CN102300318A - 一种基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应学习模型，用以优化分布式无线局域网内多信道分配问题的方法。本发明基于正交频分复用技术，利用物理层的干扰附加模块和干扰检测模块，为介质访问控制子层提供信道分配信息，从而帮助分布式节点在非协作条件下自适应选择非冲突信道进行传输。干扰附加模块利用通信干扰技术，将信道分配信息编码到干扰信号中，与数据信息同时传输。原始数据接收节点通过干扰抵消模块将干扰信号消除，获得原始数据。每个节点储存一个信道接入策略，标明控制信号与其对应接入的信道。节点根据检测的控制信号，利用信道分配模块调整和学习信道接入策略，从而最终达到多信道时分复用的效果，避免传输协作信息消耗网络资源。

Description

一种基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，即利用自适应学习模型来优化分布式无线局域网多信道资源分配的方法。该方法可以实现非协作式的多信道自适应分配功能。本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

博弈论作为一种策略分析方法，近年来被广泛应用于分布式无线局域网。如码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)网络中的上行链路功率控制，以及协作通信网络中的资源（功率、带宽）分配。在博弈论中，通常假定每个用户都是一个理性的决策者，也就是说，每个用户都是以其自身效用最大化作为目标来选择决策行为。在这种情况下，如果每个用户无法控制其它用户的决策行为，在其进行决策的过程中不考虑其它用户的影响，那么我们把用户的这种行为称作非合作性，这种博弈称为非合作博弈。由于这种非合作性是通信网络中用户所具有的一种普遍行为，因此非合作博弈被广泛用于分析通信网络中的资源分配问题。在非合作博弈问题中，每个用户都在追求自身效用的最大化，而不考虑其它用户。而在分布式分配过程中，每个用户的信息是不完全的，要通过历史经验学习最优策略。

随着正交频分复用多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术的广泛应用，宽带资源越来越细化，承载的数据率越来越高，使得多载波和多信道传输成为必然趋势。OFDMA是一种结合时域和频域多路存取的调制方式，时域上分为若干时隙，频域上分为若干子载波，节点在同步定时的基础上，在不同时隙使用不同子载波进行传输。在分布式无线局域网中，传统的多信道分配方式需要消耗大量协调信息，包括节点间的信道分配协调和发送接收端传输协调，而且通常都会设定一条公共控制信道，用来进行控制帧的交互，并通过交互选择合适的数据信道用来传输数据。因此，将博弈论模型引入分布式无线局域网的多信道分配问题具有很高的实际意义。当节点通过自适应的方式选择信道，可以极大地避免通信资源的浪费。

通常，引入博弈论的无线网络的介质访问控制子层协议（MAC，Media Access Control）把各个自治节点的动态操作映射成博弈游戏中的每个成员进行分析，而信道分配问题就可以建模成一个博弈的输出。其数学描述的一般形式如下所示：

Γ= {N, {Si}i∈N,{Ui}i∈N}

其中N是博弈者的集合，Si是博弈者i的策略集，定义S=∪ Si，i∈N 为策略空间，则Ui:S→R 是效益函数集。对于博弈Γ中的每一个博弈者i，效益函数Ui是博弈者i选择的策略Si和其对手策略S-i的函数。由于各博弈者均独立决策并且受到其它博弈者决策的影响，进行博弈结果分析的一个关键问题是判断信道选择算法是否存在收敛点，这个收敛点对于任何用户都不会产生偏移，即纳什均衡。

本发明可以在不损耗原有通信带宽的情况下，令分布式网络节点自适应学习信道分配，减少冲突，增大整体的信道使用率。

经检索发现，以往解决分布式节点多信道分配问题的方法可以概括为三个方面：专用控制信道、专用控制时隙和跳频技术。专用控制信道即指定了单独的某一个信道为分布式节点争用信道，而专用控制时隙在数据传输之前为分布式节点指定了统一时隙和统一信道进行竞争。以上两种方式的专用信道和专用时隙并不能很好地解决分布式节点的多信道分配问题。在负载少时容易造成资源浪费，而负载多时容易造成竞争瓶颈。调频技术令分布式节点服从统一的信道转换规律。节点在每个时隙的开始进行转换，转换完毕开始进行信道争用。获得传输权的节点留在该信道传输数据，而其他节点转换到下一个信道继续竞争。调频技术可以在一定程度解决专用控制信道或时隙的瓶颈问题，但是信道转换时间容易造成浪费，因此也不能很好解决分布式网络的多信道分配问题。

申请号为201110054796.5，申请日为2011年3月8日的国内发明专利申请公开了一种多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法。该方法采用公共信道分配方式和基于流的信道选择算法收集当前邻居范围内的信道干扰状况，然后为每条新加入的流选择使路径干扰最小的信道，以达到信道资源负载均衡和最大化吞吐量的目的。该方法仍未解决当节点过多使得公共控制信道趋于饱和的时候，所有的协商都无法顺利进行的问题。而本发明所述基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法采用子载波编码技术，使接收方能够在多个信道上检测信号，提高多节点之间同步效率，大幅提高网络的吞吐量。

申请号为200680000028.9，申请日期为2006年2月3日的国内发明专利申请公开了一种多类多信道无线LAN等的最佳信道分配方法，用于改进无线局域网的总吞吐量的系统，其包括至少一个接入点，该接入点配备有至少一个被配置为同时利用多个信道在多个频率进行发送和接收的收发机，并且所述接入点被配置为获取用户的信道条件并基于所述信道条件在所述信道上集中用户的集合。该方法使用集中式的接入点对信道进行分配，未解决分配信道时公共信道的瓶颈问题。而本发明所述基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法本发明支持多个发送节点向一个接收节点在不同的信道上同时进行协商，提高多节点之间同步效率，大幅提高网络的吞吐量。

申请号为01122619.6，申请日期为2001年6月26日的国内发明专利申请公开了一种分配信道以相应服务无线通信系统的无线终端业务请求的方法。该方法通过为每个小区或扇区制定信道组的优先权列表来有效执行信道分配，并在业务请求时从具有可用信道的最高优先权组中选择一个信道分配以响应业务请求。优先权列表是基于所做的干扰测量制定的，优先权列表在相对较长的时间内趋于保持不变。该方法并不能保证各小区接入信道的公平性，并且在业务量过大时无法灵活的处理紧急需求。本发明利用纳什均衡，可以使节点自适应信道分配，从而保证节点接入信道的公平性，并且灵活适应不同的负载需求。

本发明提出了一个新的信道资源分配的方法，能够解决分布式无线局域网的多信道高效分配问题，提高网络总吞吐量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何在不占用原有信道带宽的基础下，为多信道分布式无线局域网节点提供足够控制信息，达到非协作式即隐式协作信道分配，更高效地利用多信道进行传输，提高网络总吞吐量。

在传统的分布式无线局域网中，多信道分配不是依赖节点间昂贵的协作通信，就是利用竞争方式随机选择。以上两种方式都不能有效地利用多信道资源进行传输。本发明旨在通过有效节约信道资源的隐式协作自适应学习模型来优化多信道的资源分配问题。

为实现上述目的所采用的技术方案是，为所有节点设计一个可以共享的协调信号。节点同时配备第二根天线，可以在发送数据的同时随时监听到这个协调信号。根据监听到的协调信号，节点为其信道接入策略拟定参考基准，经过学习和调整自己的策略，最终达到时分复用的效果，即每个节点在某个时刻都可以无冲突地利用其中一个信道进行传输。

具体地，利用物理层的干扰附加模块，将协调信号编码到干扰信号中，以附件的形式附加到数据信息中。节点利用干扰检测模块得到协调信号，再根据介质访问控制子层信道分配模块的自适应学习模型，调整信道接入策略。当学习模型达到纳什均衡时，分布式节点可以达到时分复用的效果，从而避免节点接入冲突，达到多信道的最大利用率。

干扰附加模块利用物理层的OFDMA调制技术，产生协调信号并将其编码到人为的干扰信号中。OFDMA规范将整个信道划分为n个子载波，本发明进一步将每m个子载波组合成一个子信道，自顶向下依次编号为0至m-1。节点在某个时隙利用其中一个子信道传输数据。协调信号为一个长度为m的随机向量，独立于信道和节点存在。协调信号产生方式为：每个节点在发送数据之前，在0-(C-1)内随机选取一个数值作为自己的协调信号分量之一，自干扰到自己的数据信号上，与数据信号同时发送到子信道中。这样每个子信道在每一个时刻t，都会有一个协调信号分量。所有的分量构成一个时刻t的协调信号向量 (Kt )→=[C1, C2 ,…Ci]。由此我们可以获得全局协调信号。协调信号的随机性保证了信道分配算法的公平性和收敛性。当二进制的协调信号向量中某一位为1时(例如，第n位，(n<m))，信道中相应的编号为n的子载波携带一个窄带干扰信号。为了保证在分布式的网络中，节点可以在任意时间检测到干扰信号，干扰附加模块采用一种循环干扰的方式，令正交频分多路复用平台中每一个符号上携带相同的干扰。这样，即使其他节点并没有在数据传输的起点开始检测，依然可以获得完整的控制信号。循环干扰保证了分布式网络的正常运作。

干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在数据信号中的干扰信号。窄带的干扰信号相比宽带数据信号含有较高的能量。当节点检测到某一子载波中包含相对高的信号能量时，该子载波有很大概率上携带了窄带干扰信号。因此，节点可以利用能量检测器来判断相应每个子载波是否携带干扰信号，从而获得协调信号向量。

在数据信号接收端，干扰消除模块用来消除干扰信号，还原并解调出原始数据信号。OFDMA调制技术的训练序列含有信道估测符号，根据信号相关性理论，某一子载波的信道估测值可以由其相邻子载波的估测值计算得出。因此该模块仅使用一部分子载波估测信道，剩余子载波则用来记录干扰信号强度。数据信号接收端根据训练序列中记录的干扰信号强度，将接收到的混合信号与干扰信号相抵消，即可得到原始的数据信号。

介质访问控制子层的信道分配模块为每个节点储存一个信道接入策略和自适应信道分配算法。假定协调信号值域为C:= {0, 1, . . . ,C − 1}, 信道值域为S:= {1, 2, . . . ,S}, 节点i的策略集合为fi : C→{0} ∪S。在时刻t，对于监测到的协调信号Ct，节点总有策略fi(Ct)=St或者fi(Ct)=0。fi(Ct)=St表示节点使用信道St，fi(Ct)=0表示节点暂停发送。网络初始化时，对于每一个协调信号c∈C，节点随机选择一个对应信道作为初始化值。在网络启动时，节点利用以下方法自适应接入策略：

1.在时刻t，如果fi(Ct)>0，那么节点在相应的信道发送数据。如果fi(Ct)=0，那么节点不发送任何数据，而是随即选择一个信道监听mi(t) ∈S；

2.如果节点发送数据，那么它根据是否有ACK确认字符回应来判断数据是否发送成功。如果数据发送成功，那么节点保持fi(Ct)的策略不变，如果发送失败，那么节点根据概率p设置fi(Ct)：=0；

3.如果节点没有发送数据，而是随机选择信道监听，那么如果该信道此时没有被数据传输所占用，节点设置fi(Ct)= mi(t)。

该方法可以保证其收敛性，即该方法可以在很短时间内达到信道分配的动态平衡。同时，该方法能够保证节点接入信道的公平性，即节点的策略都是独立完成的，因此节点在同一时刻都有等同的机会发送数据。假设有S个信道，N个节点，那么每个节点发送数据的机会是S/N。本发明用一个随机数Xi来标识节点赢得的发送机会。Xi符合二项分布，其分布参数为 (C, S/N)。通过这个随机数X，本发明用Jain's Fairness Index来衡量节点发送机会的公平性。Jain's Fairness Index定义为：

其中 0<J(X)≤1.当J(X)接近1时，则认为该算法足够公平。将随机数X带入述公式，可以得到关于N、C、S的J(X)，M为节点的数量：

本发明利用隐式协调的多信道自适应算法，能达到的有益效果如下：

基于正交频分多路复用平台，但也可相应地扩展到其他无线传输平台。

有效的将协调附加到原始数据信号中，使数据信号和协调信号同时传输，不影响原始数据信号的带宽；

协调信号的随机性产生保证了其独立性和有效性；

协调信号的编码保证节点可以在任何时间简单而快速的解码出需要的协调信号；

自适应的信道分配算法利用物理层的协调信号进行策略调整，保证了算法的收敛性和公平性，最终使分布式网络达到时分复用的效果。

附图说明

图1为协议流程图；

图2为干扰附加模块示意图；

图3为干扰抵消模块示意；

图4为时域流程图。

其中图2中所示实线波形为原始数据信号，虚线波形为附加的窄带控制信号。

其中图3中所示黑色圆圈为导频，条纹圆圈为干扰信号。

其中图4中SIFS表示帧间最短时间间隔。

具体实施方式

参见图1，每个节点储存一个信道接入策略。如果节点在时隙t有数据要进行发送，则根据t-1时刻监测到的协调信号fi(Ct-1)进行信道接入判断。信道接入策略指出，如果fi(Ct-1)=0，那么节点推迟发送，并随机监控一个子信道Sj，同时利用第二根天线监听此时的协调信号Ct。如果此刻子信道个子信道Sj空闲，那么节点将接入策略改为fi(Ct-1)=Sj。如果fi(Ct-1)=St，那么节点在时隙t接入子信道St，利用St进行数据发送，同时利用第二根天线监听此时的协调信号Ct。

参见图1，当传输完成之后，当节点完成数据发送之后，转到监听模式等待ACK。如果节点在时隙t内收到ACK，那么数据发送成功，节点保持此时的接入策略fi(Ct-1)=St，等待下一个时隙t+1的发送。如果节点没有见接收到ACK，那么表明此时传输失败，又很大可能在该子信道上发生了冲突。因此节点设置fi(Ct-1)=0，并等待下一时隙重新发送。

如图2所示，如果节点进行数据传输，则随机选取一个不大于m的自然数作为自己协调信号分量，并附加到自己的数据信号中与其共同传输。图2中虚线信号表示窄带干扰信号，实线信号表示原始数据信号，窄带干扰信号带宽远小于数据信号，以此保证其波形完全包含在数据信号波形之中。干扰附加模块保证在不影响原始数据信号带宽的情况下，尽量携带足够多的控制信号。

在接收端，节点根据图3所示抵消干扰信号，恢复原始数据。图中有两个子信道，每个自信道上分别有一个数据传输正在进行。每个接收节点在开始接收数据时，先记录前导码中空闲子载波上干扰信号，如图4中子信道1和2上的第二号子载波分别携带了干扰信号。在随后的数据信号中，这两个子载波携带了叠加了数据信号和干扰信号的混合信号。节点根据前导序列中记录的干扰信号，从混合信号中消除干扰信号而获得原始数据信号。在进一步解调和解码，接收节点可以获得自己需要的数据信息。

图4描述了本系统在时域上的流程图，每个时隙上所有子信道的协调信道分量组成一个统一的协调信号向量。每个节点在时隙开始的时候选择自己的协调信号分量，与数据信号同时传输。各个信道上的协调分量组成了该时隙的协调信号。如图4所示，在时隙t1时候，子信道1、2、3上的协调信道分量分别为2、3、1。因此，此时的协调信号为C_t1={2,3,1}。当下一个时隙t2开始时，节点根据前一个时隙t1的协调信号C_t1决定自己在该时隙的信道选择接入策略，此时的协调信号为C_t2={1,0,3}。

Claims (10)

1.一种基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：基于正交频分多路复用平台等分布式无线网络平台，在数据发送端加入干扰附加模块，在数据接收端加入干扰检测模块和干扰抵消模块，将携带信道分配信息及控制信息的干扰信号叠加到原始数据信号中进行同时传输，为所有节点设计一个可以共享的协调信号；节点利用配备的第二根天线，在发送数据的同时随时监听到协调信号，再根据介质访问控制子层信道分配模块的自适应学习模型，调整信道接入策略并选择非冲突信道进行传输，达到多信道时分复用的效果，避免传输协作信息消耗网络资源。

2.根据权利要求1所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：可基于正交频分多路复用平台，也可相应地扩展到如WPAN等其他分布式无线传输平台。

3.根据权利要求1所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：干扰附加模块将协调信号编码到干扰信号中，以附件的形式附加到数据信息中，即每m个子载波组合成一个子信道，每个节点在发送数据之前，在0-(C-1)内随机选取一个数值作为自己的协调信号分量之一，自干扰到自己的数据信号上，与数据信号同时发送到子信道中，采用一种循环干扰的方式，令正交频分多路复用平台中每一个信号上携带相同的干扰。

4.根据权利要求3所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：当二进制的协调信号向量中第n位为1时，表示信道中相应的编号为n的子载波携带一个窄带干扰信号。

5.根据权利要求1所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在数据信号中的干扰信号，以获得协调信号向量。

6.根据权利要求1所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：干扰消除模块仅使用一部分子载波估测信道，剩余子载波则用来记录干扰信号强度，数据信号接收端根据训练序列中记录的干扰信号强度，将接收到的混合信号与干扰信号相抵消，即可得到原始的数据信号。

7.根据权利要求1所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：介质访问控制子层的信道分配模块为每个节点储存一个信道接入策略和自适应信道分配算法。

8.根据权利要求7所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：在网络启动时，采用以下方法自适应接入策略：在时刻t，如果fi(Ct)>0，那么节点在相应的信道发送数据；如果fi(Ct)=0，那么节点不发送任何数据，而是随即选择一个信道监听mi(t) ∈S。

9.根据权利要求7所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：在网络启动时，采用以下方法自适应接入策略：如果节点发送数据，那么它根据是否有ACK确认字符回应来判断数据是否发送成功；如果数据发送成功，那么节点保持fi(Ct)的策略不变，如果发送失败，那么节点根据概率p设置fi(Ct)：=0。

10.根据权利要求7所述的基于物理层干扰信息的多信道分配优化方法，其特征是：在网络启动时，采用以下方法自适应接入策略：如果节点没有发送数据，而是随机选择信道监听，那么如果该信道此时没有被数据传输所占用，节点设置fi(Ct)= mi(t)。

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