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一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210026300.8

申請日:

2012.02.07

公開號:

CN102571675B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04L 27/26申請日:20120207|||公開
IPC分類號: H04L27/26 主分類號: H04L27/26
申請人: 廣州市香港科大霍英東研究院
發明人: 王璐; 伍楷舜; 倪明選
地址: 511458 廣東省廣州市廣州南沙資訊科技園軟件樓N301室
優先權:
專利代理機構: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214 代理人: 黃大宇
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210026300.8

授權公告號:

102571675B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于無線干擾抵消技術和節點全雙工模式,用以解決無線網絡中隱藏終端問題的通信方法。本發明基于OFDM調制技術,從無線局域網物理層入手,利用通信干擾技術將無線網絡節點信息編碼到特殊的干擾信號中,以“附件”的形式疊加到空氣中的數據信號中。控制信息和數據信息可以并行分布式傳輸,節省了控制信息的資源消耗。接收數據信息的節點利用干擾抵消技術消除干擾信號,從而獲得原始數據。接收控制信息的節點利用能量檢測技術從混合信號中解調出控制信息,獲得沖突域內正在傳輸節點的物理地址,建立相應節點列表。通過查詢鄰居節點的發送和接收狀態,該節點可以得知自己是否是隱藏終端,從而避免發送沖突數據,以此提高信道利用率。

權利要求書

1.一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:基于正交頻分多路復用平臺,利用無線干擾抵消技術和網絡節點全雙工模式,引入入物理層全雙工發送接收模塊、干擾附加模塊、干擾檢測模塊和干擾抵消模塊,使接收節點在接收數據的同時能夠發送一些控制信息,聲明自己的接收狀態,使網絡內節點獲得足夠控制信息,協助MAC層信道判定模塊判斷自己是否為隱藏終端或者暴露終端;結合沖突解決模塊,使得隱藏終端避免向當前的接收節點發送數據,從而避免不必要的沖突,并利用暴露終端進行并發傳輸,增大網絡總吞吐量,減少不必要的時延。2.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:基于正交頻分多路復用平臺,但也可相應地擴展到其他無線傳輸平臺。3.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:利用物理層全雙工發送接收模塊,使接收節點在接收數據的同時發送控制信息,以此標明自己是接收節點,但不影響原來的信道帶寬。4.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:干擾附加模塊利用OFDM調制技術,通過將節點MAC地址信息編碼到干擾信號中來獲得正在傳輸的節點列表,即將OFDM子載波分組為發送表示頻帶、接收表示頻帶及受害表示節點,每個頻帶包含m個子載波,自頂向下依次編號為0至m-1;節點利用干擾附加模塊將其MAC地址及其接收端MAC地址以hash的方式壓縮為兩個小于m的整數值h,則相應的發送及接收節點MAC地址表示為頻帶中編號為h的子載波攜帶一個窄帶干擾信號并以二進制的“1”表示。5.根據權利要求4所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:干擾附加模塊采用一種循環干擾的方式,令OFDM每一個符號上攜帶相同的干擾,并且在數據信號的頭和尾分別預留出附件信號記錄點,保證在分布式無線網絡中,干擾檢測模塊和干擾抵消模塊能夠正常運作,且干擾信號獨立于數據信息進行調制和解調,即同一節點分別傳輸或解調數據信號和控制信號。6.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:在控制信號接收端,干擾檢測模塊利用能量檢測器來檢測和解調包含在干擾信號中的控制信息,即窄帶的干擾信號相比寬帶數據信號含有較高的能量,以此解碼出相應的Hash值,從而獲得當前傳輸的節點列表。7.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:干擾抵消模塊僅使用一部分子載波估測信道,剩余子載波則用來記錄干擾信號強度,干擾抵消模塊根據訓練序列中記錄的干擾信號強度,將干擾信號由接收到的混合信號中抵消,解調出原始數據信號。8.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:節點根據搜集的干擾信號建立發送節點、接收節點和受害節點列表,根據傳輸節點列表和一跳鄰居表,節點利用MAC層判定模塊來決定自己是否為隱藏終端或暴露終端,即如果當前鄰居沒有接收節點,而自己的接收節點既不是發送節點也不是受害節點,則該節點可以進行當前的數據傳輸,以此有效避免隱藏終端引發的沖突,并利用暴露終端進行并發鏈接,從而增加信道利用率。9.根據權利要求1所述的一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法,其特征是:沖突解決模塊將信道劃分出一小部分,專門為ACK傳輸,使ACK的傳輸和數據傳輸就可以并行傳輸,從而避免了數據傳輸與ACK傳輸在暴露終端位置的沖突。

說明書

一種基于物理層干擾信息的隱藏終端優化方法

技術領域

本發明涉及一種基于無線干擾抵消技術和網絡節點全雙工模式來解決無線網絡中隱藏終端問題的通信方法。該方法可以有效地避免無線網絡中隱藏終端引起的傳輸干擾,從而提高信道利用率,增大網絡總吞吐量。本發明屬于無線通信技術領域。?

背景技術

隱藏終端是無線網絡中的經典難題。隱藏終端是指在接收接點的覆蓋范圍內而在發送節點的覆蓋范圍外的節點。隱藏終端由于聽不到發送節點的發送而可能向相同的接收節點發送數據,導致數據在接收節點處沖突。由于沖突后發送節點要重傳沖突的數據,這降低了信道的利用率。以往解決隱藏終端的方法是增大監聽范圍。然而,增大監聽范圍又會導致另一經典的難題的惡化,即暴露終端問題。暴露終端問題是指在發送節點的覆蓋范圍內而在接收節點覆蓋范圍內的節點。暴露終端因聽到發送節點的發送而延遲發送。但實際上該節點在接收節點的通信范圍之外,它的發送不會造成沖突,這就引入了不必要的延時。?

發生隱藏終端的本質原因是因為接收節點無法聲明自己的傳輸狀態,導致其他節點無法獲得足夠的控制信息進行判斷。因此,怎樣在不影響原始數據信息帶寬的條件下獲得足夠的控制信息,并令接收節點有效的聲明自己的傳輸狀態是本發明要解決的關鍵問題。?

通信干擾技術最早應用于軍事領域。運用無線電干擾設備發射適當的干擾電磁波,就可以破壞和擾亂敵方的無線電通信。通信干擾技術按頻譜寬度可分為瞄準式干擾和阻塞式干擾。其中瞄準式干擾是壓制敵方一個確定信道的通信干擾。干擾頻譜寬度僅占一個信道頻寬,準確地與信號頻譜重合,干擾能量可全部用于壓制這一信道,干擾功率利用率高。如果接收方可以獲得干擾信號的特征,那么即使在被干擾的情況下也可以恢復出原始信號,這就是干擾抵消技術。假設在接收方可以接收到兩種信號,干擾信號y’’和被干擾信號的原始信號y’:?

y’[t]=?HA[t]xA[t]+HB[t]xB[t]+?w[t]

y’’[t]=?HB[t]xB[t]+?w[t]

其中Hi是相應的信道脈沖響應,xA[t]表示原始信號,xB[t]表示干擾信號,而w[t]表示高斯白噪聲。那么,在已知y’’和y’的情況下,xA[t]可以表示為:

通過這種干擾抵消技術,我們不僅可以消除干擾,獲得原始的數據信息xA[t],而且還可以人為的利用干擾信號xB[t]攜帶一定量的控制信息。這就是本發明必備的技術,這種技術可以節省控制信息的資源消耗,通過物理層的附加控制信息輔助MAC層協議來解決隱藏終端和暴露終端問題。

全雙工通信又稱為雙向同時通信,即通信的雙方可以同時發送和接受信息的信息交互方式。全雙工的通信模式在有線網絡中非常普及,然而,由于無線通信中信號衰減非常嚴重,全雙工通信會導致發送數據的信號強度與接收數據的信號強度截然不同,從而影響正常接收。無線節點的全雙工模式通過實施不讓自己聽自己的聲音的信號處理技術解決了該難題。它的基本思想是通過用濾波器,去除進入接收電路中的發送數據,從而使接收節點可以排除自己發送數據的干擾,準確地收到其他節點的數據。通過無線節點的全雙工模式,我們可以令接收節點在接收數據的同時聲明自己的傳輸狀態,使隱藏終端問題的解決成為可能。?

申請號為200710031832.X,申請日期為2007年11月30日的國內發明專利申請公開了一種解決多跳無線自組網隱藏終端和暴露終端問題的方法。該方法規定發送節點有四種狀態:空閑、競爭、等待接收CTS和發送數據;接收節點只有兩種狀態:空閑和等待接收數據。該方法是控制發送節點和接收節點在這些狀態之間的轉換來避免沖突的發生。該方法并沒有節省控制信號所占用的數據信道帶寬。并且控制分組的丟失也會導致其他問題。本發明將控制信息編碼成干擾信號,可以在不占用數據帶寬的情況下傳輸控制信號,有效地解決隱藏終端和暴露終端問題。?

申請號為200810018282.2,申請日期為2008年5月23日的國內發明專利申請公開了一種解決異類點AD?HOC網絡隱藏終端的方法。該方法通過設計嚴格的時序最終在MAC層徹底解決了異類點的隱藏終端的問題。在網絡層為每個節點都配備兩個發射接口,工作在互不干擾的兩個信道,通過利用高性能節點的優勢使每個節點形成一個較大的感知區域。在MAC層采用跨層設計的方法,應用網絡層中感知到的周圍節點的拓撲信息,采用最短路徑算法求取多跳返回CTS與ACK的路由,并將CTS多播到隱藏終端來阻止其接入信道。該方法依舊沒有節省控制信號所占用的數據信道帶寬。并且時序的安排影響了AD?HOC的傳輸效率。本發明的控制信號和數據信號不用時序安排,傳輸、編碼、解碼靈活。節點可以在在不占用數據帶寬的情況下傳輸控制信號,有效地解決隱藏終端和暴露終端問題。?

申請號為200680025803.6,申請日為2006年6月8日的國內發明專利申請公開了一種防止發生隱藏節點問題的方法、裝置和計算機程序產品。該產品從源節點接收傳輸請求CC-RST,包括指示傳輸預約所需時間長度的預約持續時間值。之后調整定時器,使得其他節點必須制止在信道上傳輸的周期(NAV)等于傳輸請求/傳輸響應握手的時間。當CC-RTS被拒絕時,接收具有為零的預約持續時間值的第二個CC-RTS。當CC-RTS被接受時,將NAV延長到原始CC-RTS幀的預約持續時間的剩余持續時間。該方法也是根據時序安排來避免隱藏終端,并沒有節省控制信號所占用的數據信道帶寬。本發明的控制信號和數據信號不用時序安排,傳輸靈活。節點可以在在不占用數據帶寬的情況下傳輸控制信號,有效地解決隱藏終端和暴露終端問題。?

發明內容

本發明要解決的技術問題是,在不影響原始數據信號帶寬的情況下,為網絡節點獲得足夠的控制信息,令想要發送數據的節點有能力判斷出自己是否為隱藏終端,從而避免隱藏終端節點因發送數據而引起沖突。并且,在解決隱藏終端的同時,可以利用暴露終端節點進行并行連接,以此提高無線網絡信道利用率,增大網絡總吞吐量。?

本發明旨在設計一種可以使節點獲得足夠控制信息的方法,使節點自己能夠判斷自己的傳輸是否為隱藏終端,并且不影響原來的數據帶寬。當獲知以上信息之后,作為隱藏終端的節點就可以避免向當前的接收節點發送數據,從而避免不必要的沖突。而作為暴露終端的節點可以利用暴露終端進行并發傳輸,從而增加網絡內的并行連接數目,增大網絡總吞吐量。?

本發明包含的模塊為:物理層全雙工發送接收模塊、干擾附加模塊、干擾檢測模塊、干擾抵消模塊、MAC層信道判定模塊以及沖突解決模塊。?

對于隱藏終端問題,解決問題的關鍵在于接收節點可以聲明自己的接收狀態。這就要求接收節點在接收數據的同時能夠發送一些控制信息,也就是,節點要具有全雙工模式。無線干擾技術的迅速發展使無線網絡節點的全雙工模塊成為可能。本發明采用全雙工無線網絡節點,使接收節點可以在接收數據的同時發送簡單的控制信息,以此標明自己是接收節點。?

干擾附加模塊負責將干擾信息編碼成控制信息,并發送到空氣中。干擾附加模塊利用物理層的正交頻分復用(Orthogonal?frequency-division?multiplexing,OFDM)技術,可以令正在進行數據傳輸的節點,或者受害者節點將自己的MAC地址編碼到人為的干擾信號中。其中受害者指的是自己并沒有進行任何數據傳輸,卻被其他節點的數據傳輸而覆蓋,導致自己無法發送或者接收任何數據。OFDM將整個信道劃分為若干子載波,本發明進一步將子載波分組為發送表示頻帶、接收表示頻帶以及受害表示頻帶。每個頻帶包含m個子載波,自頂向下依次編號為0至m-1。發送者、接收者以及受害者的MAC地址以Hash的方式壓縮為一個小于m的整數值h,則相應的發送/接收表示頻帶中編號為h的子載波攜帶一個窄帶干擾信號表示二進制的“1”。這種特殊調制的干擾信號因包含發送、接收以及受害者節點的MAC地址,而被稱為附件控制信息。?

為了保證在分布式的網絡中,節點可以在任意時間檢測到附件控制信號,干擾附加模塊采用一種循環干擾的方式,令OFDM每一個符號上攜帶相同的附件控制信號,這樣即使節點并沒有在數據傳輸的起點開始檢測,依然可以獲得完整的控制信號。循環干擾保證了分布式網絡的正常運作,且干擾信號獨立于數據信息進行調制和解調,即同一節點分別傳輸或解調數據信號和控制信號。?

在控制信號接收端,干擾檢測模塊利用能量檢測器來檢測和解調包含在附件控制信號中的控制信息。窄帶的干擾信號相比寬帶數據信號含有較高的能量。當節點檢測到某一子載波中包含相對高的信號能量時,該子載波有很大概率上攜帶了窄帶干擾信號。因此可以解出相應的Hash值,從而獲得當前傳輸的節點列表。?

干擾抵消模塊幫助數據信號接收端消除干擾信號,還原并解調出原始數據信號。OFDM的訓練序列含有信道估測符號,根據信號相關性理論,某一子載波的信道估測值可以由其相鄰子載波的估測值計算得出。因此該模塊僅使用一部分子載波估測信道,剩余子載波則用來記錄干擾信號強度。數據信號接收端根據訓練序列中記錄的干擾信號強度,將干擾信號由接收到的混合信號中抵消,就可以得到原始的數據信號。?

節點通過干擾檢測模塊獲得當前的發送節點列表、接收節點列表以及受害節點列表。之后節點利用網絡層路由表獲得其一跳鄰居表。根據傳輸節點列表和一跳鄰居表,節點利用MAC層判定模塊來決定自己是否為隱藏終端或暴露終端。其具體步驟具體如下:如果當前所有的鄰居都不在接收節點列表之內,那么該節點一定不是隱藏終端。并且,如果該節點的接收節點不在受害節點或者發送節點列表之內,那么即使該節點為暴露終端且信道此時被占用,該節點也可以進行數據傳輸,而不用擔心沖突的產生。?

沖突解決模塊將信道劃分出一小部分,專門為ACK進行傳輸。這樣,ACK的傳輸和數據傳輸就可以并行傳輸,不僅可以提高數據傳輸和交換的效率,而且避免了在暴露終端的情況下數據和ACK發生沖突。沖突解決模塊有效的利用了多載波的優勢,提高信道利用率。?

本發明基于無線網絡節點全雙工模式,利用干擾附加和抵消技術和無線節點全雙工模式,能達到的有益效果如下:?

靈活的并行發送以及接收節點控制信息和數據信號,使數據信號和控制信號可以同時傳輸而不會相互干擾,不影響原始數據信號的帶寬;

有效地將正在傳輸的節點信息編碼,保證監聽節點可以在任何時間簡單而快速的解碼出需要的控制信號;

MAC層協議有效地利用物理層的控制信號進行隱藏終端和暴露終端的判斷,從而準確而快速的避免隱藏終端帶來的沖突,并且利用暴露終端進行并發傳輸,減少不必要的沖突和網絡延遲,增大信道利用率。

附圖說明

圖1為隱藏終端和暴露終端分析示意圖。?

圖2為系統示意圖。?

圖3為干擾附加模塊示意圖。?

圖4為干擾抵消模塊示意圖。?

其中圖3中所示實線波形為原始數據信號,虛線波形為在空氣中附加的窄帶控制信號。?

具體實施方式

如圖1所示,隱藏終端是指在接收接點的覆蓋范圍內而在發送節點的覆蓋范圍外的節點。暴露終端問題是指在發送節點的覆蓋范圍內而在接收節點覆蓋范圍內的節點。各節點發送和監聽范圍均為一跳距離,在隱藏終端情況下:當A向B發送數據時,由于C監聽不到A和B之間的數據傳輸,無法得知B此時為接收節點的狀態。因此,如果此時C也有數據要發送給B的時候,便會立刻開始發送數據。這樣,發送節點A和C的數據便會在接收節點B的位置沖突,導致B無法接收任何信息,由此引起資源浪費。?

如圖2所示,用戶D為發送節點,用戶C為接收節點,而用戶E為受害節點。用戶B在用戶D的一跳鄰居內,此時想要發送數據給用戶E或者用戶A。利用本發明的原理,用戶B需要判定的是:自己的鄰居節點里是否有接收節點,以保證自己的數據傳輸不會影響到當前的數據傳輸;并且,自己的接收節點是否為受害節點,以保證自己的數據傳輸可以順利進行。?

用戶D在發送數據時,同時將自己的MAC地址編碼到干擾信號的發送表示頻段中,與數據信號同時傳輸。相應的,用戶C在接收數據時,同時將自己的MAC地址發送到接收表示頻段。而用戶E在檢測到自己被其他數據信號覆蓋時,也將MAC地址發送到受害表示頻段中,這樣,其他節點就可以通過監聽空氣中各個頻段的控制信息,獲得鄰居節點活動狀態。當用戶B需要發送數據時,可以根據用戶D的附件控制信號得知當前的發送節點為用戶D,而根據用戶E的附件控制信號得知當前的受害節點為用戶E。因為用戶C不在用戶B的監聽范圍之內,用戶B監聽不到用戶C的附件控制信息。而相應的,用戶B的傳輸也不會影響用戶C。根據以上信息,用戶B利用MAC層信道判定信息判定,給用戶E的數據傳輸不會成功,因為用戶E為受害節點;而給用戶A的數據傳輸可以成功,因為用戶A既不是受害節點也不是發送節點。?

如圖3所示,如果節點需要發送附件控制信息,則將自己的MAC地址編碼到窄帶干擾信號中,并發送到空氣中。窄帶干擾信號保證在不影響原始數據信號帶寬的情況下,盡量攜帶足夠多的控制信號。即使附件控制信息與其他數據信號相疊加,也可以通過干擾抵消模塊以及干擾監聽模塊將干擾信號和數據信號分離并解碼出來。?

在接收端,節點根據圖4所示附件信號記錄點來記錄空白的干擾信息,以此恢復原始數據。節點在開始接收數據時,先記錄包頭或者包尾中任意一處的干擾信號。然后在中間的數據信號中,由疊加了數據信號和干擾信號的混合信號中消除記錄的干擾信號,從而獲得原始數據信號。在進一步解調和解碼,接收節點可以獲得自己需要的數據信息。

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一種 基于 物理層 干擾 信息 隱藏 終端 優化 方法
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