CN102612161B - 一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于干扰消除技术，用以解决无线网络中暴露终端问题的通信方法。本发明基于OFDM调制技术，从无线局域网物理层入手，利用通信干扰技术将无线网络节点信息编码到干扰信号中。携带节点信息即控制信息的干扰信号以“附件”的形式叠加到原始数据信号中，与数据信息同时传输。这种传输方式可以极大地节省控制信息的资源消耗。原始数据接收节点利用干扰抵消技术将干扰信号消除来获得原始数据。而控制信息接收节点利用能量检测的方式将控制信息解调从干扰信号出来，以获得正在传输的节点列表。再根据从路由层获得的邻居表，节点可以判断自己是否为暴露终端，从而通过增加冲突域内并行的连接数来增大网络整体吞吐量，提高空间复用率。

Description

一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法。利用干扰消除技术解决无线网络中暴露终端问题。该方法可以有效的利用无线网络中的暴露终端进行数据传输，从而增大网络总吞吐量。本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

暴露终端是无线网络中的一个经典难题，指在发送节点的覆盖范围内，而在接收节点的覆盖范围外的节点，暴露终端因监听到发送节点的发送而可能延迟发送。它其实是在接收节点的通信范围之外，其发送不会造成冲突。因此暴露终端问题会降低网络吞吐量，并且引入不必要的延时。简单举例说明暴露终端带来的危害。节点A、B、C、D以线性拓扑排列，当B向A发送数据时，C听到信道此时被占用，因此认为自己如果发送数据，就会对当前的数据传输造成破坏，所以推迟向D发送数据。然而，C的发送只会在发送端B与B发送的数据叠加，并不会影响接收端A的数据检测与解码，因此C向D的发送是可以被利用的。暴露终端的根本原因是因为节点无法获得足够的控制信息进行判断，因此，怎样在不影响原始数据信息带宽的条件下获得足够的控制信息是本发明的关键问题。

通信干扰技术最早应用于军事领域。运用无线电干扰设备发射适当的干扰电磁波，就可以破坏和扰乱敌方的无线电通信。通信干扰技术按频谱宽度可分为瞄准式干扰和阻塞式干扰。其中，瞄准式干扰是压制敌方一个确定信道的通信干扰。干扰频谱宽度仅占一个信道频宽，准确地与信号频谱重合，干扰能量可全部用于压制这一信道，干扰功率利用率高。如果接收方可以获得干扰信号的特征，那么即使在被干扰的情况下也可以恢复出原始信号，这就是干扰抵消技术。假设在接收方可以接收到两种信号，干扰信号y″和被干扰信号的原始信号y′:

y′[t]＝H_A[t]x_A[t]+H_B[t]x_B[t]+w[t]

y″[t]＝H_B[t]x_B[t]+w[t]

其中H_i是相应的信道脉冲响应，x_A[t]表示原始信号，x_B[t]表示干扰信号，而w[t]表示高斯白噪声。那么，在已知y″和y′的情况下，x_A[t]可以表示为：

${\hat{X}}_A\left[t\right]=\frac{y_i^{\′}\left[t\right]-y_i^{\′\′}\left[t\right]}{H_A}$

通过这种干扰抵消技术，我们不仅可以消除干扰，获得原始的数据信息x_A[t]，而且还可以人为的利用干扰信号x_B[t]携带一定量的控制信息。这就是本发明的背景技术，这种技术可以节省控制信息的资源消耗，通过物理层的附加控制信息辅助MAC层协议来解决暴露终端问题，从而通过增加冲突域内并行的连接数来增大网络整体吞吐量。

申请号为200710031832.X，申请日期为2007年11月30日的国内发明专利申请公开了一种解决多跳无线自组网隐藏终端和暴露终端问题的方法。该方法控制发送节点和接收节点在不同状态之间的转换，避免冲突的发生。其中发送节点包括空闲、竞争、等待接收CTS和发送数据四种状态，接收节点有空闲和等待接收数据两种状态。接收节点通过控制分组通知隐藏终端、发送节点通过控制分组通知暴露终端数据传输开始和数据传输结束，从而通过设计RTS/CTS、DRI/DRFIN、DSI/DSFIN等控制分组解决多跳无线自组网的隐藏终端和暴露终端问题。然而，传输控制分组的代价相当大，从一定程度上影响了网络整体的传输性能。而本发明的控制分组传输并不占用数据信道，因此能够在在不影响原有数据传输性能的基础上解决暴露终端问题。

申请号为201010107186.2，申请日期为2010年2月5日的国内发明专利申请公开了一种无线分组网络媒质接入控制系统和方法，主要解决现有技术中暴露终端无法并发通信的问题。该方法主要包含媒质接入控制模块、接收信号解析模块、MAC帧提取模块。媒质接入控制模块在发送时判断信道是否空闲及终端是否属于暴露终端，若是则发送RTS帧，并根据已知帧设置预期ACK帧检测。接收信号解析模块执行预期帧检测判定ACK是否收到,并执行预期帧消除排除帧间干扰。MAC层帧提取模块从消除预期帧之后的信号中提取MAC层帧。然而该方法依然依靠时域的RTS分组判断暴露终端，不仅占用信道带宽，还会引发其它问题。本方法的控制分组与数据信号同时传输，并不占用原有信道，因此可以在不影响原有数据带宽的情况下解决暴露终端问题。

经检索发现，本发明提出的利用干扰消除技术解决无线网络中暴露终端问题的方法具有创新性，将有效解决暴露终端问题，增大网络总吞吐量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在不影响原始数据信号带宽的情况下，令网络节点获得足够的控制信息，从而利用暴露终端节点增加冲突域内的并行连接数，增大网络总吞吐量，减少不必要的时延。

为实现上述目的所采用的技术方案是：加入物理层干扰附加模块、干扰检测模块、干扰抵消模块、MAC层判定模块和冲突解决模块，采用一种可以使节点获得足够控制信息的方法，来判断自己是否为暴露终端，从而利用暴露终端进行并发传输，增大网络总吞吐量。具体技术方案为，每个节点在发送数据的时候，利用干扰附加模块将自己的标识和自己接收节点的标识以干扰信号的方式附加到数据信号中去，与数据信号同时传输。数据接收节点在接收数据的时候，先利用干扰抵消模块将附加在数据信号的干扰信号去除掉，然后提取出原本的数据信号进行解调解码。这种干扰附加方式为邻居节点提供了当前正在传输节点的标识，当任何一个节点有数据进行传输时，先利用干扰检测模块将网络内所有干扰信号中的节点标识解调出来，建立一个当前正在传输节点的列表，然后利用MAC层的判定模块来判定自己是否为暴露终端，从而利用暴露终端进行数据传输。

干扰附加模块利用物理层的正交频分复用(Orthogonalfrequency-divisionmultiplexing，OFDM)技术，将正在进行传输的节点的物理地址(MediaAccessControl，MAC)编码到人为的干扰信号中。OFDM技术将整个信道划分为若干子载波，本发明进一步将子载波分组为发送表示频带和接收表示频带，每个频带包含m个子载波，自顶向下依次编号为0至m-1。发送或接收节点MAC地址以哈希(Hash)的方式压缩为一个小于m的整数值h，则相应的发送及接收节点MAC地址表示为频带中编号为h的子载波携带一个窄带干扰信号并以二进制的“1”表示。这种特殊调制的干扰信号因包含发送和接收节点的MAC地址，而被称为A-RTS(Attached-RTS)。

为了保证在分布式的网络中，节点可以在任意时间检测到A-RTS干扰信号，干扰附加模块采用一种循环干扰的方式，令OFDM每一个符号上携带相同的A-RTS信号，这样即使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，确保了分布式网络的正常运作。此外，干扰信号独立于数据信息进行调制，即同一节点分别传输数据信号和控制信号。

在控制信号接收端，干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在A-RTS中的控制信息。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，则该子载波有很大概率上携带了窄带干扰信号。因此可以解码出相应的哈希值，从而获得当前传输的节点列表。

干扰抵消模块帮助数据信号接收端消除干扰信号，还原并解调出原始数据信号。OFDM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。干扰抵消模块根据训练序列中记录的干扰信号强度，将干扰信号由接收到的混合信号中抵消，即可以得到原始的数据信号。

当某个节点有数据需要发送的时候，先由以上方式获得当前传输的节点列表，然后由网络层路由表获得其两跳邻居表。根据当前传输节点列表和两跳邻居表，该节点利用MAC层判定模块来决定自己是否为暴露终端。具体如下：如果当前所有的接收节点不在一跳邻居范围之内，且当前的发送节点不在其接收节点的一跳邻居范围之内，则该节点为暴露终端，可以进行数据传输。该判定条件保证了节点的数据传输既不会干扰已有的数据传输，也不会因其接收节点受到干扰而浪费传输机会。

冲突解决模块用以解决暴露终端节点接收到的确认报文ACK与其邻居节点数据信号之间有可能发生的冲突，以及不同节点数据信号之间有可能发生的冲突。利用暴露终端进行并发传输时，暴露终端接收到的ACK有很大概率会受到其邻居数据传输的干扰，因此冲突解决模块将原始信道划分出一小部分子载波，专门用来传输ACK，这就保证了数据信号与ACK始终在不同的频带进行传输，从而有效避免了冲突。

不同节点的数据信号也有可能发生冲突。当冲突域内两个节点几乎同时发送的时候，冲突无法避免。冲突解决模块设计了一种快速重发机制，让发送冲突的所有节点在冲突之后重新进行发送的优先级，而不用再次竞争信道。这个优先级就是由监听重发的时隙决定的。当节点在SIFS(ShortInterframeSpace)时间内接收不到ACK时，就认为冲突发生，因此可以立刻重新发送，而不用再监听DIFS(DistributedInterframeSpace)时间后重新竞争信道。重发的顺序是由发送之后监听到的A-RTS的个数决定的。不同报文长度的条件决定了冲突节点发送完成的时间不同，因此在发送完数据之后可以监听到邻居发送节点的A-RTS。在发送节点发送完数据之后，立刻切换到监听模式，并在等待接收节点的ACK的同时，监听冲突域内的A-RTS。根据两跳邻居表，节点可以初步判断是否冲突以及冲突的邻居个数。如果节点没有收到ACK，并且没有监听到邻居发送节点的A-RTS，那么节点退出快速重发。如果节点监听到一个冲突的A-RTS，那么该节点第一个进行重发，而其他节点等待。如果节点监听到两个冲突的A-RTS，那么该节点等到前面一个节点重发之后再进行重发。依此类推。快速重发机制保证了冲突节点可以在最快的时间内完成重发，而不用再重新进行信道竞争。如果在快速重发过程中，冲突再次发生，或者某一个节点因为其他原因没有进行重发，那么其他节点也会等到DIFS时间，从而退出快速重发而重新进行信道竞争。

本发明利用干扰附加和抵消技术，能达到的有益效果如下：

有效地将节点控制信息附加到原始数据信号中，使数据信号和控制信号同时传输，而不影响原始数据信号的带宽；

有效地将正在传输的节点信息编码，保证监听节点可以在任何时间简单而快速地解码出所需要的控制信号；

MAC层判断模块有效地利用物理层的控制信号进行暴露终端判断，从而准确而快速的利用暴露终端进行并发传输，减少不必要的网络延迟，增大网络的总吞吐量。

需要说明的是，本发明虽然基于正交频分多路复用平台进行，但也可相应地扩展到其他无线传输平台。

附图说明

图1为协议流程图。

图2为系统示意图。

图3为干扰附加模块示意图。

图4为干扰抵消模块示意图。

其中图2中(a)表示传统CSMA/CA通信系统的传输过程，图2中(b)表示本发明通信系统的传输过程。

其中图3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。

具体实施方式

参见图1，当节点有数据发送时，先对信道监听DIFS时间，检测信道中传输的A-RTS。根据检测到的A-RTS结果，节点可以建立一个当前传输的节点列表，以此获得当前传输的节点信息。根据从网络层获得的两跳邻居表，节点可以判断此次数据传输能否成功，如果此时一跳邻居内并没有接收节点，并且节点的接收端并没有受到其他传输的影响，那么该节点可以进行数据传输。否则，节点推迟当前传输，重新进行信道监听和竞争。

如图1所示，当传输完成之后，节点切换到监听状态，等待ACK以及收集冲突域内的其他A-RTS。如果在SIFS时间内节点接收到ACK，则表示发送成功，节点完成当前传输并为下次传输做准备。如果节点没有接收到ACK，则判断冲突发生，进入快速重发阶段。节点根据SIFS时间内监听到的冲突的A-RTS建立一个冲突列表序列，以此决定自己的重发顺序。在重发之后，节点进入正常的信道监听和竞争模式。

参见图2，当用户3想要发送数据给用户4时，传统的CSMA方式是不能利用暴露终端进行传输的，因为此时用户3的邻居用户2正在传输，因此用户3只能检测到信道忙，而不知道自己的传输会不会影响当前的接收者即用户1。利用Attached-RTS的方式，用户3先建立一个正在传输节点列表。根据当前用户2正在传输的数据信号中的A-RTS，用户3得知当前的发送节点为用户2而接收节点为用户1.因用户1不在用户3的一跳邻居范围之内，用户3的传输不会影响用户1。并且，用户2不在用户3的接收端用户4的一跳范围之内，因此用户4是空闲的，用户3为暴露终端，可以向用户4传输数据。

参见图3，如果节点进行数据传输，则将自己的MAC地址及其接收节点的MAC地址编码到窄带干扰信号，并附加到自己的数据信号中与其共同传输。虚线的窄带干扰信号对应于数据信号的中心频率，并完全包含在实线的数据信号中，以此保证接收节点在信号采样的时候可以记录干扰信号，进行信号抵消。

在接收端，接收节点根据图4所示的干扰抵消模块恢复原始数据。节点在开始接收数据时，先记录前导码中空闲子载波上的干扰信号。图中第二号子载波携带干扰信号，而第一、三、五号子载波携带导频信号。接收节点根据检测前导码可以得知干扰信号位于第二号子载波，并记录下干扰信号的能量。然后，接收节点根据记录下的干扰信号能量，来消除在随后获得的数据信号和干扰信号的混合信号中的干扰信号，从而获得原始数据信号。在获得原始数据信号之后，接收节点对数据信号进一步解调和解码，即可获得自己需要的数据信息。

Claims (8)

1.一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：基于正交频分多路复用平台，在发送终端加入物理层干扰附加模块，将自己的标识和自己接收节点的标识以干扰信号的方式附加到数据信号中，在接收终端加入干扰检测模块与干扰抵消模块将附加在数据信号的干扰信号去除掉，然后提取出原本的数据信号进行解调解码；所述干扰附加模块通过将节点MAC地址信息编码到干扰信号中来获得正在传输的节点列表，即将OFDM子载波分组为发送表示频带和接收表示频带，每个频带包含m个子载波，自顶向下依次编号为0至m-1；节点利用干扰附加模块将发送及接收端MAC地址以哈希的方式压缩为两个小于m的整数值h，则相应的发送及接收节点MAC地址表示为频带中编号为h的子载波携带一个窄带干扰信号并以二进制的“1”表示；通过以上干扰附加方式为邻居节点提供当前正在传输节点的标识，因此当任何一个节点有数据进行传输时，可以由MAC层判定模块将网络内所有干扰信号中的节点标识解调出来，建立一个当前正在传输节点的列表；由冲突解决模块来判断自己是否为暴露终端，从而采用一种可以使节点获得足够控制信息的方法，来判断自己是否为暴露终端，从而利用暴露终端进行并发传输，增大网络总吞吐量，减少不必要的时延。

2.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：干扰附加模块采用一种循环干扰的方式，令OFDM每一个符号上携带相同的干扰信号，且干扰信号独立于数据信息进行调制，即同一节点分别传输数据信号和控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：在控制信号接收端，干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在干扰信号中的控制信息，以解码出相应的哈希值，从而获得当前传输的节点列表。

4.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：干扰抵消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，干扰抵消模块根据训练序列中记录的干扰信号强度，将干扰信号由接收到的混合信号中抵消，解调出原始数据信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：节点在获得当前传输的节点列表之后，节点由网络层路由表获得其两跳邻居表，根据传输节点列表和两跳邻居表，节点利用MAC层判定模块来决定自己是否为暴露终端，即如果当前所有的接收节点不在一跳邻居范围之内，且当前的发送节点不在其接收节点的一跳邻居范围之内，则该节点为暴露终端，可以进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：冲突解决模块用以解决暴露终端节点接收到的确认报文ACK与其邻居节点数据信号之间有可能发生的冲突，以及不同节点数据信号之间有可能发生的冲突。

7.根据权利要求6所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：针对暴露终端节点接收到的确认报文ACK与其邻居节点数据信号之间有可能发生的冲突，冲突解决模块将原始信道划分出一小部分子载波，专门用来传输ACK，保证了数据信号与ACK始终在不同的频带进行传输，从而有效避免了冲突。

8.根据权利要求6所述的一种基于物理层干扰信息的暴露终端优化方法，其特征是：针对不同节点的数据信号可能发生的冲突，冲突解决模块采用快速重发机制，让发送冲突的所有节点根据监听重发的时隙在冲突之后重新进行发送的优先级，即在发送节点发送完数据之后，立刻切换到监听模式，并在等待接收节点的ACK的同时，监听冲突域内的干扰信号，节点根据两跳邻居表初步判断是否冲突以及冲突的邻居个数；如果节点没有收到ACK，并且没有监听到邻居发送节点的干扰信号，则节点退出快速重发；如果节点监听到一个冲突的干扰信号，则该节点第一个进行重发，而其他节点等待；如果节点监听到两个冲突的干扰信号，则该节点等到前面一个节点重发之后再进行重发；依此类推；如果在快速重发过程中，冲突再次发生或者某一个节点没有进行重发，其他节点则等到DIFS时间，从而退出快速重发而重新进行信道竞争。