载波侦听随机分组码分多址接入协议设计与簇内多址干扰性能分析

杜传报，全厚德，马万治，崔佩璋，王晓明

（1.军械工程学院信息工程系，河北石家庄050003；2.电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，四川成都611731；3.63981部队，湖北武汉430000）

载波侦听随机分组码分多址接入协议设计与簇内多址干扰性能分析

杜传报1，全厚德1，马万治2，崔佩璋1，王晓明3

（1.军械工程学院信息工程系，河北石家庄050003；2.电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，四川成都611731；3.63981部队，湖北武汉430000）

在战术应用场景下，面向某型电台的双通道网络组网方案能够有效地减小实际码分组网存在的码分资源浪费问题。为了提高双通道网络控制通道的抗干扰能力，引入随机分组码分多址技术，提出了载波侦听随机分组码分多址接入（CSRP-CDMA）协议。并建立了基于CSRP-CDMA的时隙扩频Ad Hoc网络理论分析模型，推导了分组传输成功概率和吞吐量表达式，分析了扩频增益、分组负荷和分组头长度比值以及接收信号信噪比等因子对吞吐量性能的影响。和适用于RPCDMA的传统MAC协议做了网络性能仿真比较。理论数值和仿真结果显示，CSRP-CDMA协议性能明显优于传统协议，其归一化网络吞吐量理论值达到0.75，能够有效保证控制通道的资源利用率。

通信技术；扩频Ad Hoc网络；码分多址接入；多用户检测器；多址干扰；网络吞吐量

0 引言

目前，战术超短波自组网主要采用异步组网和同步组网两种组网体制。由于同步组网具有网间互联互通、组网规模大、网络容量高、抗跟踪干扰能力强等优点，大规模战术环境中以该方式为主［1］。战术环境下，实际存在的子网数量远远小于理论组网容量，导致了网络码分资源的严重浪费。为提高资源利用率，针对某型电台设计的双通道组网方案采用控制通道和数据通道构成的双通道结构，其中控制通道抗干扰能力决定网络可靠性，因此控制通道抗干扰设计成为关键技术之一。由于扩频技术具有优越的信道接入和抗干扰特性，因此可将扩频技术与Ad Hoc网络相结合［2-3］，以提高控制通道抗干扰能力。

扩频Ad Hoc网络技术主要应用在分布式网络场景中，网络节点根据地域分布属性或功能属性被划分成多个簇，簇首和网关节点构成虚拟骨干网络［4］，实现簇间互联互通。通常使用不同扩频码划分子簇，而簇内通过某种码分配方式分配扩频码给簇内节点以实现簇内通信。目前扩频码分配方式主要有［5-6］:公共码方式、基于发送方的扩频码方式、基于接收方的扩频码方式和基于收发对的扩频码方式。Roland等［7］、Christian等［8］中提出一种无连接无协商的随机分组码分多址接入（RP-CDMA）技术。RP-CDMA设计了一种分组级的码分配方式，将分组分成分组头和分组负荷，分组头由公共扩频码扩展，分组负荷由随机扩频码扩展。接收机通过分组头检测器捕获分组头，获得分组头中携带的负荷扩频码ID，分组负荷检测器通过负荷扩频码检测出分组负荷。RP-CDMA最初应用在双向链路的基站网络和卫星网络中，数据分组收发和确认分组收发在不同的链路中完成。文献［7］将RP-CDMA技术应用于Ad Hoc网络，但主要研究多用户检测性能，并未建立相关网络性能分析模型，也并未针对Ad Hoc网络单向链路特点设计相应的MAC协议。文献［8］给出了RP-CDMA技术应用于Aloha系统的网络性能分析模型，但并未考虑多址干扰对系统性能的影响；同时，相比Aloha系统的高碰撞概率和低传输效率，具有载波侦听功能的载波侦听多路访问（CSMA）信道接入协议更多应用于无线Ad Hoc网络。文献［9］设计了简单平面网络拓扑结构的RP-CDMA MAC协议，但并未考虑分层分布式拓扑网络场景，也未建立相关的网络性能分析模型，且未考虑多址干扰对网络的影响。因此，在分层分布式Ad Hoc网络场景下，基于CSMA载波侦听设计思想，设计出适合RP-CDMA技术的CDMA信道接入协议是本文的主要研究对象。

为了提高控制通道抗干扰性，本文引入了RPCDMA技术，并针对分层分布式网络场景设计了载波侦听随机分组码分多址接入（CSRP-CDMA）协议。并将伯努利过程和泊松分布引入时隙扩频Ad Hoc网络系统模型中，综合考虑簇内多址干扰、白噪声干扰、分组头冲突等影响。另外，本文建立了基于CSRP-CDMA的时隙扩频Ad Hoc网络理论分析模型，推导出分组成功传输概率，得到了网络吞吐量的表达式，研究了扩频增益、分组负荷和分组头长度比值以及接收信号信噪比等参数对网络吞吐量的影响。并和文献［9］所提MAC协议做了仿真比照。结果显示，相比文献［9］所提MAC协议，CSRP-CDMA协议的归一化网络吞吐量性能大幅提升，并且在提高控制通道抗干扰能力同时，其归一化网络吞吐量可达到0.75，满足控制通道资源利用率的要求，为双通道网络中控制通道的工程实现奠定了基础。

1 双通道组网方案

传统组网方案在实际应用中存在码分资源浪费严重的情况，以正交同步组网为例，假如群网频率集为｛f0，f1，f2，…，fn-1｝，频点数目n，则理论组网容量为n，即最多可同时建立n个子网，而战术环境下战术任务所需要的子网数目为m.如图1所示，首先通过频分组网划分不同的群网，群网再通过码分组网划分子网。以群网1为例，将该频率集下的m个跳频序列分配给m个子网，剩余n-m条空闲跳频序列未被分配，并且不能被已建子网中节点所使用。因此m越小，空闲跳频序列越多，空闲的码分资源浪费越严重。

图1 空闲码分资源示意图Fig.1 Idle code resources

因此，针对某型电台所设计的双通道组网方案，使用基于全连通子簇的分层分布式网络结构，节点的双通道收发机制由控制通道和数据通道构成。全网节点的控制通道均使用同一条跳频序列，传输簇维护、网络管理、路由控制等分组信息等。当某节点对有数据业务需求时则会建立数据通道，此数据通道上的所有节点均切换到相同的空闲跳频序列上完成数据分组传输。双通道组网如图2所示，子簇为全连通网络，实线为数据通道，虚线为控制通道。

图2 双通道网络结构Fig.2 Dual-channel network structure

2 系统模型

为便于建模，假设:1）子簇为全连通网络，簇间通过不同分组头扩频码区分，不考虑簇间多址干扰；2）分组负荷检测器使用最小均方误差（MMSE）多用户检测器；3）冲突只对分组头产生影响，多址干扰和信道噪声对分组头和分组负荷均产生影响；4）全网时隙同步。

2.1 节点发送模型

假设每个子簇有Nnode个同质节点，节点有效传输距离为r，随机分布在以簇头节点位置为中心的覆盖区域内。如图3（a）所示，分组头长度为Lh（bits），扩频增益Nh，分组头周期Th为单位时隙，即Th=1 slot；分组负荷长度为Ld（bits），扩频增益Nd，并且NdLd整除NhLh，负荷周期Td=（NdLd/NhLh）Th（slots）；分组长度为Lp=Ld+Lh（bits），分组周期Tp为

图3 分组格式和接收机结构Fig.3 Packet format and receiver structure

节点在任意分组周期Tp内最多只能发送一个分组，故Tp内某子簇中发送分组的节点数目服从伯努利分布，节点的分组发送概率为λs，λs为平均分组发送速率（分组数目/Tp），接收机收到xr个分组的概率为

在t个分组周期内，节点发送的分组个数服从λS的泊松分布。根据n个服从λS的泊松分布之和服从nλS的泊松分布，则在tTp时间内接收机收到k分组的表达式为

2.2 接收机建模

接收机由分组头检测器和多用户检测器构成，如图3（b）所示。分组头检测器由传统的单匹配滤波器实现，分组负荷检测器由多用户检测器［10-12］实现，如匹配滤波器、解相关器、MMSE、迭代干扰消除器等。因为负荷扩频码不同，来自多个节点的分组负荷可以同时到达接收机，分组负荷检测器使用多用户检测器成功恢复出这些分组，但多用户检测器性能决定了分组负荷的抗多址干扰能力。因为分组头与分组负荷使用不同的扩频码，即使在接收机前端和其他分组负荷重合，依然可以被分组头检测器成功检测。因为使用相同扩频码，多个分组头发生重叠则被视作丢失。但是由于分组头所占比重很少，分组头信道负载通常很轻，因此分组头冲突概率可控。分组头检测器由单匹配滤波器构成，其输出分组j的信干噪比Γmfj为

式中:Powerh和Powerd分别是分组检测器前端的分组头接收功率和分组负荷接收功率；σ2是高斯白噪声功率谱密度；Npacket指在某分组周期内分组头检测器同时接收到的分组负荷的总数目；Nh指分组头扩频增益。分组头检测器的匹配滤波器输出信号门限为γmf，只有当时参考分组头检测成功。

分组负荷检测器采用MMSE多用户检测器，假定接收机端接收到的分组负荷信号功率相等，MMSE检测门限为γmmse，可知当检测器输出端信干噪比满足Γmmse≥γmmse时，参考分组负荷可以检测成功。有Γmmse公式［7］如下:

式中:α=Kmax/Nd，Nd是分组负荷扩频增益。故通过（5）式可求得MMSE的最大检测分组数Kmax.

3 CSRP-CDMA

CSRP-CDMA使用RP-CDMA的分组格式，由分组头和分组负荷构成，分组头由公共扩频码扩展，分组负荷由随机生成的负荷扩频码扩展，如图3（a）所示。分组负荷扩频ID由分组头携带，接收节点解调分组头后获取负荷扩频码，进而解扩分组负荷。因为码分多址特性，扩频序列可被看作是独立信道，CSRP-CDMA使用公共信道发送分组头，同时使用多个随机信道发送分组负荷。因为分组负荷扩频码集足够大，邻居节点间同时选择相同的负荷扩频码的概率可以忽略不计，因此通常说在唯一的私有信道上发送分组负荷。

文献［9］提出的最终确认策略要求发送节点不用等待上个分组的ACKs就可以发送下个分组，而接收机则必须在空闲时刻才可以给发送节点返回多个ACKs.因此在业务量大时，簇内存在多个同时分组传输的现象会很普遍，这会导致接收机一直处于接收状态，使得发送ACKs的机会不能得以保证，造成分组传输效率的降低。因此，CSRP-CDMA提出分组片段确认策略，一次数据传输任务由多个帧构成，每个帧由多个分组构成，而此策略要求每个帧由多个分组片段构成，每个片段中的最后一个分组头携带分组片段结束标识符，帧中的最后一个分组头携带帧结束标识符。发送节点需要在某分组片段发送完成时转到接收状态，等待接收此片段的ACKs，如果此片段中的某分组发送失败，则重新发送。分组片段确认策略保证分组的可靠性和传输效率，同时又不破坏上层的帧设计规则，能更好与现有系统兼容。

CSRP-CDMA中，网络基于时隙同步，每个时隙长度和分组头长度相同，分组头在时隙起始时刻发送。每个节点存储器中都有一张邻居节点状态表，节点状态有接收和发送两种状态。节点只有在发送分组片段时是发送状态，否则为接收状态。分组头包含源节点地址、目的节点地址、分组片段结束标识符或帧结束标识符等信息。当节点在接收状态时，分组头检测器侦听邻居节点发送的分组头，进而知道此时刻起下一个分组负荷周期内邻居节点状态，据此可判定接收节点在下一个负荷周期内的节点状态，以此决定直接发送或是退避延迟发送，这里分组负荷周期是指分组负荷所占时隙数目。

图4为载波侦听随机分组过程，步骤如下:

1）准备发送分组，检查邻居节点状态表中目的节点的节点状态，转到步骤2.

2）判断目的节点状态:如果是接收状态，则转到步骤9；否则步骤3.

3）侦听并解调分组头，转到步骤4.

4）判断此分组头是否发送给目的节点:如果是，则转到步骤5；否则转到步骤8.

5）判断分组头中是否携带相关结束标识符:如果是，则转到步骤6；否则转到步骤3.

6）等待一个负荷周期，转到步骤7.

7）在邻居节点状态表中修改相关节点状态，转到步骤9.

8）判断是否此分组头是否来自目的节点:如果是，则延迟一个时隙，转到步骤7；否则转到步骤3.

9）发送分组。

图4 载波侦听随机分组过程Fig.4 Process of carrier sense random packet

4 网络性能的理论分析

4.1 分组传输成功概率

在基于CSRP-CDMA的时隙随机接入Ad Hoc网络，一个分组的成功传输需要满足两个条件:1）分组头被正确接收；2）分组负荷被正确检测。故参考分组传输成功概率为

式中:Ph为分组头成功检测概率；Pd为分组负荷检测概率。簇内节点的分组头都使用相同的扩频码，均在时隙的起始时刻发送，只要在某个时隙有多个分组头重叠则产生冲突，相关的分组均视为丢失。由于采用不同的扩频码扩展，分组负荷对分组头产生多址干扰。信道噪声仅考虑高斯白噪声。因此分组头的传输成功概率Ph为

式中:Phc为分组头未与其他分组发生冲突的概率；Phi为多址干扰和高斯噪声影响下分组头成功传输的概率。以接收机收到的某参考分组为例，在参考分组时间Tp收到xr分组的概率如（2）式，由于参考分组的分组头占据Tp的第一个时隙，故剩余xr-1分组头只要不在第一个时隙就不会和参考分组头发生冲突，故概率Phc为

如图5所示，黑色标记为参考分组头，斑马线标记为产生多址干扰的分组负荷。在时间t0～t1范围内产生的分组会对参考分组头产生多址干扰，时长等于分组周期Tp.故分组周期Tp内收到xr分组的概率服从伯努利分布为P（xr）.若这xr-1分组只要在Tp的第一个时隙发送，其分组负荷不会影响参考分组头，因此有k分组产生多址干扰的概率为

图5 分组头受多址干扰影响示意图Fig.5 Effect of multi-access interference on packet header

由（4）式可知，接收机分组头检测器最多能承受的多址干扰数目NMAI，max为

故分组头不受多址干扰和高斯噪声影响的概率Phi为

分组负荷检测器使用MMSE联合检测器，其成功检测分组取决于同时接收分组数目不大于多用户检测器最大处理分组数。负荷检测器在检测窗口区间Td内接收到的负荷发送时间范围在2Td内。因此，负荷检测器假定多用户检测器最大检测分组数目为Kmax，则在2Td内接收机端分组数目不能超过Kmax，其接收机端的分组数目服从伯努利分布，根据（5）式可求得多址干扰和高斯白噪声环境下的Kmax.因为分组头所占比重很小，故其对分组负荷的影响忽略不计。根据（3）式有参考分组负荷成功检测概率Pd表达式为

λs为平均分组发送速率，当网络规模一定时，网络吞吐量随λs变化，通过文献［7］中相关结论，推导结论如下，据此可获得网络吞吐量最大的平均分组发送速率λs.

结论 假定任何分组头在某时隙发生重叠，则判定相关分组传送失败，如果未发生重叠则判定发送成功，此处不考虑多址干扰和信道噪声影响。接收机收到n个分组，k个分组传输成功的概率为εn，k，有表达式为

证明 ui是指第i时隙的分组头的数目，故有u1+u2+u3+…+uz=n.

n个分组头在z时隙里共有zn种可能。第一步，将这n个分组头分布在z时隙里，保证有k个分组头传输成功。其中ui=0表示时隙i没有分组头，ui=1表示时隙i有1个分组头。这种情况下，将k分组头分布在z时隙中，保证ui=（0，1）.下一步，在ui=0的这些时隙里分布剩余的n-k个分组头，这些分组传输不成功，故有u1+u2+u3+…+uz-k= n-k.

下面，用m表示ui=0的时隙数目，故共有种可能，有u1+u2+u3+…+uz-k-m=n-k， ui＞0，其中m的限定条件:由于m时隙无分组，故有z-k-m时隙分配n-k分组头，则每个时隙至少有2个分组头（因为若只有1个分组头则认为传输成功），故有n-k≥2（z-k-m），.

由此可得到n分组中有k分组成功传输的组合数An，k为

其中当k=n-1时，说明只有1个分组头传输失败，至少有2个分组头才可能碰撞产生冲突，故有εn，k=0.当k=n时，εn，k表示n分组全部传输成功的节点最大分组发送速率，故有节点平均分组发送速率λs为

证毕。

4.2 网络吞吐量

定义网络负载G［13］为分组周期Tp内网络产生的平均分组数目，因此有G=NnodeλsTp.网络吞吐量S定义为网络中实际传输成功的平均分组数目，则S=GPp.因为采用扩频方式需要占用额外的传输带宽，评价时隙扩频Ad Hoc网络则需要考虑扩频增益，为此归一化网络吞吐量为Snormal，有

5 结果分析

本节分别研究分组头检测器检测能力，扩频增益、分组负荷和分组头长度比值、分组长度以及接收信号信噪比等参数对网络吞吐性能的影响，并给出了相应的数值结果。主要参数设置如下:γmf= 3 dB，γmmse=3 dB，σ2=1 dB，平均分组发送速率λs由（15）式计算得到。

5.1 分组负荷检测能力分析

根据第2节系统接收机建模中MMSE信号判决（5）式数值计算分组负荷的最大检测能力。分组负荷检测器的最大检测能力由接收机前端的接收信号信噪比SNR和分组负荷扩频增益决定，因此首先根据（5）式分析二者取不同值时对多用户接收机最大检测能力的影响，参数设置如下:γmmse=3 dB，σ2=1 dB，Powerh和Powerd均为10 dB.如图6所示，MMSE多用户检测器的最大检测分组数目Kmax由分组负荷扩频增益Nd和接收信号信噪比SNR决定。随着分组负荷扩频增益增加而线性增长，在接收信号SNR＜30 dB时，Kmax随着SNR增加而增大，当SNR越大，SNR对MMSE检测能力的提高影响越来微弱。由上述分析可知，在接收信号信噪比一定时，通过设计合理的分组负荷扩频增益，可使多用户接收机检测性能满足网络规模的需求。

图6 分组负荷扩频增益对多用户检测能力影响Fig.6 Effect of packet payload SS gain on multiuser detector capability

5.2 网络分组成功传输率和吞吐量性能分析

网络吞吐性能受限于分组传输成功概率，分组传输成功概率又受分组头扩频增益、分组负荷扩频增益、分组长度、分组负荷/分组头长度比率、接收信号信噪比和网络规模等参数影响，所以下面逐一分析这些参数。

首先分析分组头扩频增益对网络性能的影响。参数设置为，Lh=5，Ld=500，Nd=20，Powerh和Powerd均为10 dB，接收机前端SNR为10 dB.图7是在不同子簇规模下，归一化网络吞吐量Snormal随分组头扩频增益Nh的变化趋势。当接收信噪比SNR=10 dB和分组负荷扩频增益为20时，有MMSE最大检测能力Kmax=19，此条件下只有当子簇规模小于MMSE检测能力或和MMSE检测能力相匹配时，在分组头扩频增益Nh=10时有最大的归一化网络吞吐量。当节点数为20，Nh＜10时Snormal急剧上升，这是因为分组传输成功概率增大的缘故，而Nh＞10时分组传输成功概率趋于恒定，但分组负荷和分组头比重随分组头扩频增益增大而减小，故Snormal逐渐下降。因此，分组头扩频增益决定了分组头的冲突碰撞概率，需要合理的设计保证较高的分组传输成功概率。

图7 分组头扩频增益对网络性能影响Fig.7 Effect of packet header SS gain on network performance

下一步分析分组负荷扩频增益对网络性能的影响。参数设置如下，Lh=5，Ld=500，Nh=10，子簇规模大小设定为Nnode=20，Powerh和Powerd分别为10、20、30 dB.由图8可知，分组传输成功概率Pp在Nd＞20后趋近于1，但归一化吞吐量Snormal却急剧下降，这是因为当Pp趋同时网络吞吐量变化也趋同，Nd增大会使网络消耗更多的带宽，所以Snormal才会下降。当Nd＜15时，随着Nd增大，分组传输成功概率增加率远远大于Nd增加率，因此归一化吞吐量也急剧增加。因此，负荷扩频增益的设置需同时考虑多用户检测器最大检测能力与网络负载需求相匹配，以获得最优的频谱利用效率。

不同分组长度对网络性能的影响，如图9所示。参数设置如下，Nh=10，Nd=20，Powerh和Powerd均为10 dB，信噪比SNR=10 dB，分组负荷和分组头比值约为100.由图9可知，在多分组接收机能力范围内，随着网络规模增大，网络负载增大，分组传输成功概率变化缓慢，归一化网络吞吐量增加，这是因为网络负载过小时造成网络中的码分信道资源利用不充分所致。再者，在不同分组长度条件下，分组成功传输成功概率和归一化网络吞吐量相同。这种现象是因为不同的分组负荷在不同的扩频信道上传输，分组负荷间不会产生冲突，尽管分组头在相同的扩频信道上传输，但由于其长度与时隙相等，分组头的碰撞概率可控。因此，分组长度与网络性能没有关系。

图8 分组负荷扩频增益对网络性能的影响Fig.8 Effect of packet payload SS gain on network performance

图9 不同分组长度对网络性能影响Fig.9 Effect of packet length on network performance

接下来考虑不同分组负荷和分组头比重对网络性能的影响，仿真结果为图10、图11.仿真参数Nh=10，Nd=20，Powerh和Powerd均为10 dB，信噪比SNR=10 dB.如图10所示，当网络规模为20时，LdNd/LhNh值在200左右有Snormal最大，当网络规模严重超出接收机能力时，分组负荷抗多址干扰能力下降，分组负荷不受多址干扰的成功概率Pp急剧下降，故分组传输成功概率减小，造成Snormal骤降。由图11可知，分组传输成功概率随分组负荷扩频增益增加而增长，因为过小的分组负荷扩频增益会降低MMSE接收机的最大检测分组数。由图10、图11可知，当网络规模和MMSE接收机能力相匹配时，分组负荷/分组长度比值在200左右有最佳的归一化网络吞吐量。因此，分组负荷与分组头比值在100～200区间，由于分组头所占开销很小，网络具有良好的吞吐性能。

图10 不同网络规模和分组负荷/分组头长度比的网络性能Fig.10 Network performances for different network scales and packet payload-header length ratios

图11 不同分组负荷扩频增益和分组负荷/分组头长度比的网络性能Fig.11 Network performances for different packet payload SS gains and packet payload-header length ratios

不同信噪比下网络性能随网络负载变化的性能曲线如图12所示。结合上述分析结果，仿真参数设定为Nh=10，Nd=20，分组负荷与分组头比值200.在平均分组发送速率不变的前提下，网络负载与网络规模变化相同，网络规模越大，网络负载越大。由图12可知，当接收信号信噪比SNR＜30 dB时，分组传输成功概率、归一化网络吞吐量和归一化传输时延随SNR增加而增加，但是当SNR＞30 dB时，信噪比对网络性能影响不再增加。由先前分析可知，MMSE最大检测能力Kmax在15左右。当网络规模小于15时，即网络负载在接收机硬件承载能力范围内时，分组成功传输概率一直很高，而归一化网络吞吐量随网络规模增加而增大，这是因为网络规模过小时，网络负载很轻造成网络码分资源浪费。当网络规模大于15时，随着网络规模增加，网络负载增加，分组传输成功概率降低，进而归一化网络吞吐量下降。因此，当信噪比较低时，通过提高信噪比可以明显改善网络性能，但是当信噪比提高到一定程度时，再继续提高信噪比无助于进一步提高网络性能。

图12 不同SNR时网络规模对网络性能的影响Fig.12 Effect of network scale on network performance under different SNRs

5.3 CSRP-CDMA和文献［9］MAC协议仿真比较

使用网络仿真软件OPNET14.5在主频2.8 GHz的Windows 7系统上对CSRP-CDMA和文献［9］MAC协议进行了性能仿真对比，给出了在不同信噪比环境下双通道网络的控制通道归一化网络吞吐量随网络规模变化的性能曲线。因为CSRP-CDMA协议是针对双通道网络控制通道的信道接入而设计的，故本处仅分析控制通道上的控制消息分组的传输效率，以考察CSRP-CDMA协议的归一化网络吞吐量性能。由于未考虑簇间干扰，简便起见，故仅构建一个简单全连通网络，网络节点均使用一条跳频序列，用以模拟双通道网络的控制通道。仿真主要参数设置为:网络覆盖区域为5 km×5 km，节点数目分别为10～20，通信频段为30～87 MHz，跳速为200跳/s，跳频频率集数目为256，信道带宽64 kbits/s，控制消息分组大小为1 024 bits，Nh=10，Nd=20，分组负荷与分组头比值200，分组头长度为24 bits，分组负荷长度为2 kbits，Powerh和Powerd均为10 dB，MMSE最大分组检测能力Kmax=15，平均分组发送速率λs随网络规模而变化，可由（15）式计算得到，SNR=20 dB.取10次独立仿真结果求取平均值作为最终统计结果。如图13所示，CSRPCDMA协议和文献［9］协议的归一化网络吞吐量性能比较仿真曲线。据图13可知，CSRP-CDMA仿真曲线能够较好逼近理论曲线，由于使用载波侦听分组头机制和分组片段确认策略，CSRP-CDMA仿真性能优于文献［9］协议，并且可知在多用户分组检测能力为15时，CSRP-CDMA在节点数为13时具有最佳的归一化网络吞吐量。据先前研究工作可知，双通道网络控制通道的码分资源利用效率在本文仿真环境下，需要在0.56以上才能够使得路由寻找时间符合国军标，故可知网络规模在节点数目10～15之间均满足要求，当网络规模大于15时则需要设计检测性能更强的多用户分组检测器。

图13 CSRP-CDMA协议和文献［9］协议性能仿真比较结果Fig.13 Comparison of performances of CSRP-CDMA protocol and MAC protocol in Ref.［9］

6 结论

针对某型双通道电台组网设计中的控制通道的抗干扰问题，本文提出了载波侦听随机分组码分多址接入协议。在此基础上，构建了基于伯努利和泊松分布的系统模型，综合考虑分组头冲突、信道噪声和簇内多址干扰，建立了时隙扩频Ad Hoc网络性能模型，获得了分组传输成功概率和吞吐量的表达式。另外，着重分析了分组负荷扩频增益、分组头扩频增益、分组长度、分组负荷与分组头比值、网络规模和信噪比对网络吞吐性能的影响。理论数值和仿真结果显示，CSRP-CDMA协议性能比文献［9］所提MAC协议性能优越，在提高控制通道抗干扰能力同时能够满足控制通道的资源利用效率。为双通道网络控制通道抗干扰能力增强的工程实现提供了理论依据。下一步将研究簇间多址干扰对控制通道的性能影响。

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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

国家自然科学基金项目（U1035002/L05）；国家无线重大专项项目（2014ZX03003001-002）

杜传报（1987—），男，博士研究生。E-mail:leopard0306@126.com；全厚德（1963—），男，教授，博士生导师。E-mail:quanhoude@126.com