CN102368858A - 一种有效数据与协调信息并行传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正交频分多路复用平台，利用无线频域特性来实现有效数据与协调信息并行传输的多路访问机制。该机制能有效地解决无线网络中多路访问的传输协调问题。本发明分别通过在发射终端植入干扰发射模块和在接收终端植入干扰探测模块，干扰消除模块和附带信息分析模块来加强现行物理层结构的功能，从而建立新的多路访问机制。运用这些新加入的模块，能够将少量信息通过特殊编制加载到干扰信号中，再在接收端将有效数据与此干扰信号进行检测、分离和还原，最终实现有效数据与协调信息并行传输，在不额外消耗网络资源的同时，有效地实现无线网络中多路访问传输协调，解决现行标准中低利用率的问题。

Description

一种有效数据与协调信息并行传输的方法

技术领域

本发明涉及一种基于正交频分多路复用（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM）平台，利用无线频域特性来实现有效数据与协调信息并行传输的多路访问机制。该机制能有效地解决无线网络中多路访问的传输协调问题。本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

多路访问中的传输协调问题是无线网络中的经典问题。由于无线射频在空气中通常是通过广播的方式进行传输，当多个无线射频在接收终端叠加时，会造成信号冲突（Collision），最终导致接收终端的数据包出错。因此，如何简单有效地处理好多用户传输之间的协调问题直接影响着整个无线网络的发展。

目前的传输协调机制主要分为带外管理和带内管理。带外管理需要额外分配一条信道进行协调信息的传输。工作终端需要频繁在协调信息信道和数据传输信道间进行切换，导致庞大的切换开销。另外，这种机制消耗了一整条信道专门只为协调信息传输，对于现在有限的网络资源来说，这种机制的代价比较昂贵。而带内管理指有效数据和协调信息在同一条信道进行传输。现行IEEE802.11标准采用载波监听多路访问机制（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）属于带内管理。

载波监听多路访问机制要求设备在发送数据包之前要对信道进行监听，透过侦测工作频带中的电磁波能量来确认频道是否空闲。若发现空闲也不立刻送出数据包，而是自行产生一随机数来当作延迟的时间，当在延迟期间侦测到频道忙碌时，则此随机时间会被冻结，直到再度确认频道空闲时再启动随机时间，到达延迟时间后才将数据包送出。

但是，此机制为了降低由于数据包冲突而造成的高丢包率，以额外消耗有限的网络资源为代价，专门分配一段信道时间进行信道竞争和协调信息的传输（随机延迟）。随着传输速率的日渐提高，相同大小的数据包传输时间会大大减少，反观信道竞争与协调时间则保持不变，从而会导致分配给发送协调信息的时间比例相对增加，使整个网络资源的有效利用率大大降低。例如，现行IEEE 802.11n的成品虽然能够拥有高达300Mbps的物理层传输速率，但由于CSMA的限制，其有效传输速率大概只能达到60Mbps（有效利用率约为20%）。

申请号为97181988.2，申请日期为1997年12月23日的国内发明专利公开了一种使用码违例的辅助信道的方法，该方法提出一种将来自两个源的信息同时进行传输的方法。该发明通过将其中一个信息的掩膜与编码输入信号进行异或引入差错控制编码的违例，然后在接收终端重新将一组掩膜与数据流进行异或，通过差错控制码校验的结果来对原有两个信息进行重新的分离和还原。本发明同样实现有效数据与协调信息并行传输，但是本发明能够应用在正交频分多路复用的平台，并且利用其频域的特性，通过主动加入干扰信号来实现两种信息的并行传输。此外，本发明还提出与此技术相应的新的多路访问机制，能够解决现行无线局域网通用标准的低利用率问题，在不额外消耗网络资源的前提下，有效地进行无线网络中多路访问的传输协调。

本发明提出了一个新的多路访问机制，能够解决现行无线局域网通用的低利用率问题，在不额外消耗网络资源的前提下，有效地进行无线网络中多路访问的传输协调。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种利用无线频域特性来实现有效数据与协调信息并行传输的多路访问机制，在不额外消耗网络资源的同时，加强现行物理层结构的功能，基于新加入的模块建立新的多路访问机制，从而有效地实现无线网络中多路访问传输协调，解决现行标准中低利用率的问题。本发明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。

为了实现上述目的所采用的技术方案是：在信号发射终端加入干扰发射模块，在信号接收终端加入干扰探测模块、干扰消除模块和附带信息分析模块，以加强现行物理层结构的功能，基于新加入的模块建立新的多路访问机制。

本发明根据新的功能模块建立的多路访问机制如下：以一个网络接入点（AP，Access Point）的情况为例，当接收到数据包的时候，AP会同时先解析出有效数据信息与附带信息。有效数据信息会直接递给上层的应用，而附带信息则会被AP收集起来用作整个网络的协调。根据这些附带信息，AP可以知道网络里潜在的发包者从而建立起一个发包者列表。然后基于这个列表，AP可以根据各个用户的需要来安排下个发包者。具体地说，AP会将发包者列表的标识符加载到确认包（ACK）里然后广播。在用户端，当用户接收到这些ACK时，就可以决定自己是否是下一个发包者。由于每个发包者都会收到这个发包者列表，因此能够清楚地知道网络里发包者的顺序。AP发包给用户的情况也是类似的。

另外，网络里的每个用户都会随时加入或离开。在网络最初开始运行时，AP会负责分配给每个用户一个并且是唯一的子载波。在这之后，一些长时间不发包的用户会被AP视为离开而取消其分配所得的子载波。另一方面，当有此时有新用户加入时，首先需要监听网络里AP广播的确认包。因为这个确认包里包含子载波的应用信息，所以新用户可以根据这个信息选用一些没有被分配的子载波，然后利用这个子载波给AP发送请求。

具体的模块信息如下：

在发射终端原有信号发射模块的基础上，再新加入一个干扰发射模块。此模块能够通过特定的编制，把少量协调信息加载到强烈干扰信号中。此编制信息称为“附带信息”，而通过原来发射模块的信号携带的信息称为“有效数据”。

在接收终端，分别植入三个新模块：干扰探测模块、干扰消除模块和附带信息分析模块。

干扰探测模块通过对接收终端的传输能量进行分析。在本发明中，有效数据和噪声的能量会平均分配到频谱当中。因此当在某个子载波探测到突发的加强信号，即有效数据与干扰信号叠加在一起的信号时，可以认为是干扰信号造成的结果。通过对特定编制的干扰信号即附带信息进行简易辨认，以此来触发干扰消除模块与附带信息分析模块的运行。这个信号探测具有两方面的作用：其一，每一个新加入的用户将获得AP分配的一个唯一的子载波，用户需用通过这个特定的子载波来发送传输请求。因此，当AP在某个子载波探测到干扰信号时，就能确认网络中的潜在发包用户，以此来进行适当的安排和调配。其二，由于在设计中加入主动的干扰信号，因此原有无线系统的解码器无法对与干扰信号叠加一起的有效数据信号进行解码。所以，干扰探测模块能够在准确探测特定的干扰信号存在的同时，触发干扰消除模块和附带信息分析模块的运行来成功地解析出有效数据包和负载的协调信息。

干扰消除模块能够将接收终端获得的由干扰信号与有效数据信号组成的叠加信号重新进行分离和还原。具体来说，就是把在接收终端获得的叠加信号重新分离，消除其中干扰信号的影响从而成功恢复有效数据的信号并对其进行正常解码。对于原有的传输模块，这种叠加信号是无法直接进行解码的。而本发明当中的干扰消除模块主要利用了正交频分多路复用（OFDM）传输中频域的特性来成功对此叠加信号进行分解还原。

在正交频分多路复用的网络里，时间、频率的同步和信道状况的估计都是基于传输数据包包头的前导符号（Preamble）来完成的。由于信道间具有关联性（相邻子载波的关联性），每个子载波的信道估计可以根据相邻的子载波的信道估计，利用插值原理来完成。因此，通常情况下只需利用一半的子载波即可完成信道估计。本发明把空闲的一半无需用来做信道估测的子载波称为干净符号（Clean Symbol）。一般情况下，在信道预测阶段，干净符号的这些子载波频段没有信号。本发明中，干净符号用以记录纯干扰信号，用以恢复有效数据信号。

无线传输当中，在采样间隔为T的时间内，在接收终端接收到的信号通常可以用一系列离散的复数符号来表示。由于经过信道的转变，这些接收到的信号会在振幅和相位上与在发射终端处的起始信号有所不同。例如，在没有干扰信号的情况下，经第i个子载波发送的有效数据x[t]可以表示为如下：

其中，

。在这个式子里面，模值h表示信道的衰减程度，角度jw则表示相位的偏移，而w[t]则表示环境的噪声值。

在本发明中，在干扰信号存在的情况下，干净符号接收到的信号可以表示为如下：

其中，

表示在接收终端接收到的经过信道转变的干扰信号。相应地，当有效数据和干扰信号同时发出时，在接收终端收到的叠加信号可以表示为

其中，

表示在接收终端收到的经过信道转变的有效数据信号。根据上述的公式可以推出，若要恢复有效数据的信号，需要从叠加信号里先消除干扰信号，具体可利用以下推导的式子：

其中，

可以利用信道估计获得，而

则利用干净符号来记录。基于这个原理，干扰消除模块将干扰信号与有效数据信号进行分离还原操作，并继续将干扰信号传递给附带信息分析模块进行分析利用。

本发明中经过特殊编制的干扰信号能够携带额外的附带信息，而附带信息分析模块的作用在于将此信息通过反编制取出，然后传递给上层应用为整个网络的传输协调加以利用。

基于新植入的模块，本发明实现了有效数据与附带信息这两种信号的并行传输。由于信道协调信息通常所需要的数据量很少，因此可以利用附带信息来进行协调信息的传输。在本发明中，协调信息的传输将与有效数据的传输同时进行，而无需再额外分配时间与带宽，以此节省有限的网络资源。

本发明是一种有效数据与协调信息并行传输的多路访问机制，能达到的有益效果如下：

本发明能够实现协调信息与有效数据的并行传输，节约信道并大幅提高网络的总体性能，在高速率的网络当中，其性能可高达现行标准的2倍以上。

在目前移动数据流量呈爆炸性增长的背景下，现有的蜂窝网络已无法负担庞大的数据需求，而高速、经济的Wi-Fi网络恰恰有效地弥补了蜂窝网络的不足，成为分流大数据流量的最有效途径。而本发明从根本上进一步提高Wi-Fi网络的传输速、率承载量和稳定性，有利未来无线城市的建设，比如电子政务、电子交通、旅游服务以及个人增值应用，为今后真正实现完全承载移动互联网的大规模应用和发展提供了强而有力的平台。

附图说明

图1为系统结构图；

图2为多路访问机制的演示图；

图3为干扰信号的效果图；

图4为附带信息的示意图。

其中图1中所示的有效数据发射端与附带信息发射端均属于发射终端，这两个状态的转换主要根据需要发射的信息而定。

其中图2中所示的用户1、用户2、用户3、用户4为网络中的用户，AP为网络接入点。

其中图3中所示的由虚线组成的信号代表干扰发射模块在各个子载波产生的干扰信号，而由实线组成的信号代表有效数据的信号。

其中图4中所示的黑点代表用于信道估计的前导符号，白点代表没有受到干扰的有效数据的信号，灰色点则代表受到干扰的有效数据的叠加信号。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明是基于原有的无线传输设备的基础上，分别在发射终端和接收终端加入新的模块来实现有效数据与协调信息并行传输。有效数据发射端与附带信息发射端均属于发射终端，这两个状态的转换主要根据需要发射的信息而定。这些新加入的模块主要包括在发射终端的干扰发射模块和接收终端的干扰探测模块、干扰消除模块和附带信息分析模块。下面将详细说明每个模块的实施方式。

参见图2，本发明以单个碰撞区域（Single Collision Domain）为例来说明本发明的运作机制。本例中有一个无线接入点AP和四个用户，分别为用户1、用户2、用户3、用户4。在本发明的多路访问机制中，每个新加入的用户将获得由AP分配的一个唯一的子载波（Sub-carrier）。假设在网络运行的某一时刻，信道被分配给用户1进行传输。跟传统的传输方法一样，用户1将加载着有效数据的信号发送给AP。若此时用户2、用户3、用户4都分别有数据包将要发给AP，用户2、用户3和用户4将各自的协调信息分别加载到特定编制的强烈干扰信号，然后通过各自分配的子载波将此干扰信号发出。在接收终端，通过新加入的三个模块，AP能够成功地分离并还原原有的四组信号，分别是用户1传输的有效数据，用户2、用户3和用户4各自相关的协调信息。然后AP将从接收的协调信息获知潜在的发射终端，并进一步根据既定的规则来安排信道的下一个分配人选。

具体地，当用户需要向AP发送数据包时，用户必须先向AP提出发送请求。干扰发射模块通过发送加载着协调信息的特殊编制的强烈干扰信号来进行该发送请求的传输。干扰发射模块在指定的子载波内，发射一组经过压缩带宽的正弦信号（Sine Wave）。通过压缩干扰信号的带宽，既消除由干扰信号产生的频谱泄露（Spectrum Leakage）对相邻的子载波的有效数据信号解码的影响，也消除由频率偏移（Frequency Offset）造成的数据丢失的影响。参见图3，虚线部分表示的信号就是干扰发射模块在各个子载波产生的干扰信号。

干扰探测模块采用传输能量分析机制来完成。基于混合信号能量比原始信号能量高这一特征，本模块中根据指数平均（Exponential Average）的方法设定了一个自适应的临界值。当在接收终端某子载波频段接收到的传输能量大于这个临界值时，本机制则认为在此子载波检测到有干扰信号，反之则认为是正常的数据包传输。本机制采用的根据指数平均设定的自适应临界值的计算方法所对应的伪代码（Pseudo Code）如下：

第K个子载波的干扰探测

Initialize P_avg and P_std;

P_avg = RSS(S₁), P_std = RSS(S₁);

For each transmission with n symbols {S₁，S₂….S_n};

For each S_i, i∈[1,n]

If RSS(S_i) >P_avg+λ·P_std;

Return true;

Else P_avg = α·P_avg+(1-α)·RSS(S_i);

   End If;

End For;

End For;

Return false;

本发明可以利用每个符号的干扰情况来代表1比特（Bit）的信息。例如，探测到干扰信号的符号可以代表“1”，反之，没有干扰信号的符号可以视为“0”。通常情况下，每个数据包都具有一定数量的符号，而每个符号也会分别用多个子载波来调制。因此，这个干扰信号的模板可以加以利用表示为二进制序列，即附带信息。如图4中所示，子载波2中的附带信息为“01010011001”，子载波4所表示的附带信息为“00101010110”，子载波6所表示的附带信息为“01001001010”。附带信息所利用的干扰信号是从第一个有效数据的符号开始，以最后一个有效数据的符号结束。前导符号的干扰信号用于干扰消除。因此，每个数据包的附带信息的携带总信息量为n*m比特，其中n为每个数据包中符号的数量，而m为发出干扰信号的用户的数量。

Claims (9)

1.一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：基于正交频分多路复用平台，利用无线频域特性，通过在发射终端加入干扰发射模块在指定的子载波内发射一组经过压缩带宽的正弦信号作为干扰信号，并将附带信息加载到干扰信号上进行传输；在接收终端分别植入干扰探测模块、干扰消除模块和附带信息分析模块，利用干扰探测模块根据临界值判断并触发干扰消除模块和附带信息分析模块的运行；干扰消除模块利用空闲子载波记录纯干扰信号，然后对叠加信号进行重新分离；附带信息分析模块将干扰信息携带的附带信息通过反编制取出，用于整个网络的传输协调，从而建立新的多路访问机制，有效地解决无线网络中多路访问的传输协调问题。

2.根据权利要求1所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：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。

3.根据权利要求1所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：在同步的前提下，干扰发射模块在指定的子载波内发射一组经过压缩带宽的正弦信号作为干扰信号，并将附带信息加载到干扰信号上进行传输。

4.根据权利要求3所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：附带信息即以二进制序列的形式表示子载波的干扰情况。

5.根据权利要求1所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：干扰探测模块根据指数平均的方法设定一个自适应的临界值，当在接收到的子载波频段的传输能量大于临界值，则认为在此子载波检测到有干扰信号，反之则认为是正常的数据包传输，以此触发干扰消除模块和附带信息分析模块的运行。

6.根据权利要求1所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：干扰消除模块利用正交频分多路复用传输中频域的特性，利用空闲子载波即干净符号来记录纯干扰信号，然后用于对叠加信号进行重新分离，消除其中干扰信号的影响从而成功恢复有效数据的信号并对其进行正常解码。

7.根据权利要求1所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：经过特殊编制的干扰信号能够携带额外的附带信息，而附带信息分析模块的作用在于将此信息通过反编制取出，然后传递给上层应用为整个网络的传输协调加以利用。

8.根据权利要求7所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：多路访问机制即当接收到数据包的时候，网络接入点会同时先解析出有效数据信息与附带信息，并将有效数据信息直接递给上层的应用，而附带信息则会被网络接入点收集起来用作整个网络的协调，并通过附带信息建立一个发包者列表，根据各个用户的需要来安排下个发包者，即网络接入点会将发包者列表的标识符加载到ACK确认包里然后广播，由于每个用户都会收到这个发包者列表，用户可以知道网络里发包者的顺序并决定自己是否是下一个发包者。

9.根据权利要求8所述的一种有效数据与协调信息并行传输的方法，其特征是：在网络最初开始运行时，网络接入点负责分配给每个用户一个并且是唯一的子载波，长时间不发包的用户将被取消其分配所得的子载波，当新用户加入网络时通过网络广播的确认包选用未被分配的子载波并用其给网络接入点发送请求。

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