CN101137230A - 时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法 - Google Patents

Abstract

一种时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法属于通信技术中的移动通信领域，旨在提出一种将TD－SCDMA(时分－同步码分多址)蜂窝网络与Ad hoc(移动自组织)网络融合的媒体接入方法。该方法使终端既能在蜂窝网的覆盖下正常工作，也能成为网关节点转发其他节点与基站之间的通信，同时也可以使终端以Ad hoc的形式进行组网来实现相互通信。本发明扩大了TD－SCDMA蜂窝网的覆盖范围，实现基站在高负载情况下的流量转移，从而提高整个网络的吞吐量和同时接入的用户数。

Description

时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法

技术领域

本发明是一种用于将蜂窝网与移动自组织网络各自的优点进行相结合的技术，属于通信技术中的移动通信领域。

背景技术

蜂窝移动通信系统是一种由基站覆盖的集中式控制无线通信网络。随着移动通信系统的大规模组网及商用，蜂窝网的覆盖区域不足、热点区域负载过高等缺点也凸显出来。Ad hoc(移动自组织)网络是一种由移动节点组成的多跳、动态自组织的分布式无线网络。分布式控制、自组织和多跳通信等特点使得Ad hoc网络可以作为现有许多通信网络的扩展和接入手段。而在蜂窝网中引入Ad hoc网络，可以有效地弥补蜂窝网的缺陷。

TD-SCDMA(时分-同步码分多址)是唯一采用时分双工模式的第三代移动通信标准。在这种工作模式下基于同一频率进行通信，因此使用TD-SCDMA空中接口进行Ad hoc组网具有天然的优势。

发明内容

技术问题：本发明给出一种时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法，有效地将TD-SCDMA(时分-同步码分多址)蜂窝网与Ad hoc(移动自组织)网络结合起来，  使节点既能在有TD-SCDMA基站覆盖的范围下正常工作，也能以Ad hoc模式进行组网进行通信，从而提高TD-SCDMA蜂窝网的覆盖范围和实现基站高负载情况下的流量转移。

技术方案：本发明的时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法为：

①根据应用场景将终端的工作模式划分为：蜂窝网模式，网关模式和移动自组织模式，不同的工作模式使用不同的时隙分配策略；

②蜂窝网模式采用传统的现有蜂窝网的接入方法，而网关模式和移动自组织模式由于时隙分配策略的特点采用相似的接入方法接入不同的通信模式进行通信；

③节点进入网关模式或移动自组织模式后，先进行同步，然后在广播时隙发送自己的相关信息，开始侦听广播时隙，当节点有通信需求或在第二个广播时隙监听到自己的呼叫请求时，如果该节点没有在业务时隙中占用时隙，则需要进行时隙的预约；

④预约时在第一个超帧内监听所有的业务时隙，接收已经被预约的每个时隙中控制信道发送的信道状态信息，根据所收到的信道状态信息确定空闲时隙，然后在第二个超帧中随机选择一个空闲时隙并进行预约，预约时在要预约的空闲时隙的控制信道内发送预约请求消息，其他已成功预约时隙的邻居节点收到后，如果同意该节点预约则在第三个超帧各自的控制信道中发送同意预约的消息，如果不同意则发送拒绝消息；如果预约不成功，则在接下来的一个超帧的空闲时隙中再随机选择另外一个时隙进行预约，当预约次数超过一个给定的次数时，则放弃预约；

⑤当节点预约成功后就占用该时隙，在每个超帧中节点监听信道的状态，并且每个超帧都在在自己的控制信道上发送信道状态信息；

⑥如果是主叫节点，当成功预约时隙后，节点就可以在自己所占用的时隙中与目的节点发送通信请求；如果是被叫节点，则发送通信确认请求，当链路建立后就可以进行通信；

⑦如果一个时隙不能满足传输的要求，该节点也可以在控制信道中使用相同的方法请求申请更多的时隙。

根据工作模式的划分，其中移动自组织模式具体描述为：

当节点一段特定时间内在下行导频时隙没有监听到小区基站发来的下行导频信号时，则处于移动自组织模式，或者可以采用手动模式切换的方法处于移动自组织模式；这时，节点通信时在下行导频时隙不建立上行同步，以移动自组织的形式进行组网实现通信。

所述不同的工作模式使用不同的时隙分配策略，蜂窝网模式中，时隙的分配策略及媒体接入的方法都不需要进行修改，而网关模式与移动自组织模式帧结构中时隙的具体分配策略为：

网关模式中，8个子帧即40ms的时隙3，时隙4共16个时隙在逻辑上组成一帧，称为转发超帧；移动自组织模式中，4个子帧的时隙1，时隙2，时隙5和时隙6共16个时隙在逻辑上组成一个移动自组织超帧；在一个转发超帧或移动自组织超帧中，前2个时隙固定作为广播时隙，剩下的14个时隙作为普通的业务时隙；这样，两种模式的节点可以采用相似的媒体接入方法接入不同的通信模式进行通信。

利用广播时隙广播自己的信息，同时进行侦听呼叫消息，具体描述为：

①节点处于待机时只需要监听前两个广播时隙的信息，监听第一个时隙可以更新自己的邻居节点信息，监听第二个时隙可以知道是不是有呼叫进来，这样可以最大限度地节省能量；

②节点进入网关模式或移动自组织模式时，需要在广播时隙发送包含自己信息的广播消息，以便邻居节点更新路由信息。考虑到节点的移动性，节点在网络中必须每隔一段时间发布一次广播信息；

③为了降低广播时发生的冲突，广播时节点在第一个广播时隙可以随机选择两个扩频码承载相同的节点信息发送；

④第二个广播时隙中使用不同的扩频码对应14个业务时隙，有业务需求时，主叫节点在第二个广播时隙发送通信请求，根据自己所占用的时隙来选择对应的扩频码，使用该扩频码发送通信请求信息。

该发明将移动节点的工作模式分为蜂窝网模式、网关模式和移动自组织模式。对应于不同的工作模式，帧结构中时隙的分配策略也不同。蜂窝网模式下帧结构不改变，网关模式使用时隙3和时隙4时隙，移动自组织模式使用时隙1、时隙2、时隙5和时隙6四个时隙。

为了解决码分多址系统中固有的远近效应问题，一个时隙只允许一个节点占用。该节点在传输时可以通过不同的扩频码来传输信息，而不同的扩频码可以对应不同或者相同的接收节点。网关模式和移动自组织模式的时隙在逻辑上分为控制信道和传输信道，控制信道对应于承载控制信息的扩频码，传输信道对应于承载数据信息的扩频码。

网关模式中，节点既处于蜂窝网的覆盖下，也处于移动自组织网络中，所以节点除了保证自己的正常通信外，还必须具有能转发两网之间数据的能力。在本方案中使用时隙3、时隙4两个时隙转发移动自组织网络中的数据。在该模式下，8个子帧(即40ms)的时隙3，时隙4在逻辑上组成一帧，称为转发超帧。在一个转发超帧中，前2个时隙固定作为广播时隙，剩下的14个时隙作为普通的业务时隙，用于承载网关节点与移动自组织节点的通信业务。

移动自组织模式中，每个节点的下行导频时隙用来固定侦听基站的下行导频信号，0时隙则用来侦听基站的下行广播信道，当下行导频时隙没有下行导频信号时，则节点处于移动自组织模式，或者可以采用手动模式切换的方法，使节点处于移动自组织模式。这时，节点在通信时在上行导频时隙不建立上行同步。在本方案中使用一个子帧七个常规时隙中时隙1，时隙2，时隙5和时隙6四个时隙则用来进行移动自组织模式下的通信业务。在该模式下，4个时分同步码分多址子帧的时隙1，时隙2，时隙5和时隙6总共16个时隙在逻辑上组成一个移动自组织超帧。前2个时隙固定作为广播时隙，剩下的14个时隙作为普通的业务时隙，用来进行移动自组织模式下节点间的通信业务。

这样的方法使网关模式与移动自组织模式具有相同的超帧结构，因而可以使用相似的媒体接入方法，提高了软件的复用度。

广播时隙的作用主要有：

①超帧的前两个时隙作为广播时隙，每个时隙使用16个扩频码，使用其中一个固定作为同步，则每个广播时隙有15个扩频码可用。第一个广播时隙是节点广播自己的信息，第二个广播时隙是用来发起呼叫。这是为了节省节点能量的考虑，当节点处于待机时只需要监听前两个广播时隙的信息，监听第一个时隙可以更新自己的邻居节点信息，监听第二个时隙可以知道是不是有呼叫进来；

②第二个广播时隙的15个可用扩频码中14个分别对应14个业务时隙，剩下的1个留用；

③当有节点进入网关模式或移动自组织模式时，首先需要在广播时隙发送包含自己信息的广播消息，表示自己已处于该网络中，该消息主要包括自己的ID、时间等信息。邻居节点收到该广播信息后也可以随时更新自己的邻居节点信息和路由表信息等。节点在网络中必须每隔一段时间发布一次广播信息，这是考虑节点的移动性；

④节点在发送广播消息前需要先进行超帧同步。为了降低广播时发生的冲突，广播时节点在第一个广播时隙随机选择两个扩频码，这两个扩频码承载相同的节点信息；

⑤有业务需求时，主叫节点在第二个广播时隙发送通信请求，根据自己所占用的时隙来选择对应的扩频码，使用该扩频码发送通信请求信息。

网关模式与移动自组织模式下的媒体接入方法：

①图3表示的是节点的预约流程，节点进入网关模式或移动自组织模式后，先进行超帧同步，然后在第一个广播时隙中发送自己的信息，之后处于待机状态；

②节点待机时只需要监听两个广播时隙。当节点有通信需求或在第二个广播时隙监听到自己的呼叫请求时，如果该节点没有在业务时隙中占用时隙，则需要进行时隙的预约，这时，节点则进入预约阶段；

③预约时在第一个超帧内监听所有的业务时隙，接收已经被预约的每个时隙中控制信道发送的信道状态信息。根据所收到的信道状态信息如果发现14个时隙都已经被预约，则放弃预约，处于待机状态。否则根据所有的信道状态信息确定空闲时隙，然后在第二个超帧中随机选择一个空闲时隙并进行预约。预约时在要预约的空闲时隙的控制信道内发送预约请求消息，其他已成功预约时隙的邻居节点收到后，如果同意该节点预约则在第三个超帧各自的控制信道中发送同意预约请求消息，如果不同意则发送拒绝消息。如果预约不成功，则在接下来的一个超帧的空闲时隙中再随机选择另外一个时隙进行预约，当预约次数超过一个给定的次数时，则放弃预约；

④当节点预约成功后就占用该时隙，在每个超帧中节点监听信道的状态并在自己已占用时隙的控制信道上发送信道状态信息。每个时隙的空闲、干扰、被占用三个状态可以用00、01、11两位二进制位来表示。

⑤如果一个时隙不能满足传输的要求，该节点也可以在控制信道中使用相同的方法请求申请更多的时隙。新的时隙的控制信道内不发送信道状态信息，只发送标识消息以示区别。当节点通信结束后则释放该预约时隙。

当节点接入网络后就可以进行通信请求。如果节点是主叫，就在第二个广播时隙内发送通信请求。承载通信请求的扩频码是与该节点占用时隙相对应的码字。通信链路的建立过程图4所示。链路建立后，节点可以在已预约时隙中使用其他的扩频码来进行通信。使用不同的扩频码不仅可以提高信道容量，而且也可以实现同时跟多个节点通信。这样移动自组织网络中的节点可以在自己通信的同时也能同时转发邻居节点的信息，即实现多播。

有益效果：

(1)该发明使节点既能接入时分同步码分多址蜂窝网进行正常的蜂窝网通信，又能以移动自组织形式组网，这样即使节点没有处于基站的覆盖范围内，也能通过网关节点转发接入蜂窝网，或者在移动自组织网内互相通信，因而有效地扩大了蜂窝网基站的覆盖范围，当基站负载过高时也能通过移动自组织的组网形式转移流量，减少基站的负担；

(2)接入网络前，每个节点在网关模式或移动自组织模式下待机时都只监听广播时隙，这样可以有效地节省能量，利用第一个时隙的信息来更新自己的邻居节点的信息，利用第二个时隙来监听是否有自己的呼叫进来；

(3)在帧时隙的分配上面两种模式采取了相同的时隙结构，这样在两种模式下就可以采用基本相似的媒体接入方式来进行不同模式的接入，即降低了系统设计的复杂度又提高了软件的复用效率。

(4)接入方法中采用了不同于传统的握手过程，解决了码分多址中的远近效应的问题。

附图说明

图1是节点应用的场景之一，

图2是移动自组织超帧组成及码字的分配结构，

图3是节点预约时隙的流程图，

图4是节点的通信流程。

具体实施方式

本发明的目的是为了利用时分同步码分多址的空中接口使终端既能进行正常的蜂窝网通信，又能以移动自组织模式组网进行通信。应用场景如图1所示。下面给出一个具体的例子：

当终端上电后，首先进行小区搜索，主要是监听下行导频时隙的下行导频信号进行下行同步，如果能监听到信号，则进入蜂窝网模式处于待机状态，也可以通过手动或根据设定转入网关模式或移动自组织模式；如果在下行导频时隙没有监听到下行导频信号，说明该节点没有处于基站的覆盖范围，自动转入移动自组织模式。假设在网关模式和移动自组织模式使用扩频因子SF＝16，接入方法的具体描述如下：

方法A：节点进入网关模式时，先是与基站进行了下行同步，然后在时隙3、时隙4时隙进行转发超帧同步。

接入网络的具体流程为：

①首先在第一个广播时隙使用随机选择的两个扩频码发送同样的节点信息，信息中包括了节点的ID、时间等信息。然后进入待机状态，待机时节点每隔一段时间在广播时隙中使用同样的方法发布自己的信息；

②当节点有通信请求时，则首先需要检测自已是否已预约时隙。如果节点没预约时隙，则需要预约。如果已经预约，则直接在已预约的时隙内选择适合通信业务的扩频码数进行通信，如果不够，则需要预约新的时隙；

③预约时，先监听一个超帧内14个时隙，读出一个超帧中已被占用时隙控制信道上的信道状态信息。收到所有的状态信息后，可以得出所有时隙中的空闲、干扰和已占用的时隙，然后随机选择一个空闲时隙准备进行预约；

④如果没有收到状态信息，表示还没有节点接入，这时就可以直接随机选择一个时隙占用；

⑤如果发现所有时隙都被占用，则放弃接入，随机退避一段时间后再重新进行监听预约。这样是为了防止几个节点同时预约一个时隙造成干扰；

⑥第二个超帧时，节点在想要预约时隙内的控制信道上发送预约请求消息，已占用时隙的邻居节点收到该预约请求消息请求后则进行判断。如果邻居节点都同意该节点进行预约，则在各自的控制信道上发送同意预约的消息，节点收到所有的确认消息后才说明能占用该时隙，这样是为了有效地解决无线网络中隐藏节点的问题；

⑦当预约节点收到所有的确认消息后，则在第三个超帧中发送确认消息表示预约成功；

⑧成功预约后，节点每个超帧都监听信道的情况，并且在自己的控制信道上发送信道状态信息。

上述流程中所有的信息交互都是基于控制信道的，控制信道用两个扩频码来表示，第一个是用来固定发送信道状态信息，第二个用来发送预约请求、确认等其他的控制信息。

如果是移动自组织网络中的节点与网关节点通信，预约流程与网关节点一样。

只有当成功预约时隙后才能考虑通信。这里以网关节点与移动自组织网络之间的通信为例分析，分为主叫和被叫两种形式：

(1)主叫

①当节点是主叫时，首先需要发送呼叫信息。节点在第二个广播时隙使用与已预约时隙相对应的扩频码来承载呼叫信息。信息包括了被叫的节点ID，目标节点ID(不需要中转时则与被叫节点ID相同)，通信类型和通信时所需的码字个数等；

②在一个给定的时间间隔内如果没收到被叫节点的确认消息，则随机退避一段时间进行重新呼叫，几次呼叫都不成功则表示失败；

③当在给定时间间隔内主叫节点如果收到被叫节点的确认消息，则表示链路建立成功，此后的时间则可以进行正常的通信。

(2)被叫

①当节点在第二个广播时隙内监听到有属于自己的呼叫进来，则进入被叫状态；

②如果被叫节点还没有预约时隙，则先进行预约；如果已经占有时隙，则根据接收到的通信请求判断业务类型；

③如果该节点能承载主叫节点的业务，则进入扩频码分配阶段，如果不能承载，则发送拒绝消息；

④扩频码的分配是根据业务类型来判断的，如果节点剩下的扩频码已足够，则在自己时隙的控制信道上发送确认消息，该确认消息包括主叫节点ID和码字个数；

⑤如果码字不足够来承载业务，则需要预约更多的时隙。如果预约成功则发送确认消息，如果不成功则发送拒绝消息。

方法B：当节点处于移动自组织模式时，由于该模式与网关模式的帧组成结构和时隙分配策略完全相同，所以预约，主叫和被叫的过程基本与方法A相同，只是所对应的超帧不一样。

方法C：该方法是当节点处于基站的覆盖范围下时，几个节点也可以组成一个移动自组织网络，此时节点之间的通信也是以方法B进行通信。

综上所述仅为本发明的一个实施例而已，并非用来限制本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法，其特征在于：

①根据应用场景将终端的工作模式划分为：蜂窝网模式，网关模式和移动自组织模式，不同的工作模式使用不同的时隙分配策略；

 ②蜂窝网模式采用传统的现有蜂窝网的接入方法，而网关模式和移动自组织模式由于时隙分配策略的特点采用相似的接入方法接入不同的通信模式进行通信；

③节点进入网关模式或移动自组织模式后，先进行同步，然后在广播时隙发送自己的相关信息，开始侦听广播时隙，当节点有通信需求或在第二个广播时隙监听到自己的呼叫请求时，如果该节点没有在业务时隙中占用时隙，则需要进行时隙的预约；

④预约时在第一个超帧内监听所有的业务时隙，接收已经被预约的每个时隙中控制信道发送的信道状态信息，根据所收到的信道状态信息确定空闲时隙，然后在第二个超帧中随机选择一个空闲时隙并进行预约，预约时在要预约的空闲时隙的控制信道内发送预约请求消息，其他已成功预约时隙的邻居节点收到后，如果同意该节点预约则在第三个超帧各自的控制信道中发送同意预约的消息，如果不同意则发送拒绝消息；如果预约不成功，则在接下来的一个超帧的空闲时隙中再随机选择另外一个时隙进行预约，当预约次数超过一个给定的次数时，则放弃预约；

⑤当节点预约成功后就占用该时隙，在每个超帧中节点监听信道的状态，并且每个超帧都在在自己的控制信道上发送信道状态信息；

⑥如果是主叫节点，当成功预约时隙后，节点就可以在自己所占用的时隙中与目的节点发送通信请求；如果是被叫节点，则发送通信确认请求，当链路建立后就可以进行通信；

⑦如果一个时隙不能满足传输的要求，该节点也可以在控制信道中使用相同的方法请求申请更多的时隙。

2.根据权利要求1所述的时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法，其特征在于：根据工作模式的划分，其中移动自组织模式具体描述为：当节点一段特定时间内在下行导频时隙没有监听到小区基站发来的下行导频信号时，则处于移动自组织模式，或者可以采用手动模式切换的方法处于移动自组织模式；这时，节点通信时在下行导频时隙不建立上行同步，以移动自组织的形式进行组网实现通信。

3.根据权利要求1所述的时分同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法，其特征在于所述不同的工作模式使用不同的时隙分配策略，蜂窝网模式中，时隙的分配策略及媒体接入的方法都不需要进行修改，而网关模式与移动自组织模式帧结构中时隙的具体分配策略为：

网关模式中，8个子帧即40ms的时隙3，时隙4共16个时隙在逻辑上组成一帧，称为转发超帧；移动自组织模式中，4个子帧的时隙1，时隙2，时隙5和时隙6共16个时隙在逻辑上组成一个移动自组织超帧；在一个转发超帧或移动自组织超帧中，前2个时隙固定作为广播时隙，剩下的14个时隙作为普通的业务时隙；这样，两种模式的节点可以采用相似的媒体接入方法接入不同的通信模式进行通信。

4.根据权利要求1所述的时分-同步码分多址与移动自组织网络融合的媒体接入方法，其特征在于：利用广播时隙广播自己的信息，同时进行侦听呼叫消息，具体描述为：

①节点处于待机时只需要监听前两个广播时隙的信息，监听第一个时隙可以更新自己的邻居节点信息，监听第二个时隙可以知道是不是有呼叫进来，这样可以最大限度地节省能量；

②节点进入网关模式或移动自组织模式时，需要在广播时隙发送包含自己信息的广播消息，以便邻居节点更新路由信息。考虑到节点的移动性，节点在网络中必须每隔一段时间发布一次广播信息；

③为了降低广播时发生的冲突，广播时节点在第一个广播时隙可以随机选择两个扩频码承载相同的节点信息发送；

④第二个广播时隙中使用不同的扩频码对应14个业务时隙，有业务需求时，主叫节点在第二个广播时隙发送通信请求，根据自己所占用的时隙来选择对应的扩频码，使用该扩频码发送通信请求信息。

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