CN102148675A - 一种基于混合自动重传的随机接入协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种跨层的随机接入协议。本发明通过正交导频检测碰撞的用户，并要求这些用户在物理层重发时乘以一系数，使得多路用户的信号正交。则在接收端经过矩阵处理，使得可以独立接收多个碰撞用户的信号。本发明可以解决多用户随机接入问题，并能提高系统的吞吐量、降低平均时延。

Description

一种基于混合自动重传的随机接入协议

1.应用领域

本发明属于无线通信网络技术领域，特别涉及S-ALOHA协议以及混合自动重传技术(HARQ)，用于提高多用户系统的吞吐量，降低传输的平均时延。

2.背景技术

2.1随机接入协议

随机接入协议(Random Access Protocol，RAP)属于信道共享技术，主要用于解决多个用户对公共带宽如何划分使用的问题。(这里的信道多指上行信道，即用户向基站的信道。而下行信道可以被统一调度，不会发生冲突，因此不属于接入协议的范畴)。作为媒体接入协议的一个分支，其特点就是所有用户可以根据自己的意愿随机地发送信息，即对应突发型业务。因为对于持续型业务，可以事先安排多个用户的资源以解决接入问题，例如FDMA，TDMA等方式。然而，对于突发型的业务，这些接入方式并不合适。在RAP中，当两个或以上用户同时发送信息时，就可能在媒介或目的端产生帧的冲突，导致冲突用户的发送均告失败。导致该问题的根本原因在于无法预先安排用户的发送时间，同时，每个用户在需要发送数据时，不能准确知道其它用户是否也需要发送数据。这个问题再以太网和蜂窝网中都存在。现有的解决随机接入问题的协议中，大都位于数据链路层，其中包括P-ALOHA，S-ALOHA，CSMA，CSMA/CD等。下面对其中主要协议进行简单介绍：

(1)P-ALOHA协议

P-ALOHA的基本思想是：当用户有信息要发送时，可以立即发送，然后监听信道是否发生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间，然后进行重发。如果再次发生冲突，则需要再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。其中等待的时间必须是随机的。假定各用户发送的帧都是定长的，为发送一帧所需的时间是T。P-ALOHA系统的工作原理如附图1所示。

由图1可以看护一个帧发送成功的条件是该帧与之前后两个帧的到达时间间隔均大于T，称这段间隔为脆弱周期，即只要在该帧的脆弱周期内有其它帧传送，均能产生冲突。

(2)S-ALOHA协议

为了提高ALOHA系统的吞吐量，可以将所有用户在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，记为T。并且规定，无论一个帧在何时产生，它只能在每个时隙开始时才能被发送出去。这样的系统被成为时隙ALOHA或者S-ALOHA系统。其工作原理如附图2所示。

从图2可以看出，每一个帧在到达后，一般都要在缓存中等待一段时间(这段时间小于T)，然后才能被发送出去。当在一个时隙内有两个或两个以上帧到达时，则在下一个时隙将产生碰撞。碰撞后重传的策略与P-ALOHA的情况是相似的。可以看出S-ALOHA系统的脆弱周期为时隙的长度T。

(3)CSMA/CD协议

载波监听多点接入/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)由ALOHA演变而来，其最大的改进之处在于：每个用户都能在发送数据前监听信道上其它用户是否在发送数据，如果在发送，则此用户暂不发送数据，发送后继续侦听信道，以检测是否发生碰撞。如果发生则随机退避一段时间后重传。此协议减小了发送冲突的可能，提高了系统的吞吐量。然而在无线环境中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为远近效应。这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。

(4)CSMA/CA协议

为了在无线环境中应用，在802.11中对上述协议进行了调整，利用ACK信号来避免冲突的发生。一个终端希望在无线网络中传输数据，它应先探测网络中是否有正在传送的数据。如果有，则附加等待一段随机时间，再进行探测。反之就将数据发送出去。接收端若果收到完整的数据则回发一个ACK。只有这个ACK被发送端完整的接收后，发送过程才完成。否则该数据都要在发端等待一段时间后被重传。但是由于额外的等待时间，其性能不及CSMA/CD。

从上述介绍可以看出传统的接入协议为解决碰撞而进行的重传多发生在MAC层，而在电信网中物理层的重传机制也被普遍使用。物理层的重传机制相对于MAC层的重传有其独有的特点及优势，而它们的思想亦可以应用于随机接入协议。接下来先对一种典型的物理层重传机制进行简单介绍。

2.2混合自动重传

混合自动请求重传(HARQ：Hybrid Automatic Repeat Request)综合了前向纠错控制(FEC：Forward Error Correction)技术和自动请求重传(ARQ：Automatic Repeat Request)技术，是一种应用极其普遍的技术，它可以提高系统的吞吐量和传输可靠性。

在HARQ技术中，源节点先将拟发送的信息通过差错控制编码编为一个码字，然后经过调制之后，发往目的节点。目的节点执行相应的解调译码，并根据循环冗余检测(CRCCyclical Redundancy Check)或者编码自身的特性判断译码输出是否正确。如果译码不正确，则要求源节点进行重传。HARQ技术需要在源节点和目的节点之间存在一个可靠及时的控制信道来传递重传请求信息。最基本的重传请求信息是接收确认(ACK，ACKnowledgment)和非确认(NACK，NotACKnowledgment)，分别表示译码成功或失败。视具体协议之不同，重传控制信息也可能包含其他信息，例如请求重传的码字编号。

在简单ARQ中，如果目的节点译码失败，则放弃该码字，下一时隙(发端的重传如同是第一次发送。存在一些比这种简单ARQ更有效率的合并方式，例如CC(ChaseCombining)。在CC中，目的节点在译码失败后继续保存所接收信号，源节点在下一时隙重复发送前一时隙所发送的码字。然后，目的节点将新接收的信号与存储的信号进行最大比合并(MRC Maximum Ratio Combining)，再进行译码。通过这种合并方式，接收信号的信噪比在不断增大。

可见，传统的随机接入问题，是由于时间维的有限造成多用户之间的碰撞。而大多数随机接入协议主要致力于检测和避免碰撞的发生，从而实现有效的多用户随机接入系统的通信。但与此同时增加了可能不必要的等待时间，限制了系统的吞吐量与时延性能。另一方面，即使发生碰撞，信号的能量也是可用通过合适的机制加以利用的。传统的协议并没有注意到这种潜在提高通信系统效率和性能的手段。

3.发明内容及特征

从上述视角出发，针对传统随机接入机制中存在的问题，本发明提出了一种结合HARQ技术对传统随机接入协议的跨层(数据链路层及物理层)的改进方案。其旨在利用ARQ扩展时间维，使多用户能实现正交从而进行多址接入。本发明具有如下优点：

1)提高传统S-ALOHA协议的性能，提高吞吐量和降低平均时延。

2)不需发端进行载波侦听和冲突检测，协议更简单且易应用于无线环境。

3)而与FDMA，TDMA比较，不需要预先的资源分配。

本发明通过如下技术方案实现：

3.1基本假设和术语定义

本发明假设系统已存在高层协议可以完成节点的发现和动态地址分配功能；当节点需要多跳传输时，存在相应的路由协议；各节点发送不同的业务时，存在相应的业务协议。上述假设是此类系统的典型情形，如S-ALOHA，CSMA等，都存在上层协议，并非本发明的额外要求。

本发明要求系统中各终端物理层使用的导频，并且导频正交。在碰撞发生时以此区别碰撞的终端。正交序列可以为(但不限)Walsh码或Gold序列。在通信系统中普遍通过导频的方式实现功控，信道估计，相干解调等功能，因此本要求不会对发明的应用范围造成严格约束。

本发明中的“时隙”是指发送时间单位，也就是某些技术标准中的TTI(TransmissionTime Interval)。本协议以时隙的方式工作。各节点之间保持同步或准同步关系。对于大于一个码字长度的数据，分成多个时隙发送。同步在大部分通信系统中，例如2G，3G和LTE，普遍存在。

本发明通过下行控制信道对终端发送控制帧，以对的行为进行控制。该信道可与上行数据信道通过时分、频分、空分等双工方式区分开来。在通信系统中，下行控制信道的传输量相对很小，因此被普遍认为是可靠的。基于这个观点，本发明亦对下行控制信道不做特殊考虑。

3.2技术参数

(1)正交矩阵

本发明中使用NxN的正交矩阵W，其中w_i，j表示第i行，第j列的元素，为本发明所需的关键技术参数。其生成方式不做任何限制。各终端在碰撞发生后将使用相应的元素调整发送信号，同时热点通过该矩阵对多次收到的信号处理，以达到分离碰撞后信号的目的。

(2)控制帧

本发明包含五种控制帧，分别为ACK/NACK帧，重发帧，导频分配帧，禁止发送帧。各帧长度相同，1字节为帧类型，2-4字节为目的地址。后K字节为控制信息。对于ACK/NACK，终端不需额外信息，K所以可全为0；对于重发，K为因子w；对于导频分配，K为导频或者导频号；对于禁止发送，K为禁止发送的持续时长(单位：时隙)。

如果必要，各帧可以增加额外比特以支持其它必要的功能。

3.3协议过程

(1)AP分配各终端的导频

当系统完成节点的发现和动态地址分配功能后，对于每一个终端，等待AP的导频分配信令。AP根据现有导频分配情况，分配给每个终端未使用的导频，并通过下行信道发送给相应终端。终端接收到导频分配信令后，储存对应的导频以在后续发送中使用。此时，终端进入空闲状态。

(2)终端的发送

当终端A拟向AP发送数据，A需在最近的时隙开始时进行发送帧，每帧包含导频和数据。发送完毕后等待AP响应。

(3)AP的响应

AP在每时隙都检测上行信道。对任意时隙，若接收到信号，其应使用已分配的导频序列分别对接收信号的导频持续时间的积分运算。因为导频正交，所以当某导频对应的结果不为零或大于某一门限时.说明该导频对应的终端正在发送信号。于是AP可以确定在此时隙发送信号的终端数N及各终端的终端号。

当N＝1时，说明未发生碰撞。AP对该帧进行译码(如果使用编码)，并根据结果对相应终端发送ACK/NACK帧。此时隙结束。

当N＞1时，说明发生碰撞，则：

1.根据碰撞终端数N，AP确定一个NxN的正交矩阵W_N(其中元素为w_i，j)。将碰撞的各终端与W的每列一一对应(j＝1，2...N对应N个终端)。

2.AP广播禁止发送信令，内容为N-1。

3.在接下来的N-1个时隙中(包括当前)，记作时隙i(i＝2，3，4...N)，AP分别发送重发帧给对应的终端j，其中内容为w_i，j。

4.在接下来的N个时隙(包括当前)，AP储存接收到的信号Y＝y₁，y₂...y_N。

5.在第N时隙，AP做矩阵运算

其中W^H为W_N矩阵的共轭转置，Y＝y₁，y₂...y_N，为处理后得到N行1列的向量，其中N个量分别对应N个终端

经过处理后的独立的接收信号。接着AP对此N个量分别进行译码，根据结果分别对相应的终端发送ACK或者NACK帧。此N时隙结束。

(4)终端的响应

任意终端在接收到AP的控制信令信号后，检测信令的类型并做出相应的行为。若接收到ACK或NACK，说明之前发送的帧被或未被AP成功接收；若接收到重发帧，则继续扫描该帧后面的内容，以确定w_i，j，并重发乘以w_i，j的上一个数据帧；若接收到禁止发送帧，则继续扫描该帧后面的内容，以确定禁止时长，并停止发送活动直到超过时长，接收到重发帧或ACK/NACK。

(5)任意终端在被分配完导频后则进入空闲状态。在任意其它状态结束后，终端都转到空闲状态。

(6)对于任意在禁止发送状态期间的终端，若产生需要发送的数据，可根据系统的需求进行(但不限于)缓存或忽略。本发明不做专门限制。

本发明和已有技术相比，有如下特点：

1)发送端(终端)不需对发送信道进行任何侦听行为，而可以在需要发送数据时，于最近时隙进行发送。使其方便应用于各种信道。

2)本发明在处理碰撞时，各碰撞终端无需进行随机退避，因此增加了信道的使用效率，特别是在网络负载增大，碰撞多发的情形下。从而使接入系统的吞吐量提高，并在高负载是保持较高的水平。同时，系统中数据帧的平均时延和其随负载增长的变化速度也有显著的降低。

3)本发明使用HARQ扩展时间维度，实现多用户的正交接入。同时，再经过合并处理后的各数据信号的性噪比随碰撞终端数量的增大而增加。因此本发明可以更好的抵御信道的深衰落。这是一种无线衰落信道中的典型现象，因此本发明在无线信道中具有更好的抗干扰性能和抗衰落能力。

4.附图说明

图1为P-ALOHA工作原理

图2为S-ALOHA工作原理

图3为终端数为2时本发明与S-ALOHA的吞吐量性能比较

图4为终端数为2本发明与S-ALOHA的时延性能比较

图5为终端数为10时本发明与S-ALOHA的吞吐量性能比较

图6为终端数为10本发明与S-ALOHA的时延性能比较

5.具体实施方法举例

为了进一步说明本发明的实施方法，下面给出一些实施例。这些示例仅表示对本发明的原理性说明，不代表本发明的任何限制。

在本实施例中，时隙长度归一化为1。无保护间隔。

正交矩阵W每行的模为常数(等于碰撞数N)。

采用FDD区分上下行信道。AP广播重发帧，其中包含所有碰撞终端需要的信息，各终端扫描所需的wi，j。(即所有碰撞终端同时得到重发信息。)

禁止发送期间，终端产生的数据被忽略。

所有节点出于同步状态，包括：码片同步、帧同步，以及解调时是必需的载波同步。

情景1：系统由两个终端A，B和AP组成。

对于任意时隙，若只有A或B发送数据，无碰撞产生，通信互不干扰。若某时隙，A，B同时发送数据，则发生碰撞，则AP接收到的信号为：

y₁＝h₁x₁+h₂x₂+z₁                (1)

AP通过导频得知A，B发生碰撞，则AP先广播禁止发送，接着发送重发帧，告知A的加权为1，B的加权为-1。则在下一个时隙，A发送x₁，B发送-x₂。于是，AP接收到的信号为：

y₁＝h₁x₁-h₂x₂+z₂                (2)

这两次发送写成矩阵形式就是：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_1& h_2\\ h_1& -h_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{z}_1\\ z_2\end{array}\right)---\left(3\right)$

也即

Y＝HX+Z                         (4)

AP对Y做如下处理：

$\tilde{Y}=H^{H}Y=\left(\begin{array}{c}2{\left|h_1\right|}^2{x}_1+h_1^{*}(z_1+z_2)\\ 2{\left|h_2\right|}^2{x}_2+h_2^{\′}(z_1+z_2)\end{array}\right)---\left(5\right)$

于是，两个终端的发送数据被完全分离，分别对应(5)中的两行数据。同时信噪比比第一次传输还高3dB。

对于本情景所描述的系统，采用本发明时的可能效果如图3，4所示。图3是仿真得到的吞吐量性能，图4是平均时延性能。仿真条件如下：AWGN信道，信噪比为4.7dB。编码为LDPC(864，1152)，SPA译码，最大迭代次数为20。BPSK调制。图中给出了S-ALOHA相关性能作为对照。

图3、4的横坐标是系统的负载G，即系统中数据泊松到达的强度。从图3中可以看出，在负载高于1时，本发明所提协议可显著提高吞吐量。与对照方法相比，本发明不会出现门限效应，同时，在负载足够高的时候，本发明的吞吐量可以趋近于1。在另一方面，图4中的时延性能比较，在不同的网络负载条件下，本发明产生的平均时延都要小于对照方法。

情景2：系统由多个终端(大于3)和一个AP组成。

在本情景中，设A，B，C在同一时隙向AP进行发送，于是AP在接收到信号后通过导频检测，得知3个终端的数据发送碰撞。接下来AP将广播内容为2禁止发送信令，告知所有终端禁止后两个时隙的发送。接下来的过程与情景1类似，此处不再赘述。不同的是除终端A、B、C外，其它终端不会收到AP的其它控制信令，于是这些终端将等待禁止时长逾时才会进行新的发送活动。同时，在类似公式(5)的处理后，得到3个独立的接收信号的信噪比增益为4.7dB(随碰撞终端数的增加而增长)。

对于本情景所描述的终端数为10的系统，采用本发明时的可能效果如图5、6所示。

图5是仿真得到的吞吐量性能，图6是平均时延性能。仿真条件与情景中所述相同。

从图中可以看出，在多终端和高负载的条件下，本发明的吞吐量和时延性能提高更加明显。

Claims (5)

1.一种基于混合自动重传的随机接入协议，它通过跨层的重传方式，达到分离多路碰撞信号目的，从而解决多用户随机接入的问题，使得多用户共享信道进行通信。

2.权利要求1所述之混合自动重传一种综合了前向纠错控制技术和自动请求重传技术的纠错技术。其中前向纠错控制技术可以是任意的编码。

3.权利要求1所述之跨层，指的是结合物理层与数据链路层(MAC层)。

4.权利要求1所述之重传方式，是指用户重传时在信号前乘以一系数，使得多次碰撞后的接收信号可经过处理。处理后，使得多用户正交，每个用户的信号能够被更加可靠的接收。

5.权利要求1所述之通信，其特征是：

(1)AP分配各终端的导频

当系统完成节点的发现和动态地址分配功能后，对于每一个终端，等待AP的导频分配信令。AP根据现有导频分配情况，分配给每个终端未使用的导频，并通过下行信道发送给相应终端。终端接收到导频分配信令后，储存对应的导频以在后续发送中使用。此时，终端进入空闲状态。

(2)终端的发送

当终端A拟向AP发送数据，A需在最近的时隙开始时进行发送帧，每帧包含导频和数据。发送完毕后等待AP响应。

(3)AP的响应

AP在每时隙都检测上行信道。对任意时隙，若接收到信号，其应使用已分配的导频序列分别对接收信号的导频持续时间的积分运算。因为导频正交，所以当某导频对应的结果不为零或大于某一门限时，说明该导频对应的终端正在发送信号。于是AP可以确定在此时隙发送信号的终端数N及各终端的终端号。

当N＝1时，说明未发生碰撞。AP对该帧进行译码(如果使用编码)，并根据结果对相应终端发送ACK/NACK帧。此时隙结束。

当N＞1时，说明发生碰撞，则：

1.根据碰撞终端数N，AP确定一个NxN的正交矩阵W_N(其中元素为w_i，j)。

将碰撞的各终端与W的每列一一对应(j＝1，2...N对应N个终端)。

2.AP广播禁止发送信令，内容为N-1。

3.在接下来的N-1个时隙中(包括当前)，记作时隙i(i＝2，3，4...N)，AP分

别发送重发帧给对应的终端j，其中内容为w_i，j。

4.在接下来的N个时隙(包括当前)，AP储存接收到的信号Y＝y₁，y₂...y_N。

5.在第N时隙，AP做矩阵运算

其中W^H为W_N矩阵的共轭转置，Y＝y₁，y₂...y_N，为处理后得到N行1列的向量，其中N个量分别对应N个终端经过处理后的独立的接收信号。接着AP对此N个量分别进行译码，根据结果分别对相应的终端发送ACK或者NACK帧。此N时隙结束。

(4)终端的响应

任意终端在接收到AP的控制信令信号后，检测信令的类型并做出相应的行为。若接收到ACK或NACK，说明之前发送的帧被或未被AP成功接收；若接收到重发帧，则继续扫描该帧后面的内容，以确定w_i，j，并重发乘以w_i，j的上一个数据帧；若接收到禁止发送帧，则继续扫描该帧后面的内容，以确定禁止时长，并停止发送活动直到超过时长，接收到重发帧或ACK/NACK。

(5)任意终端在被分配完导频后则进入空闲状态。在任意其它状态结束后，终端都转到空闲状态。

(6)对于任意在禁止发送状态期间的终端，若产生需要发送的数据，可根据系统的需求进行(但不限于)缓存或忽略。本发明不做专门限制。

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