不对称结构。

参照图1，中继系统包括一个基地台，基地台包括一人系统控制机（或中央控制机）10，系统控制机以双2或半双2方式的中继线被连到固定站12和三个双2方式的无线电收发两用机14，16，18。图中，由四辆汽车20，22，24和26构成的四个分台，每一个都装备一台无线电收发两用机21，23，25和27，并且都能各自与无线电收发两用机14，16，18中的任何一台保持半双2方式中继。要指出的是，会有比无线电收发两用机14，16，18的数目更多的汽车。汽车间的通信是靠系统控制机10控制的无线电收发两用机14、16、18来进行的，系统控制机10包括计算机、调制器和解调器。

在运行中，系统控制机10和汽车20、22、24和26之间的大部分信号传输是在一个信号传输（或控制）通道中进行的，该通道可以不是专用通道。一个呼叫通过系统控制机10中的计算机一旦建立起来，那么，话音通道就分配给处于呼叫中的汽车。汽车发出的呼叫;可采取一组或一个被选汽车基站的方式来安排。某些信号传输，例如有必要结束一次通话的信号传送，则通过对话通道进行。

为了覆盖较大的区域，可采用多个固定站。在这些站中，信号传输通道可以准同步或顺序方式运行，或者可在每个站采用独立的信号传输通道。然而，为描述简单起见，仅以单独站为例来叙述。

按照本发明，一个被用于该系统的自适应多址规约使系统控制机能够估计消息通信量负载，并采用一种在那时刻被认为是最合适的运行方式。一种公开于英国专利说明书2069799B的该类型的系统，可被用来监测在各帧中筛选的时隙、获得成功的时隙、空时隙的数目以及呼叫到达率，以使系统控制机能借助反馈来决定它在下一帧中的运行方式，借助消息的内容，把运行方式的信号发给汽车。

中央控制机通过广播一个Aloha征求消息来征求汽车发送消息（通话请求）。该消息包括（A）引头30（图2A）的毕特翻转，即101010……，要求它保证汽车中的数据调制解调器取得位同步;（B）一个16位同步字32，它用来将消息的信息的信息内容构成帧;（c）一个4位OP码33，它用来规定消息的意义;（D）由参数和数据构成的区段34，它将在后面详细讨论;（E）一个16位循环允余码校验36，它用于错误检测和/或校正;（F）后文38，它包括一序列的随机毕特和/或毕特翻转，它通常只借助一个在信号传输（或控制）通道上运行的数据调制解调器来发送的，并且，如果直至发送下一个消息为止，发射机都保持开启状况，那么，它就是一个空闲状态填充信号。该系统中的所有信号传输，都以二进制数据流方式，使用如快速频移键控（FFSK）。以每秒1，200毕特来传输的。二进制数“1”的发送频率为1，200H₂而二进数“0”的发送频率为1，800H₂。

在下述的选址规约中，考虑以四种方式运行是很便利的。这四种方式即，小通信量方式（LTM）、动态帧长方式（DFM）、混混合方式（HM）和终端设备定时询问方式（PM）。对于不同区域的用户组同时使用的这些方式的某种结合是可能的。每个汽车通常包括一个预置程序的微计算机，微计算机有一个存储器，在处理来自系统控制机的消息，以便确定是否对它寻址的同时，保留该消息。

图2B到图2D表示了，在使用于不同方式情况下的征求消息中，参数段34的不同结构。该不同结构是靠OP码33的数值来区分的。参数A是由14个二进制数字组成的地址，并指定了被征求去发送消息的汽车。它可以是一个单独的汽车地址、一个特定组的地址，或者可用来指定汽车组的用户机。数据区段39（图2B到图2D）包含对本发明来说不重要的附加信息。图2B到图2D中的其它参数将在下面各种方式的说明中加以解释。

当没有多少通话请求时，使用LTM（图3）。在这种方式中，系统控制机10周期性地键控用于该信号传输通道的基地台发射机，即无线电收发两用机14、16、18（图1）中的一个，以便用OP码＝O（图2B），每5秒一次地发送一个Aloha消息42。在这个消息中，1确定用于汽车寻址的时隙的一帧。通常，该帧长等于键控周期，但是它可短些，当LTM帧44是在进行中时，若一个汽车想要发送一个消息，例如在由前头46指示的一个时间上，并且紧接的下一个时隙是在LTM帧内，那么它可以在紧接的下一个时隙48上来做。如果，当一个汽车要求发送一个消息时，而当时又没有帧被指定，那么它必须等待一个Aloha消息，然后从紧跟下面的K时隙中随机地选择一个时隙，K小于或等于该帧长。与其它要讨论的方式不同，一个由于通道误差或由于被另一个传输筛选，从而要求重发信号的汽车，可通过从紧跟的K时隙中随机选择一个时隙来做，而紧跟的K时隙是跟随这样一个时隙的，即在这个时隙中，可望收到来自系统控制机的一个证实信号。事实上一个汽车在一个帧内可做几个发送尝试。然而要注意，如果被选时隙是在一个LTM帧外，那么汽车必须禁止发送信号，而要等待另一个Aloha消息，并再做选择。在LTM的情况下，基地台发射机具有一个低占空比，这有助于维护发射机，并减小了对其它无线电系统干扰的可能。系统控制机10监测通信量，并在合适的条件下，它可在任何时候，甚至在一个帧的期间中，终止LTM，并通过发送一个具有合适的OP码的Aloha消息，而进入另一种方式，通常是DFM方式。相反，系统控制机10通过发送一个OP码＝0的Aloha消息而能从其它方式进入LTM。

DFM和HM两个方式都被具有OP码＝1（图2c）的Aloha消息来指定。

参数m包含4个二进制数，并且被用来把汽车组划分成2^m个用户机。为了方便起见，可将参数m看成是送到汽车的，用于对它的单个地址的最低m个毕特和地址A的最低m个毕特进行比较的指令。只有当上述m个毕特相配时汽车才被允许应征求而发送一个消息。如实例：

若m＝O，则没有地址毕特被比较，因此任何汽车可应答;在这种情况下，地址区段A是无意义的，可被用来传送数据。

若m＝1，则仅仅将地址A的最低位（LSB）与汽车地址的最低位作比较，并且，这样做时，就产生两个各具有一半汽车组地址的用户机。

如果m＝2，那么对两个最低位进行比较，而产生4个用户机。

这个划分用户机的过程可一直进行到m＝13。

如果m＝14，那么所有14位地址必须被比较，而这表明，征求被给予唯一的一辆汽车或者一个被指定的汽车组。

m＝14是一种特殊情况，在该情况中，汽车把地址A和它被指定的每个地址作比较，不只是和它各自的地址作比较（每辆汽车可被指定几个地址，例如一个单个地址和不同组地址）。

参数n，包括四个二进制数字，它表示帧长，帧长是下面跟随的时隙的数目，一辆汽车可从这些时隙中随机地选择，在被选时隙中，发送它的消息。为简单起见，下述描述将把n当作帧的时隙数目。然而值不需要明确地与时隙数目有关，但实际上可包含查寻表中的地址，从这个查寻表中可以得到时隙的明确数目。（类似地，K值和l值可查表寻址。）

DFM是以在英国专利说明书2069799B中所公开的方法为基础的，它概括了详细内容以便参考。简言之，在DFM的情况下，系统控制机安排要被发送的一个Aloha消息，在该消息中，OP码＝1，m＝0，并且其中n值是在帧的历程中空时隙的数目，未被破坏和被破坏的时隙的数目、以及被估计的新的请求到达率的基础上被决定的。当通信量水平波动时，为了防止过度的筛选并为了把延迟减到最小，该系统控制机10能自适应地控制帧长。在发生争用时，不可以在同一帧内发送重发消息，这样，可防止重发消息集中于帧的末端。

可被用于靠反馈控制来计算各帧的时隙数目n的算法包括：

（a）保有估计数R，它是现阶段新的每时隙的请求到达率;

（b）计算n_g、n_s和n_e，在前一个帧中，被观察的筛选的（n_g）、获得成功的（n_s）以及空闲的（n_e）入站时隙的数目;

（c）设置K作为时隙的数目，为从前一帧的最后一个时隙起（并包括该时隙在内）的时隙数;

（d）设置y＝q×n_g+S×n_s+X_ne+RzK

此处q、s和e是考虑到传播条件，而适当选定的常数;

（e）设置所要求的Aloha数目到n＝最大（1、四五入取整数（y/（1-R）），此处：最大（a，b）表示a和b中最大者，而园括号（。）表示四五入到最接近的整数。

以上所给出的算法假设，直到在前一个帧的末端以后，一个新的Aloha征求信号才被发送，并且还假设在一个Aloha帧内的所有时隙可用于随机选址请求。通过允许在与前一个帧的最后时隙相并存的时隙中来发送一个新的Aloha征求信号，和/或通过允许在一个Aloha帧内保存某些时隙，该时隙用于来自由系统控制机所指定的各个用户的消息，可以改善系统的效率。在这些情况下，将使用改进的算法。

如果通话请求过多，以至于达到了所希望的帧长最大值而通过量还在减小，那么，通过将m的值由零改变到1和14之间的某一值，并由此形成用户机，来把选址规约转入HM。当m＝14时，HM也能用来去征求来自指定用户组的请求。

为了便于理解，HM可被看作是某种形式的树枝状算法。然而，按照本发明，系统中的争用现象能比在所引用的文章中

推荐的方法，更有效地解决。通过使m具有1与14之间的一个值而形成的每一个用户机，在含有n个时隙的一个帧中的任意时间间隔上，被依次征求去发送消息。对每一个用户机来说，DFM算法被用来设置n的最佳值。然而，如果某一个用户机的最佳帧长超过的最大值，那么，可增加m。用这种方法，汽车组可被逐步地细分，并保持n为一个最佳数值，直到m＝14（12¹⁴个用户机），每个汽车可被选址，它符合纯粹的终端设备定时询问，这将在后面讨论。

回到原来的HM话题上，图4A到图4D说明从图4A中所述的DFM开始，随着现时通信量的增加而形成用户机的过程。当帧长达到它的最大值n＝15时，用m＝1，形成两个用户机，各用户机具有例如8个时隙（n＝8），（图4B）。随着通信量的增加，帧长也继续增加，直到超出m＝15/m＝1，（图4c）。我们用m＝2进一步细分，结果形成n＝8的四个较短的帧，（图4D），以此类推。如果请求选址的汽车组均匀分配，那么如图4A到图4D所示的对称细分是合适的。但是，如果要求选址的汽车组不是被均匀分配，那么，有可能只需对两个用户机中的一个进行细分，如图5A到5D中所示。这样，根据在最近的过去一段时间中的空闲时隙、被破坏与未被破坏的时隙以及呼叫到达率，系统控制机可以改变m和n的数值，以便获得时间范畴内的最佳性能。

终端设备定时询问可通过使用OP码＝1以及m＝14（如上述2¹⁴个用户机）的征求消息来执行。然而，通过修改消息参数，并且通过由系统控制机在证实前一辆被询问汽车的应答的同时来安排每一个用于询问一辆汽车的消息字，能够减少发信时间。图20表示用于终端设备定时询问的征求消息格式，其中OP码＝2，和A（ack）是前一个被终端设备时询问的汽车地址，该汽车的应答将被证实。这种方案带来的好处是：不需要一个特殊的证实信号，就可以使得汽车或它的驾驶员确知，其询问的应答已经成功地到达系统控制机。无论什么时候，没有汽车要被一个终端设备定时询问消息来证实，那么，则来用一个空地址。类似地，有可能通过使用一个空地址去证实，但不是终端设备定时询问一辆新汽车。

借助适当的选址和OP码，有可能询问车队的一部分，于此同时，允许该车队的剩余组以随机选址方式进行操作。

对于多站系统的情况，其中，一个信号传输通道循环这些站顺序地运行，一辆汽车可接收来自多于一个站的Aloha征求信号。在DFM和HM方式时，一辆汽车必须保证，它不在任何一个帧内做多于一个的随机选址信号传输。因此，如果在一个帧内已做过一次不成功的随机选址请求，那么汽车必须忽略从其它站接收到的指定了同一帧的Aloha消息。这个要求能被实现，例如，如果该汽车对到该帧结尾的时隙进行计数。

如果希望该规程具备采用诸如“纯Aloha”那样的不成帧方式的条件，则可以通过提供一个合适的用于OP码33（图2A）的数值来实现，比方说一个数值3。

Claims (12)

1、一种多址通信系统，它包括一个基地台和多个分台，它的运行方式是根据在一个Aloha征求消息中传送的一个OP码来确定的，根据当前通信量状况的一个估计数，来确定该OP码的数值，从而在多个运行方式中来确定一个特定的方式。

2、如在权项1中所要求的一种系统，其中，参数和OP码一道传送，所说参数的作用是决定用于任何被选OP码的动态操作的。

3、一种多址通信系统，它包括一个基地台和多个分台，它的运行方式是根据在一个Aloha征求消息中传送的一个OP码和参数来确定的，根据当前通信量状况的一个估计数，来确定该OP码和参数的数值，从而在多个运行方式中来确定一个特定的方式，以及那个方式中的动态运行。

4、如在权项1、2或3中所要求的一种系统，其中，所说方式之一是一种小通信量方式，在该小通信量方式中，一个基地台发射机以一个低占空比运行，一个分台能在一个被规定的远址期间（在下文称作帧）发送一个选址请求，在该请求被破坏的情况下，该请求能在同一帧内重新发送。

5、如在权项4中所要求的一种系统，其中，一种小通信量方式帧的长度和重新试做随机周期是由该Aloha征求消息来规定的，所说的帧长和随机周期以自适应方式确定。

6、如在权项4或5中所要求的一种系统，其中，所说方式中的另一个是一种动态帧长方式，在该动态帧长方式中，在一个帧内有一个预定的最大时隙数目，在同一帧内不允许重新发送信号。

7、如在权项6中所要求的一种系统，其中，所说的方式中另外的一个是一种混合方式，在该混合方式中，形成分台组的用户机，至少所说用户机之一是按一个动态帧长随机选址规约运行的。

8、如在权项4到7之中的任何一个权项中所要求的一种系统，其中，一个分台可以在紧跟呼叫之后的时隙中发送信号，其条件是所说时隙是在一个帧内。

9、如在权项7中所要求的一种系统，其中，另外一种运行方式是分台的终端设备定时询问。

10、如在权项9中所要求的一种系统，其中，当该系统运行在该终端设备定时询问方式时，在该终端设备定时询问的消息中的一个参数是来自前一个被终端设备定时询问的分台的一个应答的一个证实。

11、如在权项6或7中所要求的一种系统，其中，在动态帧长和混合方式中，Aloha消息中包括一个发给每一分台的指令，该指令由被发送消息的地址部分的最低几位构成，将它们和分台的适当地址进行比较，以便确定是否允许对上述消息作出响应。

12、一种多址通信系统，它参照附图，本质上按照上述的方式进行运行。

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