CN101964693A - 一种利用无线信道干扰进行数据传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用无线信道干扰进行数据传输的方法，该方法利用由于干扰造成的错误来传递信息，即利用信道中用于抗干扰的信道冗余设计了一个新的传输机制，在这个新的传输机制下，通过特定的干扰模式获得附属信道，使额外有用的信息和正常的数据一起传输；该方法在传统通信模式下添加新信息即干扰的生成装置和新信息的解码装置，通过分析由于干扰导致的错误码片信息，从而提取出有效的信息，实现在不增加带宽的情况下，利用干扰在同一信道上实现两份或以上信息同时进行无线通信传输，提高信道利用率，且不影响原来的信息传递。

Description

一种利用无线信道干扰进行数据传输的方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信方法，尤其涉及一种利用无线信道干扰进行数据传输，实现两个或以上的节点同时进行数据传输，从而提高带宽利用率的方法，属于无线通信领域。

背景技术

干扰就是来自不同信号源的信号，在同一接收端进行叠加，造成对接收端解码有效信息的能力的影响。干扰会导致冲突和重传的增加。由于无线通信的广播特性，当两个或以上的节点进行同时传输时，干扰就会发生。在无线网络通信中限制容量的主要因素就是信号干扰。

例如CDMA，FDMA等允许多个传输同时进行的多用户接入技术，一般都希望通过分配资源的方式避免干扰，例如，不同的用户也许获得不同的频段，不同的码片，不同的时间段等。然而在这种情况下信道容量将会被分开。干扰是无线传输中的普遍现象，也是目前研究无线网络通信时需要考虑的一个重要问题。近年来，大量的算法研究网络设计都在致力于解决干扰带来的问题。

一般处理干扰的方法是利用干扰消除技术来对受到干扰的信号进行解码，试图恢复错误的数据包，然而本发明的方法反其道而行之，这些方法都试图去抵抗干扰，而本发明将利用由于干扰造成的错误来传递信息。

本发明利用干扰进行数据信息传输，可以从根本上解决无线通信中的干扰问题。经过检索，未发现目前有任何类似的研究或发明公布。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，传统通信协议设计的时候，为保证其能有一定的抗干扰能力，一般会留有一定程度的冗余。在信道情况比较好的时候，这些冗余就会被浪费。本发明旨在提出一种利用干扰实现同一信道上两份或以上信息同时进行无线通信传输的方法，在不增加带宽的情况下，实现两份或以上的信息在相同信道同时传播，且不影响原来的信息传递。

为实现上述目的所采用的技术方案是，利用这些信道冗余设计了一个新的传输机制，在这个新的传输机制下，分析由于干扰导致的错误码片信息，从而提取出需要的信息。通过特定的干扰模式，能将额外有用的信息和正常的数据一起传输。

跟传统的无线通信结构相比，本发明在接收端加入了新的模块包括用于新信息即干扰生成的装置，如干扰生成器，以及用于新信息解码的装置，如错误模式分析器。通过提前定义好的干扰模式，接收端能在接收原有信息的同时，分析出干扰导致错误的模式。在不影响接收端原有收到信息正常解码的情况下，本发明把因为干扰导致的错误信息提取出来。这样接收端就可以同时接收两份或更多信息。

这种携带信息的干扰由在发射端的干扰生成器生成。干扰生成器将根据提前定义好的模式来发出干扰。于是在原有信道的基础上，可以得到了一个附属的信道，这个信道是基于编码的容错能力的，因而并不会影响原有信道的容量。

本发明中干扰模式需要提前设计，即在附属信道上进行调制。根据不同的调制方式，附属信道会有不同的信道容量。附属信道的调制主要是通过干扰不同位置或不同间隔的码片来完成的。同时，根据不同的需要，干扰产生器发出的干扰有不同的同步要求，越精确的同步将会有越高的信道容量。

接收端接收到的信号经过信道解调后解码，解码的同时会经由错误分析器的分析来获取干扰的码片信息。这些错误的码片信息在经过附属信道的解调之后可以得到在附属信道上传递的信息内容。

通过以上方法就可以实现在附属信道上的信息传输与通信，并且在传输附属信道信息的过程中不会影响原有主信道的传输与通信。

本发明利用干扰进行传输的方法，能达到的有益效果如下：

(1)在不影响原有信道的情况下，本发明能够得到另外一个附属信道。

(2)通过特点的干扰模式，在无线网络中实现，相同信道上同时完整传递2份或以上信息。

(3)利用信道冗余进行信息传递，提高信道利用率。

附图说明

图1为附属信道示意图。

图2为传统通信与附属信道通信流程比较示意图。

图3为干扰的码片与信噪比和收包率的关系图。

图4为不同的调制方式示意图。

其中图1中所示Alice代表发送端，Carol代表干扰端，Bob代表接收端。位于上方的，从Alice到Bob的信息是经过主信道传输的。而信息从Carol到Bob是通过干扰Alice发送的信息在附属信道上传输的，在图下方显示。

其中图2中，(a)部分表示传统通信方式的通信流程，(b)表示本发明采用的附属信道通信方式的通信流程，展示了这个新的通信系统的框架结构。

其中图3中，假设每个数据包有2000个符号(1000个字节)，图中展示出受到干扰的码片数目h，符号错误概率，收包率之间的关系。

其中图4中，(a)部分所示为通过脉冲干扰的位置调制，而(b)部分中所示为通过脉冲干扰位置的间隔来进行调制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

如图1所示，Alice通过主信道，用传统的通信方式发出一个数据给Bob。同时Carol也想要传递一些信息给Bob。Carol发出的数据将以一些特定的干扰模式传递给Bob。这个干扰将很强，以至于Bob能识别出这个模式，并且不影响到主信道的信息传递。

在Bob看来，他不但能够成功的解出来自Alice的信息“Hello，Bob！”，同时他注意到收到的数据包里有一定的干扰模式。在提前定义好的干扰模式规则，Bob将会知道Carol传递了一些信息给他。

图2通过跟传统的通信系统对比来说明本发明中通过干扰，利用附属信道通信的方法构架。在图2中，显示了新的模块，包括新信息即干扰发生装置，以下简称干扰产生器和用于对新信息进行解码的装置，以下简称错误模式分析器。如图2所示，附属信道的通信将会按如下方式进行：发送端Alice要发送有一个m比特的数据包D∈{b_i}^m。Alice将先把D编码成一连串的符号

然后再把它映射到一个n比特的码片流

k∈[1，n]，其中n等于4m。码片流X被调制到射频x(t)然后发射到空气中。在接收端，接收的信号将会是：

x′(t)＝x(t)+n(t)，

其中n(t)表示噪声(包括了外部的干扰)。当接收到信号后，Bob把它解调成码片流X′，并把码片错误恢复，同时对应到符号流S′，最后解码成D′。码片错误E_X被定义成

而符号错误E_S被定义成

当S＝S′(i.e.，Es＝{0}m/4)，我们将得到D′＝D并认为数据包D被正确接收。在附属信道的机制下，通信的过程将如图2中(b)部分所示。发送端在主信道上跟原有的通信方式一样。而Carol，在附属信道上的发送端将会把数据G∈{g_i}^*，g_i∈{0，1}编码成g(t)。然后通过干扰产生器编码并发送出去。这个传输的时间跟Alice发送数据包的时间是严格一致的。在接收端Bob，接收到的信号将会是：

x′(t)＝x(t)+g(t)+n(t)

除了解出数据D′外，Bob能够得到码片错误E_X。通过E_X，Bob将能够解出来自Carol的数据G。也就是他能够通过错误模式分析器把数据G从E中解码出来。因此，他在主信道能得到来自Alice的信息D同时在附属信道上得到来自Carol的信息G。

设计附属信道的关键是如何让它不会对主信道造成影响。为了不令主信道损失，干扰发生器产生的干扰加上白噪声必须在主信道的纠错能力之内。为了定义主信道的纠错能力，我们使用了符号错误概率P_SEP来衡量主信道的传输质量。它的具体定义如下：

定义1：给定一个n比特的二元向量E＝{e_i}ⁿ，e_i∈{0，1}，我们定义E中1的数目为它的汉明重量，即

定义2：给定一个通信信道下的传输，符号错误概率被定义为在传输过程中符号错误的汉明重量，即：

P_SEP＝W(E_S)/|S|

其中Es是符号错误而S是传输过程中总的符号数目。

定义3：给定一个编解码机制f/f^-1，f：{s_i}^m→{c}ⁿ，f^-1：{0，1}ⁿ→{0，1}^m

其纠错能力δ(f)被定义为f能纠正的最大码片数，即是：

δ＝max(W(E_c))

其中

而是两个二元向量的异或。

根据编解码的理论，一个给定f/f^-1的δ(f)是任何一对编码的二元向量的最小汉明距离的一半，即：

在现有IEEE 802.15.4符号转换机制的协议下，两个有效32位码片的最短汉明距离是13。换句话说，它的δ(f)是6。

符号错误概率P_SEP是一个与收包率(PPR)相近的参数。与收发包率相比它有更细致的符号层的尺度，因此它能从每一个包得到而不像收包率要统计一定数量的数据包。假设每一个符号错误都会造成一个数据包的错误，符号错误概率和收包率的关系将如图3所示。其中左边的坐标表示的是符号错误概率而右边是对应的收包率。

符号错误概率受到很多因素的限制：第一个因素就是被应用编解码机制的纠错能力。其定义如定义3所示。

第二个影响符号错误概率的因素是传输信道的信噪比。为了在码片层反映出信噪比，我们使用码片错误概率。码片错误概率被定义为一个码片被干扰出错并且这个错误被接收端识别到的概率。需要注意的是并非所有受到干扰的码片都会被识别出来，因为解码器有可能会解错。当解码器不能正确解码片错误时，一个错误的码片将会被认为是一个正确的。因此，干扰到的码片是不能探测到的。为止，码片错误概率的上限是0.5，不论它是因为白噪声或者是干扰产生器产生的干扰。我们用P_N表示由噪声(包括非干扰产生器产生的干扰)导致的码片错误概率，而P_I表示由于干扰产生器产生的干扰造成的码片错误概率。我们用h表示每个符号最大受到干扰的码片数目。从而，我们可以得到，

$P_{\mathrm{SEP}}=\underset{j=\mathrm{\δ}\left(f\right)+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}h\\ r\end{array}\right)P_I^r{(1-P_I)}^{h-r}$

$\left(\begin{array}{c}n-h\\ j-r\end{array}\right)P_N^{j-r}{(1-P_N)}^{(n-h)-(j-r)}$

其中n是每个符号的码片数。设n＝32，δ(f)＝6，PN和P_I为上限0.5，如果探索受到干扰的每个符号内的码片数目从0变到8的影响，可以得到如下信息：

第一，每个符号内受干扰的码片数目h不能超过δ(f).否则，收包率将会严重下降，从而导致主信道上的损失。例如，当h＝7是，收包率为0。

第二，当信道状况非常好(例如，信噪比大于15db)时，只要h≤δ，那么h对主信道的影响非常小。在这种情况下，我们将使h＝δ，从而最大的利用主信道的抗干扰能力和最大限度的使用附属信道的容量。

第三，当信道的状况一般时，我们只使用一部分的编码冗余，剩下的用来抗噪声干扰。例如，当信噪比是6db左右，而99.8％的收包率是可以接受的话，设置h＝3是一个非常好的选择。

最后，在信道状况很差的情况下，主信道的编码冗余主要用于恢复传输的错误。在这种情况下，附属信道将不再使用。

下面以脉冲位置调制为例。

脉冲位置调制是可以采用的调制方式之一，其核心思想是利用在不同位置上受到干扰的码片来表示数据。如图4中(a)部分所示，每个符号中的32个码片被分成几组，同时每组包含有K个连续的码片(

组每符号)。对于每个符号，干扰产生器最多只能干扰每组。当接收器接收到主信道的数据时，通过检测哪一组受到干扰，附属信道的信息得以传递。

下面给出一个在脉冲位置调制下的附属信道容量的理论分析。当采用脉冲位置调制，附属信道可以表示成一个M进制信道，其中

当在K个码片中的两个被成功干扰，则认为一个K个干扰码片的模式被检测到。设P为接收端检测到符号中的一个模式。可以得到：

P＝1-(1-p_I)^K-Kp_I(1-p_I)^K-1

其中PI是干扰模式中的码片错误概率。同时，信道容量C可以由以下计算得到：

其中T是一个符号的时间长度。T可以由主信道的传输速率计算得到。同时K是每个符号中受到干扰的码片数目。为了最大化附属信道传输的可靠性，我们设K为最大值K＝6。假设最优主信道在P_I等于它的上限0.5时，我们有想对应的信道容量C(K＝6，PI＝0.5)＝129kbps。

在实践中，我们发现因为精确同步的问题，在发送端和接收端之间有一个码片的偏移。即，如果一个干扰产生器试图干扰一个码片起始于第i个码片，它有可能干扰到(i-1)，i，或者(i+1)个码片。受到这个实际情况的控制，在我们的机制中，我们选择K＝8并且干扰发生在中间连续的6个码片，留下最开始和最后的码片为保护位。由此，每个符号分为32/8＝4组，并且支持log4＝2比特的传输。对应的信道容量为C(K＝8，PI＝0.5)＝121kbps。

由于脉冲位置调制有很强的同步要求，因而对于一些不支持上述要求的系统，我们给出了另外一种调制方式-脉冲间隔调制。脉冲间隔调制利用的是干扰码片的相对位置而不是绝对位置。数据信息通过不同的两个连续干扰码片间隔来表示。

如图4中(b)部分所示，脉冲间隔调制的信息编码在每四个符号。每一个干扰会影响K个码片来增加干扰模式被识别的可靠性。这种干扰将会在一个连续的符号中重复，同时两个K码片的组之间的间隔将会根据不同的编码信息进行调整。两个符号被干扰后，紧跟着的两个符号将最为保护而不被干扰。

为了分析脉冲间隔调制下的附属信道的容量，我们假设第一组干扰K个码片开始于码片0。我们跟脉冲位置调制一样，设置K＝8。第二组干扰的码片将会在第二个符号中。为了提供保护，我们只允许这个组受干扰的码片是一个有限数目。第一个可能的位置是0，同时紧接着2K个码片位置被略过。所以第二个可能的位置是17，同时第三个是34(超出32，不取)。总而言之，脉冲间隔调制下的附属信道在4个符号中有两个状态。相应的，脉冲间隔调制下的数据传输率在Zigbee下是15kbps。

Claims (9)

1.一种利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：利用无线通信时信道中用于抗干扰的信道冗余设计了一个新的传输机制，在这个新的传输机制下，通过特定的干扰模式获得附属信道；在传统通信模式下添加新信息即干扰的生成装置和新信息的解码装置，通过分析由于干扰导致的错误码片信息，从而提取出有效的信息，利用干扰造成的错误来传递信息，从而实现在不增加带宽的情况下，利用干扰在同一信道上实现两份或以上信息同时进行无线通信传输，提高信道利用率，且不影响原来的信息传递。

2.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：普遍适用于无线传输。

3.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：利用了无线信道中的信道冗余进行传输。

4.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：通过特定的干扰模式获得附属信道。

5.根据权利要求4所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：干扰模式需要提前设计，即在附属信道上进行调制，其调制方式根据不同传输需要进行设计。

6.根据权利要求4所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：根据不同的调制方式，附属信道会有不同的信道容量，且附属信道是基于编码的容错能力的，因而并不会影响原有信道的容量。

7.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：附属信道上的新信息是通过干扰生成装置在发送端生成，其传输时间跟主信道上发送数据包的时间严格一致。

8.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：接收端接收到的信号经过信道解调后解码，解码的同时会经由错误分析器的分析来获取干扰的码片信息，这些错误的码片信息在经过附属信道的解调之后可以得到在附属信道上传递的信息内容。

9.根据权利要求1所述的利用无线信道干扰进行数据传输的方法，其特征是：同一信道上可实现两份或以上信息同时进行无线通信传输，且不影响原来的信息传递。

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