CN101360339A - 融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法 - Google Patents

Abstract

融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法属于通信技术中的移动通信领域，该方法以保持TD－SCDMA蜂窝网物理帧结构不变的统一空中接口为基础，是一种基于预约机制和分布式控制的多信道同步无线接入控制方法，它将时隙资源用正交可变扩频因子(OVSF，Orthogonal Variable Spreading Factor)码分成控制信道和数据信道，通过端到端状态以解决暴露终端问题从而提高时隙复用率，该方法维护两跳内节点的时隙状态，实现两跳以内的无冲突无线接入，解决了融合网络下多种通信模式下如何无冲突的访问时隙资源以及如何进行可靠交互通信的问题。

Description

融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法

技术领域

本发明以融合TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code DivisionMultiple Access)蜂窝网与移动自组网的无线接入系统(下文中称该系统为C3G-A：China 3G-Ad Hoc)为研究对象，设计了一种基于上述融合网络的无线接入控制方法，属于通信技术中的移动通信领域。

背景技术

TD-SCDMA蜂窝系统(C3G)采用不需配对频率的时分双工(TDD)模式，并且将FDMA、TDMA、CDMA等多址接入方式相结合。自组织网络简称自组网(Ad HocNetwork)，是一种由移动节点临时组成的，多跳、动态、自组织的无线Ad Hoc网络。Ad hoc中没有固定的基础设施(如基站、路由器)，其分布式控制、自组织、多跳通信等特点使得Ad Hoc网络可以作为蜂窝通信系统的扩展接入手段。

网络融合是指在技术上实现协议的互通，在业务上实现内容的互通，使得一网专属的业务铺设到整个融合的网络中，并拓展出新的业务。在TD-SCDMA蜂窝架构下引入多跳、动态、无中心、分布式控制的自组织网络，形成基于双网融合的混合网络——C3G-A系统，在扩大蜂窝小区覆盖范围、均衡网络负载、提升网络容量等方面具备独特的优势。

本发明结合C3G-A融合系统的技术特点和应用场景，提出了一个无线资源分配和无线接入控制方法。

发明内容

技术问题：本发明旨在给出C3G-A双网融合系统无线无线接入控制方法，解决了处于多种通信模式下通信节点如何无冲突的访问时隙资源以及如何进行可靠交互通信的问题，满足了融合网络下的不同应用需求和多种通信模式的协作共存。

技术方案：本发明的融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法包括：

a、基于多信道机制，将时隙资源用正交扩频码即OVSF码分成控制信道A-CCH和数据信道A-DCH，各个终端在控制信道上交互控制信息；

b、基于分布式控制机制，实现两跳以内的无冲突无线接入；

c、基于时隙预约机制并且以四种终端状态转移形成封闭状态机，分别是预约请求状态、激活状态、休眠状态以及端到端状态。

所述的多信道机制为：

a、每个时隙内有且只允许一个终端在发送自组网数据，解决CDMA的“远近效应”，

b、采用正交可变扩频因子码或者相同扩频因子的多个信道化码来增加一个时隙中的传输容量，以适应不用的传输速率要求，利用扩频因子为16的OVSF码可以将一个时隙划分为控制信道A-CCH和数据信道A-DCH，其中控制信道A-CCH使用统一的2组扩频码字，便于节点快速解码控制信息并节约能耗，数据信道A-DCH内利用14组扩频码来实现一个时隙下一对多的多播传输，提高时隙资源的传输容量。

所述的分布式控制机制，每个终端节点在成功预约自己的时隙后，将在自身预约时隙的控制信道中发送自己的侦听到的一跳邻节点的时隙分配情况，在本地节点维护一跳和二跳邻节点的时隙分配情况，分布式控制需要维护的三种重要数据结构是：

a、时隙状态向量SSV是由N个时隙状态SS组成的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60，时隙状态分为SS分为四种，用2个比特表示，当该时隙被自身节点占用时标识为“自己”，被其他UE节点占用时标识为“其他”，该时隙空闲时标识为“空闲”，当检测到有不止一个UE占用该时隙时标识为“冲突”；

b、时隙位图是一张储存在终端节点本地内存空间的表格，时隙位图储存了其一跳邻节点的地址和对应时隙占用状态，以及二跳邻节点时隙占用状态，并依据时隙位图的更新准则进行位图更新；

c、接收属性向量RS是由N个比特标识的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60；当该时隙下某终端节点为数据接收节点时标识为“Recipient”，否则标识为“Null”。所述的时隙预约机制和四种终端状态具体描述为：

a、预约请求状态：预约请求状态即节点按照一定的预约规则请求占用时隙的状态，预约规则采用可靠性预约准则，即只有当周围节点全部确认了预约请求之后预约才算成功，

b、激活状态：激活状态下可以在占有时隙内正常通信，但为了防止同时大量频繁的预约请求引起的预约冲突，每个激活节点不管有无数据发送，都将恒定保留这个时隙一段时间，

c、休眠状态：激活状态下的节点在一段时间内无数据通信时，或者预约请求状态下的节点多次竞争时隙失败，节点状态将转移至休眠状态，此时节点只维护同步信息并且只侦听逻辑帧中的广播时隙，

d、端到端状态：这是一种附加的通信状态，使得暴露节点和发送节点能在同一个时隙工作在端到端模式下，提高了时隙资源复用率，节点首先判断传输条件是否满足端到端状态的判别条件，如果满足则优先使用端到端状态，若不满足，将进行预约请求尝试进入激活状态，端到端状态判别条件为：

①发送节点的一跳邻节点中没有处于接收状态的节点，即所有RS标记均关闭；②从目的节点来看的该时隙状态为空闲，即目的节点的SSV显示该时隙空闲。但在传输过程中，如果侦听到以上两个条件不满足，节点需要进入预约请求状态，在激活状态下进行数据通信。

有益效果：

①本发明提出的无线接入控制方法可以保证二跳范围内时隙资源的无冲突分配，并采用可靠性预约准则，增加了预约成功率，降低了碰撞率。

②本发明提出的无线接入控制方法能够快速预约附加带宽，并且提供高带宽利用率和高时隙资源复用率的端到端通信，从根本上解决了暴露终端带来的时隙资源浪费问题。

③本发明提出的无线接入控制方法充分利用了TD-SCDMA在码分和时分资源上的优势，能够较好的满足C3G-A融合系统下节点对资源的访问需求，在冲突发现和冲突检测上都有完备解决方案。

附图说明

图1是C3G-A双网融合系统模型。

图2是基于TD-SCDMA空中接口的统一空中接口。

图3是时隙位图的更新准则。

图4是时隙位图更新流程图。

图5是终端状态转移图。

图6是无线接入控制分组结构示例。

图7是自组网方式下无线接入控制流程。

具体实施方式

系统模型如图1所示，C3G-A是对TD-SCDMA系统的扩展，该扩展并不需要对TD协议以及中心基础设施进行修改或改进，仅需要对UE结构重新配置并实现协议转换，其主要应用场景包括：

1)无蜂窝信号覆盖下的Ad Hoc组网，主要应用于紧急偏远场合或通信基础设施遭破坏时的应急通信；

2)全蜂窝信号覆盖下的Ad Hoc组网，当两个节点物理距离较近时可通过Ad Hoc链路通信，从而均衡网络负载并且提高系统容量；

3)部分蜂窝信号覆盖下的Ad Hoc组网，节点充当中继使得自组网与蜂窝网能够交互通信，从而扩大了网络覆盖范围，改善蜂窝盲区问题；

4)全蜂窝覆盖下，通过多跳中继，转移热点小区的流量。

C3G-A融合的实现在于多模终端的实现，因为UE不仅可以作为移动终端与蜂窝网通信，也可以作为中继或网关实现双网融合。UE多模终端的通信模式可以分为：

1)蜂窝方式：在该方式下UE仅仅与蜂窝网进行通信。

2)自组网方式：在该方式下UE只作为多跳节点与其他节点进行Ad Hoc组网通信。

3)混合方式：在该方式下UE位于蜂窝信号的覆盖之下，它可以与自组网通信，与此同时也能以较低数据速率与蜂窝通信，还可以作为中继网关实现蜂窝与自组网的通信。混合方式下的UE可以随时与蜂窝通信，而不影响与自己相关的自组网通信。

为了保证各种应用场景和通信模式的协同运作和平等共存，并且不改变TD-SCDMA蜂窝网的物理帧结构，融合网络空中接口规定为：

使用基于TD-SCDMA空中接口的统一空中接口，如附图2所示。TD-SCDMA物理子帧、逻辑帧以及多帧形成层次关系，共同组成了UAI的帧结构，保证了不管多模终端UE处于哪一种通信模式，都能在同样的TD-SCDMA物理子帧上进行无线资源的分配。

逻辑帧(Logic-Frame)由连续的10个TSi(1≤i≤6)顺序相接组成，用于Ad Hoc网络组帧，由于它工作于逻辑链路层，故取名为逻辑帧。取10个子帧组成逻辑帧的原因是，一方面考虑到ITU关于语音通信200ms延迟的规定，另一方面考虑到一个逻辑帧帧长下容纳Ad Hoc节点的能力。

多帧(Multi-Frame)由一个逻辑帧中顺序分布的且被相同TSi(1≤i≤6)标识的时隙首尾相接而成，可以方便UE发现空闲的时隙并且减轻终端数据处理的负担。

本发明提出的无线接入控制方法，与TD-SCDMA标准中的MAC协议相融合，针对了C3G-A所面临的特殊应用场景和应用需求，并且综合考虑了TD-SCDMA和Adhoc的技术特性，具体方法为：

①每个时隙内有且只允许一个UE在发送Ad Hoc数据，解决了考虑CDMA带来的“远近效应”，即同样功率发送的信号在接收端将会出现强信号掩盖弱信号的现象。

②系统采用OVSF码或者相同扩频因子的多个信道化码来增加一个时隙中的传输容量，以适应不用的传输速率要求。利用扩频因子为16的OVSF码可以将一个时隙划分为控制信道(A-CCH，Ad Hoc-Control Channel)和数据信道(A-DCH，Ad Hoc-Data Channel)，其中A-CCH使用统一的2组扩频码字，便于节点快速解码控制信息并节约能耗。A-DCH内可以利用14组扩频码来实现一个时隙下一对多的多播传输，从而提高时隙资源的传输容量。

③混合方式下终端的无线接入控制方法具体描述为：

为了使得混合方式与自组网方式使用相同的MAC协议而不相互干扰，并且使得混合方式下的UE具备动态分配TS2和TS5的优点，混合方式与自组网方式均采用相同的逻辑帧结构，但混合方式下，网关节点由于一部分时隙已被划分至蜂窝所使用，这些时隙在逻辑帧中就好像被“屏蔽”了一样，通过控制信息的交互，与网关节点直接相连的Ad Hoc邻节点获知相应的时隙状态，便不会去占用这些已经被屏蔽的时隙，从而解决了如何统一MAC协议的问题。

因此，MAC的帧格式以及具体的无线接入控制方法与自组网方式下终端的无线接入完全相同。

④自组网方式下终端的无线接入控制方法具体描述为：

本发明所提出的无线接入控制方法，需要自组网终端维护以下三种重要的数据结构：

1)时隙状态向量(SSV，Slot Status Vector)是由N个时隙状态(SS，SlotStatus)组成的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60。每个UE节点在成功预约自己的时隙后，将在自身预约时隙的控制信道中发送自己的SSV，注意，发送的SSV仅仅是一跳邻节点的时隙占用情况，同时其他UE节点可以侦听该SSV并更新自己的SSV。

时隙状态分为SS分为四种，用2个比特表示，当该时隙被自身UE节点占用时标识为“自己”，被其他UE节点占用时标识为“其他”，该时隙空闲时标识为“空闲”，当检测到有不止一个UE占用该时隙时标识为“冲突”。时隙状态的划分一方面考虑到数据结构的更新与维护，另一方面也考虑到本发明所设计的无线接入控制方法的冲突检测。

2)时隙位图(Slot Bitmap)是一张储存在UE节点本地内存空间的表格，时隙位图储存了其一跳邻节点的地址和对应时隙占用状态，以及二跳邻节点时隙占用状态。

由于节点对自身占用情况的确定性远大于对其他节点占用情况的确定性，因此，一跳邻节点的时隙分配情况是UE节点预约新时隙的主要依据，而二跳邻节点的时隙分配情况为辅助依据，帮助UE节点提前避免由于节点移动性所带来的时隙冲突。这是因为当两个节点相距二跳以上时，相互间的直接干扰基本可以忽略，因而二跳以外的节点可以占用相同时隙而不会造成干扰，而二跳范围以内不能使用相同的时隙。

时隙位图的更新准则见附图3，当没有收到特别帧控制信令时，需要注意的是自己状态下收到“空闲”仍保持为自己，而其他下收到“空闲”则更新为“空闲”，这是因为节点对自身占用情况的确定性远大于对其他节点占用情况的确定性，另外当遇到预约失败时，可以迅速释放预约失败的时隙为空闲时隙。

3)接收属性向量(RS，Recipient Status)也是由N个比特标识的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60。R当在该时隙下某UE节点为数据接收节点时标识为“Recipient”，否则标识为“Null”。接收属性向量的作用主要体现在后文所介绍的以端到端方式解决暴露终端问题，从而提高时隙的空间复用率。

本发明提出的无线接入控制方法将工作在自组网方式下节点的终端状态分为四种，分别是

1)预约请求状态：节点进入自组网方式，完成自组网的网内同步后便进入预约请求状态，预约请求状态即节点按照一定的预约规则请求占用时隙的状态。

为了尽可能避免碰撞，提高预约的成功率，增加预约可靠性，预约规则采用可靠性预约准则：

①节点根据一个逻辑帧内侦听到的SSV建立本地时隙位图；

②随机的选择一个或多个空闲时隙的控制信道上发出预约请求；

③经过一个逻辑帧的侦听，若所有一跳邻节点都将该时隙标志为“其他”，说明预约成功；

④如果存在某个一跳邻节点将该时隙标识为“自己”或“冲突”则预约失败。

2)激活状态：预约成功后终端状态转移至激活状态，激活状态下，为了防止同时大量频繁的预约请求引起的预约冲突，每个激活节点不管有无数据发送，都将恒定保留这个时隙一段时间。

3)休眠状态：激活状态下的节点在一段时间内无数据通信时，或者预约请求状态下的节点多次竞争时隙失败，节点状态将转移至休眠状态，此时节点只维护同步信息并且只侦听逻辑帧中的广播时隙。

4)端到端状态：这是一种附加的通信状态，使得暴露节点和发送节点能在同一个时隙工作在端到端模式下，提高了时隙资源复用率。节点首先判断传输条件是否满足端到端状态的判别条件，如果满足则优先使用端到端状态，若不满足，将进行预约请求尝试进入激活状态。在该状态下节点并不需要在激活状态下完成通信。

端到端状态判别条件为：

①发送节点的一跳邻节点中没有处于接收状态的节点，即所有RS标记均关闭；

②从目的节点来看的该时隙状态为空闲，即目的节点的SSV显示该时隙空闲。

满足该条件时，此时即使是已经被预约占用的时隙也可以被使用。但在传输过程中，如果侦听到以上两个条件不满足，节点需要进入预约请求状态，在激活状态下进行数据通信。

本发明提出的无线接入控制方法具备完善的冲突检测机制，具体描述为：

为了保证在各种情况下，各个UE节点都能及时准确的释放时隙资源，并且能使得邻节点的SSV迅速收敛，本发明采取了显示释放为主、隐式释放为辅的时隙释放策略。

显示释放主要通过控制信令再配合SSV的更新来实施，显示释放的控制信令分两种：

1)释放旧时隙：这种信令仅仅通知邻节点时隙释放的信息。一般用于节点从激活状态转为休眠状态时发送的信令。

2)释放旧时隙/预约新时隙：这种信令包含了预约新时隙同时释放旧时隙的双重信息。一般用在检测到冲突后的时隙转移。比如占用相同时隙的UE由于移动性相距较近时，通过侦听SSV会发现该时隙处于冲突状态，冲突节点可以发送此信令重新预约合适的时隙；或者当UE占用时隙的RSSI(Received SignalStrength Indication)低于某一阈值时，可以释放该时隙并预约新时隙。

隐式释放主要以节点生存周期为手段。典型应用是，当节点突然断电时，周围节点仍然通过SSV更新认为它处于激活状态，这时当周围节点在生存周期内没有探测到该节点的控制信息，则认为该时隙已经被释放。

无线接入控制分组结构(或MAC控制信息分组)示例如附图5所示，帧控制不仅仅可以起到诸如释放时隙等控制信令的作用，在发送数据时，还可以作为ACK/NACK对收发数据的可靠性提供反馈。

由于混合方式与自组网方式的无线接入控制完全相同，并且蜂窝方式的无线接入控制由TD-SCDMA标准所规定，因此这里给出一个处于自组网模式移动终端进行无线接入控制的实施案例。

一个工作在混合方式或者自组网方式下的移动终端进行无线接入控制的过程如图6所示。

1)首先探测终端所在自组网的同步信号，进行自组网网内同步；

2)完成帧同步并确定逻辑帧的时隙边界后，终端侦听一个完整逻辑帧的控制信道，获取每一个邻节点发送的时隙列表SSV，并在自己的本地内存生成时隙位图，并且记录下一跳邻节点的MAC地址。

3)在终端开始预约自己的时隙之前，先判断自己是否有端到端的通信请求，并根据收到的SSV检查是否满足端到端条件，如果满足，优先采用端到端状态复用暴露节点完成通信。如果通信过程中端到端条件不满足，则退出端到端状态，进行常规时隙预约。

4)根据侦听到的SSV，结合自己的通信需求，预约一个或者多个空闲时隙。如果收到的SSV全部把预约时隙标记成“其他”，则说明预约成功，否则预约失败。

5)预约失败后，将再次进行侦听，如果多次失败，节点转至休眠状态。

6)如果预约成功，节点将进入激活状态，激活状态下节点需要周期性的在自己占用时隙发送自己侦听到SSV和RS，MAC包格式如图6所示；激活状态下，不管有无通信需求，节点都会占用这个时隙一段时间T1，但是每个节点占用时隙的时间有一个最大生存时间T2，超过这个生存时间，节点都将转为休眠状态或者再次进行预约。

7)在休眠状态下，节点只维护同步信息并侦听广播时隙，如果自己有通信需求或者侦听到呼叫信息，节点将离开休眠状态。

综上所述仅为本发明的一个实施案例而已，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)

1.一种融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法，其特征在于该方法包括：

a、基于多信道机制，将时隙资源用正交扩频码即OVSF码分成控制信道A-CCH和数据信道A-DCH，各个终端在控制信道上交互控制信息；

b、基于分布式控制机制，实现两跳以内的无冲突无线接入；

c、基于时隙预约机制并且以四种终端状态转移形成封闭状态机，分别是预约请求状态、激活状态、休眠状态以及端到端状态。

2.根据权利要求1所述的融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法，其特征在于所述的多信道机制为：

a、每个时隙内有且只允许一个终端在发送自组网数据，解决CDMA的“远近效应”，

b、采用正交可变扩频因子码或者相同扩频因子的多个信道化码来增加一个时隙中的传输容量，以适应不用的传输速率要求，利用扩频因子为16的OVSF码可以将一个时隙划分为控制信道A-CCH和数据信道A-DCH，其中控制信道A-CCH使用统一的2组扩频码字，便于节点快速解码控制信息并节约能耗，数据信道A-DCH内利用14组扩频码来实现一个时隙下一对多的多播传输，提高时隙资源的传输容量。

3.根据权利要求1所述的融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法，其特征在于：所述的分布式控制机制，每个终端节点在成功预约自己的时隙后，将在自身预约时隙的控制信道中发送自己的侦听到的一跳邻节点的时隙分配情况，在本地节点维护一跳和二跳邻节点的时隙分配情况，分布式控制需要维护的三种重要数据结构是：

a、时隙状态向量SSV是由N个时隙状态SS组成的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60，时隙状态分为SS分为四种，用2个比特表示，当该时隙被自身节点占用时标识为“自己”，被其他UE节点占用时标识为“其他”，该时隙空闲时标识为“空闲”，当检测到有不止一个UE占用该时隙时标识为“冲突”；

b、时隙位图是一张储存在终端节点本地内存空间的表格，时隙位图储存了其一跳邻节点的地址和对应时隙占用状态，以及二跳邻节点时隙占用状态，并依据时隙位图的更新准则进行位图更新；

c、接收属性向量RS是由N个比特标识的向量，N为一个逻辑帧所包含的非广播时隙个数，N＜60；当该时隙下某终端节点为数据接收节点时标识为“Recipient”，否则标识为“Null”。

4、根据权利要求1所述的融合时分同步码分多址蜂窝网与自组网的接入控制方法，其特征在于：所述的时隙预约机制和四种终端状态具体描述为：

a、预约请求状态：预约请求状态即节点按照一定的预约规则请求占用时隙的状态，预约规则采用可靠性预约准则，即只有当周围节点全部确认了预约请求之后预约才算成功，

b、激活状态：激活状态下可以在占有时隙内正常通信，但为了防止同时大量频繁的预约请求引起的预约冲突，每个激活节点不管有无数据发送，都将恒定保留这个时隙一段时间，

c、休眠状态：激活状态下的节点在一段时间内无数据通信时，或者预约请求状态下的节点多次竞争时隙失败，节点状态将转移至休眠状态，此时节点只维护同步信息并且只侦听逻辑帧中的广播时隙，

d、端到端状态：这是一种附加的通信状态，使得暴露节点和发送节点能在同一个时隙工作在端到端模式下，提高了时隙资源复用率，节点首先判断传输条件是否满足端到端状态的判别条件，如果满足则优先使用端到端状态，若不满足，将进行预约请求尝试进入激活状态，端到端状态判别条件为：

①发送节点的一跳邻节点中没有处于接收状态的节点，即所有RS标记均关闭；②从目的节点来看的该时隙状态为空闲，即目的节点的SSV显示该时隙空闲。但在传输过程中，如果侦听到以上两个条件不满足，节点需要进入预约请求状态，在激活状态下进行数据通信。

Images