CN101478318B - 超短波自组网中电台协同通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短波自组网中电台协同通信方法，第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，其它电台m在时隙t中接收第n台电台发送的信息帧，其它电台m在时隙t中接收到第n台电台发送的信息帧后，对第n台电台发送的信息帧进行处理；解析信息帧参数，根据信息载荷中是否存在发送给电台m的中继信息分组、短帧分组或数据信息分组，对接收信息帧作出相应的处理，如果信息载荷中存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组且允许中继，则电台m允许中继并生成中继信息分组，所述的中继信息分组分为重传中继信息分组及预重传中继信息分组，更新邻居状态表。

Description

超短波自组网中电台协同通信方法

一技术领域

本发明属于无线网络通信技术，特别是一种超短波自组网中电台协同通信方法。

二背景技术

超短波电台可采用直扩和跳频两种抗干扰机制，但实际中，为兼顾抗干扰与通信速率需求，以跳频机制为主。超短波跳频电台存在的较大问题是：同步和建链时间较长，组网时更是如此。因此，在超短波高速数传电台组网时，媒体接入控制(MAC)技术选择需要谨慎地考虑这一点。

目前，可实际应用的MAC方案有两个：载波侦听多址(CSMA)和时分多址(TDMA)。CSMA支持突发业务和非实时业务，在网络轻业务负荷情况下具有较好的性能。TDMA支持连续业务和实时业务，各电台不存在竞争关系，组网简单，在网络中等或重业务负荷情况下具有较好性能。

TDMA方式最大特点是电台周期发送数据，导致数据传输时延较大。另外，超短波信道最大特点是传输距离远和误码率高。高误码率导致高误帧率，进而增加重传次数和传输时延。虽然可以通过改善物理层的信道编码、均衡和同步等关键技术降低误码率，但性能提升有限。

TDMA方式下，各电台发送数据机会宝贵，因此常采用捎带(piggyback)技术解决发送短帧(如网络层路由请求和应答短帧、拓扑信息短帧、邻居信息短帧以及数据链路层的应答短帧)时信道利用率低下的问题。TDMA网中数据链路层可采用应答机制，但无法实现实时应答，这也同样制约了网络传输性能。

协同自动重传请求(ARQ)技术通过协同电台(例如邻居电台)转发源数据信息的冗余信息，可以实现数据信息的预重传和重传，进而降低重传时延和误码率，直接提升TDMA接入方式下的网络传输性能。

三发明内容

针对现有超短波TDMA网在传输质量、传输效率和传输时延等性能方面的不足，本发明提供一种能够提高传输质量、减少重传次数和传输时延的超短波自组网中电台协同通信方法。

实现本发明目的的技术解决方案包括以下步骤：

一种超短波自组网中电台协同通信方法，第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，其它电台m在时隙t中接收第n台电台发送的信息帧，发送信息帧周期为一个时帧，其中，m，n∈{1，2，…，N}，m≠n，N为入网电台个数，t∈{1，2，…，T}，T为一个时帧包含的时隙数，T取正整数，N≤T≤128，剩余T-N个时隙备用，其特征在于：

所述的第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，信息帧长度等于一个时隙长度，时隙长度不超过2秒，信息帧由物理层帧头、MAC层帧头、信息载荷和帧尾组成，所述的信息载荷至少由数据信息分组、中继信息分组和短帧分组中的一个或多个组成，所述的数据信息分组指的是第n台电台发送的数据信息，所述的中继信息分组指的是第n台电台为接收到的电台k∈{1，2，…，N}，k≠n的数据信息分组转发的冗余信息，中继信息分组的目的电台是电台k的数据信息分组的接收电台，此时，称电台k为中继信息分组的源电台，中继信息分组由源电台地址、目的电台地址，分组类型，分组长度、中继信息内容和校验等部分构成，所述的短帧分组至少为网络层路由请求和应答短帧、拓扑信息短帧、邻居信息短帧以及数据链路层的应答短帧中的一种，实现路由寻址和维护、拓扑维护、邻居管理以及应答反馈功能，

所述其它电台m在时隙t中接收到第n台电台发送的信息帧后，对第n台电台发送的信息帧进行如下处理：

步骤1，解析信息帧参数，

步骤2；如果信息载荷中不存在发送给电台m的中继信息分组，转步骤3；如果信息载荷中存在发送给电台m的中继信息分组，做如下处理：

步骤2.1，若该中继信息分组被正确接收，则送往物理层，与对应的之前接收并缓存在物理层中的有误的数据信息分组根据选择性自动重传请求(ARQ)技术进行联合检测译码，

步骤2.2，若该中继信息分组存在错误，则抛弃中继信息分组，

步骤3，如果信息载荷中不存在发送给电台m的短帧分组，转步骤4；如果信息载荷中存在发送给电台m的短帧分组，做如下处理：

步骤3.1，若该短帧分组被正确接收，则送往上层，

步骤3.2，若该短帧分组存在错误，则抛弃短帧分组，

步骤4，如果信息载荷中不存在发送给电台m的数据信息分组，转步骤5；如果信息载荷中存在发送给电台m的数据信息分组，做如下处理：

步骤4.1，若该数据信息分组被正确接收，则送往上层，

步骤4.2，若该数据信息分组存在错误，则缓存在物理层，

步骤5，如果信息载荷中不存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，转步骤6；如果信息载荷中存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，做如下处理：

步骤5.1，若下述条件a)、b)、c)和d)同时成立

a)该数据信息分组被正确接收，

b)没有收到该邻居电台成功接收该数据信息分组的确认信息，

c)没有其它电台发送过该数据信息分组的中继信息分组，

d)电台m将要发送的信息帧中的信息载荷除去数据信息分组和短帧分组外，有剩余空间捎带中继信息分组，

则电台m允许中继并生成中继信息分组，所述的中继信息分组分为两类：一是重传中继信息分组；二是预重传中继信息分组，具体操作如下：

步骤5.1.1，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之前，则生成重传中继信息分组，重传中继信息分组的内容与该数据信息分组一样，

步骤5.1.2，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之后，则生成预重传中继信息分组，预重传中继信息分组的内容是该数据信息分组的部分冗余信息，可采用选择性自动重传请求(ARQ)技术得到，

步骤5.2，若所述条件a)、b)、c)和d)不能同时成立，则不允许中继并抛弃该数据信息分组，

步骤6，抛弃信息帧的信息载荷中所有其它没有被处理过的分组，

步骤7，更新邻居状态表。

本发明显著的优点是：1)不改变现有超短波电台硬件结构，支持现有电台可能采用的信道编码(RS码、卷积码和Turbo码等)、数字调制、同步、均衡等所有物理层通信技术，稍做修改即可支持CSMA方案以及所有路由技术；2)不需要设计特殊的信息帧格式，只要在常规信息帧中增加中继信息分组即可；3)通过简单的协同通信开关设置，打开或关闭协同通信方式，在协同通信方式和常规通信方式之间自由切换；4)可直接通过软件方式升级现有已装超短波电台，或改进在研超短波电台，推出具有较高组网能力的新一代超短波电台。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

四附图说明

图1是本发明的时帧结构和时隙结构图。

图2是本发明的信息帧结构图。

图3是本发明的中继信息分组结构图。

图4是本发明的信息帧发送和接收流程图。

图5是本发明的信息帧接收流程图。

图6是点对点传输情况下不同方案的误码率性能比较图。

图7是不同媒体接入控制方案的吞吐量性能比较图。

图8是不同媒体接入控制方案的时延性能比较图。

五具体实施方式

实施例1

一种超短波自组网中电台协同通信方法，如图1和图2所示，采用时分多址接入方式，第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，其它电台m在时隙t中接收第n台电台发送的信息帧，发送信息帧周期为一个时帧，其中，m，n∈{1，2，…，N}，m≠n，N为入网电台个数，t∈{1，2，…，T}，T为一个时帧包含的时隙数，T取正整数，N≤T≤128，T的典型值为32，剩余T-N个时隙备用，

所述的第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，信息帧长度等于一个时隙长度，时隙长度不超过2秒，典型值为32ms，信息帧格式如图3所示，信息帧由物理层帧头、MAC层帧头、信息载荷和帧尾组成，物理层帧头包括同步头信息和帧长指示信息，MAC层帧头包括帧控制信息和地址信息，帧尾是帧检验比特，

所述的信息载荷至少由数据信息分组、中继信息分组和短帧分组中的一个或多个组成，所述的数据信息分组指的是第n台电台发送的数据信息，所述的中继信息分组指的是第n台电台为接收到的电台k∈{1，2，…，N}，k≠n的数据信息分组转发的冗余信息，中继信息分组的目的电台是电台k的数据信息分组的接收电台，此时，称电台k为中继信息分组的源电台，

如图4所示，中继信息分组由源电台地址、目的电台地址，分组类型，分组长度、中继信息内容和校验等部分构成，所述的短帧分组至少为网络层路由请求和应答短帧、拓扑信息短帧、邻居信息短帧以及数据链路层的应答短帧中的一种，实现路由寻址和维护、拓扑维护、邻居管理以及应答反馈功能，

所述其它电台m在时隙t中接收到第n台电台发送的信息帧后，如图5所示，对第n台电台发送的信息帧进行如下处理：

步骤1，解析信息帧参数，判断各个分组类型、数量、长度及是否正确接收，

步骤2；如果信息载荷中不存在发送给电台m的中继信息分组，转步骤3；如果信息载荷中存在发送给电台m的中继信息分组，做如下处理：

步骤2.1，若该中继信息分组被正确接收，则送往物理层，与对应的之前接收并缓存在物理层中的有误的数据信息分组根据选择性自动重传请求(ARQ)技术进行联合检测译码，

步骤2.2，若该中继信息分组存在错误，则抛弃中继信息分组，

步骤3，如果信息载荷中不存在发送给电台m的短帧分组，转步骤4；如果信息载荷中存在发送给电台m的短帧分组，做如下处理：

步骤3.1，若该短帧分组被正确接收，则送往上层，

步骤3.2，若该短帧分组存在错误，则抛弃短帧分组，

步骤4，如果信息载荷中不存在发送给电台m的数据信息分组，转步骤5；如果信息载荷中存在发送给电台m的数据信息分组，做如下处理：

步骤4.1，若该数据信息分组被正确接收，则送往上层，

步骤4.2，若该数据信息分组存在错误，则缓存在物理层，等待其它电台发送重传中继信息分组，

步骤5，如果信息载荷中不存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，转步骤6；如果信息载荷中存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，做如下处理：

步骤5.1，若下述条件a)、b)、c)和d)同时成立

a)该数据信息分组被正确接收，

b)没有收到该邻居电台成功接收该数据信息分组的确认信息，包括收到该邻居电台未成功接收该数据信息分组的确认信息，

c)没有其它电台发送过该数据信息分组的中继信息分组，

d)电台m将要发送的信息帧中的信息载荷除去数据信息分组和短帧分组外，有剩余空间捎带中继信息分组，

则电台m允许中继并生成中继信息分组，所述的中继信息分组分为两类：一是重传中继信息分组；二是预重传中继信息分组，具体操作如下：

步骤5.1.1，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之前，则生成重传中继信息分组，重传中继信息分组的内容与该数据信息分组一样，例如采用重复编码技术，

步骤5.1.2，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之后，则生成预重传中继信息分组，预重传中继信息分组的内容是该数据信息分组的部分冗余信息，可采用选择性ARQ技术得到，

步骤5.2，若条件a)、b)、c)和d)不能同时成立，则不允许中继并抛弃该数据信息分组，

步骤6，抛弃信息帧的信息载荷中所有其它没有被处理过的分组，

步骤7，更新邻居状态表，以重新确定电台之间的邻居关系。

实施例2

这里以T＝4和N＝4为例，详细说明电台信息帧的发送和接收流程，其它数目的T和N类似。

记4台电台为电台1、电台2、电台3和电台4，分配的时隙分别为时隙1、时隙2、时隙3和时隙4。首先，电台1在时隙1发送信息帧1，电台2、电台3和电台4在时隙1内接收电台1发送的信息帧1，假设：

1)信息帧1中包含发给电台2和电台3的数据信息分组

2)电台3和电台2是邻居电台，

电台2接收信息帧1的流程如下：

步骤1：解析帧参数，

步骤2：发现有发给自己的数据信息分组，如果正确接收，则送往上层，否则缓存在物理层，

步骤3：同时发现有发给邻居电台3的数据信息分组，如果正确接收，且自己将在时隙2发送的信息帧中有剩余空间，因为电台2发送顺序在电台3的前面，则根据选择性ARQ技术产生冗余信息，即产生预重传中继信息分组，如果接收有误或信息帧中没有剩余空间，则抛弃该数据信息分组，

电台2在时隙2发送信息帧流程如下：

步骤1：反馈电台1发送来的数据信息分组的接收结果，若成功接收，信息帧中包括ACK短帧，否则包括NACK短帧，

步骤2：若生成了电台3的预重传中继信息分组，则在信息帧中增加中继信息分组，

电台3在时隙1内接收流程：

步骤1：解析帧参数，

步骤2：发现有发给自己的数据信息分组，如果正确接收，则送往上层，否则缓存在物理层，

步骤3：同时发现有发给邻居电台2的数据信息分组，如果正确接收，且自己将在时隙3发送的信息帧中有剩余空间，则缓存该数据信息分组，待定，如果接收有误或信息帧中没有剩余空间，则抛弃该数据信息分组，

电台3在时隙2内接收流程：

步骤1：解析帧参数，

步骤2：若发现电台2没有成功接收电台1发给电台2的数据信息分组，即接收到NACK短帧，如果电台3缓存中有电台1发给电台2的数据信息分组，则生成重传中继信息分组，即全部转发，

步骤3：若发现电台2发送给自己关于电台1发送给自己的数据信息分组的预重传中继信息分组，如果该预重传中继信息分组成功接收，但数据信息分组没有正确接收，则联合数据信息分组和预重传中继信息分组再次进行译码，

电台3在时隙3的发送流程以及电台4在时隙1、时隙2和时隙3的接收流程以及在时隙4的发送流程与电台2和3相似。

由上述过程可以看出，电台1发送给电台2和电台3的数据信息分组通过电台2和电台3可能发送的预重传中继信息分组和重传中继信息分组增加了成功接收的概率，在常规通信模式下，若电台2接收电台1的数据信息分组有误，则重传时延至少是4个时隙，这里通过电台3的重传中继信息分组，时延可能减少至2个时隙。

实施例3

这里考察本发明方法的点对点误码率传输性能以及系统吞吐量性能和时延性能。

图6给出了本发明方法点对点传输的误码率性能，作为比较，同时考察了常规通信模式下的误码率性能，调制方式为QPSK，信道编码方式为(2，1，7)卷积码，电台之间假设为瑞利衰落信道，

从图6中可以看出，采用协同通信技术后，即采用协同ARQ技术，通过转发预重传中继信息分组或重传中继信息分组，可有效提高数据信息分组传输质量，例如在信噪比(SNR)为10dB的情况下，常规通信误码率为P_e＝3.5×10^-3，而协同通信的误码率仅为P_e′＝8×10^-5，这里SNR定义为电台发送功率与电台噪声之比的均值。

图7和图8给出了本发明方法的系统吞吐量性能以及时延性能，作为比较，这里同时考察时隙ALOHA接入协议，时分多址接入协议以及载波侦听多址接入协议。假设所有电台具有独立同分布的业务到达率，则常规时隙ALOHA的吞吐量公式为：R_ALOHA(λ)＝λe^-λ(1-P_e)^L，其中λ为总的归一化业务到达率(包/时隙)，L为信息帧中所有数据信息分组总长度，时分多址吞吐量为R_TDMA(λ)＝λ′(1-P_e)^L，其中λ′＝min(λ，1)，本发明方法吞吐量为R_本发明(λ)＝λ′(1-P_e′)^L，载波侦听吞吐量由计算机仿真得到。

图7纵坐标为单位时隙内平均成功接收信息帧个数，这里信息帧被成功接收指的是信息帧中所有数据信息分组被成功接收，L＝320，SNR＝10dB，从图中可以看出，由于采用协同通信，本发明方法提高了数据信息分组的成功接收概率，因此吞吐量最大，尤其在高业务负荷情况下，吞吐量稳定在0.975。

图8横坐标为吞吐量(包/时隙)，纵坐标为业务时延(时隙数)，L＝320，SNR＝10dB，从图中可以看出，当系统逼近最大吞吐量时，时延将趋于无穷大。本发明方法的吞吐量最大，因此时延特性最好，可支持高密度业务(较高的包达到速率)传输。

Claims (1)

1.一种超短波自组网中电台协同通信方法，第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，其它电台m在时隙t中接收第n台电台发送的信息帧，发送信息帧周期为一个时帧，其中，m，n∈{1，2，…，N}，m≠n，N为入网电台个数，t∈{1，2，…，T}，T为一个时帧包含的时隙数，T取正整数，N≤T≤128，剩余T-N个时隙备用，其特征在于：

所述的第n台电台在所分配的时隙t中发送第n台电台的信息帧，信息帧长度等于一个时隙长度，时隙长度不超过2秒，信息帧由物理层帧头、MAC层帧头、信息载荷和帧尾组成，所述的信息载荷至少由数据信息分组、中继信息分组和短帧分组中的一个或多个组成，所述的数据信息分组指的是第n台电台发送的数据信息，所述的中继信息分组指的是第n台电台为接收到的电台k∈{1，2，…，N}，k≠n的数据信息分组转发的冗余信息，中继信息分组的目的电台是电台k的数据信息分组的接收电台，此时，称电台k为中继信息分组的源电台，中继信息分组由源电台地址、目的电台地址、分组类型、分组长度、中继信息内容和校验部分构成，所述的短帧分组至少为网络层路由请求和应答短帧、拓扑信息短帧、邻居信息短帧以及数据链路层的应答短帧中的一种，实现路由寻址和维护、拓扑维护、邻居管理以及应答反馈功能，

所述其它电台m在时隙t中接收到第n台电台发送的信息帧后，对第n台电台发送的信息帧进行如下处理：

步骤1，解析信息帧参数，

步骤2,如果信息载荷中不存在发送给电台m的中继信息分组，转步骤3；如果信息载荷中存在发送给电台m的中继信息分组，做如下处理：

步骤2.1，若该中继信息分组被正确接收，则送往物理层，与对应的之前接收并缓存在物理层中的有误的数据信息分组根据选择性自动重传请求(ARQ)技术进行联合检测译码，

步骤2.2，若该中继信息分组存在错误，则抛弃中继信息分组，

步骤3，如果信息载荷中不存在发送给电台m的短帧分组，转步骤4；如果信息载荷中存在发送给电台m的短帧分组，做如下处理： 

步骤3.1，若该短帧分组被正确接收，则送往上层，

步骤3.2，若该短帧分组存在错误，则抛弃短帧分组，

步骤4，如果信息载荷中不存在发送给电台m的数据信息分组，转步骤5；如果信息载荷中存在发送给电台m的数据信息分组，做如下处理：

步骤4.1，若该数据信息分组被正确接收，则送往上层，

步骤4.2，若该数据信息分组存在错误，则缓存在物理层，

步骤5，如果信息载荷中不存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，转步骤6；如果信息载荷中存在发送给电台m的邻居电台的数据信息分组，做如下处理：

步骤5.1，若下述条件a)、b)、c)和d)同时成立，

a)该数据信息分组被正确接收，

b)没有收到该邻居电台成功接收该数据信息分组的确认信息，

c)没有其它电台发送过该数据信息分组的中继信息分组，

d)电台m将要发送的信息帧中的信息载荷除去数据信息分组和短帧分组外，有剩余空间捎带中继信息分组，

则电台m允许中继并生成中继信息分组，所述的中继信息分组分为两类：一是重传中继信息分组；二是预重传中继信息分组，具体操作如下：

步骤5.1.1，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之前，则生成重传中继信息分组，重传中继信息分组的内容与该数据信息分组一样，

步骤5.1.2，若该邻居电台发送信息帧顺序在电台m之后，则生成预重传中继信息分组，预重传中继信息分组的内容是该数据信息分组的部分冗余信息，采用选择性自动重传请求(ARQ)技术得到，

步骤5.2，若条件a)、b)、c)和d)不能同时成立，则不允许中继并抛弃该数据信息分组，

步骤6，抛弃信息帧的信息载荷中所有其它没有被处理过的分组，

步骤7，更新邻居状态表。 

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