CN102647203B - 基于无线多跳网络的通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线多跳网络的通信系统及方法，该系统包括：频带划分模组，将整个频带划分为上频带、中频带及下频带，并确定频带使用规则；控制信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成至少四个相互正交的控制信道以用于控制信令的传输；以及数据信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成M+N个相互正交的数据信道，本发明使无线多跳网络中所有移动台都能同时通信，解决了现有技术不能满足应急通信中的实时业务需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信系统及方法，特别是涉及一种基于无线多跳网络的通信系统及方法。
背景技术
自然灾害发生时，现有的有线或无线通信系统通常会遭受破坏而无法通信。缺少通信系统使得救灾人员无法传递消息，救灾工作变得更加困难。为了提高救灾效率，挽救受难人员生命，当灾害发生时，需要提供一种应急通信系统。
由于无线网络是一种分布式网络，不需要中心控制节点，如：基站。而且，传输距离可以通过多跳的方式进一步扩大。因此，无线多跳网络可以大规模部署，并用于灾害环境下的应急通信。
作为一种分布式MAC(Media Access Control，媒体接入控制)协议，CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多址/碰撞避免)协议广泛用于多种无线标准，例如：IEEE 802.11。CSMA/CA协议能够解决不同用户竞争同一信道的潜在问题，但是对于数据包的到达时间带来了不确定性。特别是多跳网络，这些不确定性积累起来造成了端到端时延的更大不确定性。因此，CSMA/CA协议仅能用于对时延要求不高的数据业务。
为了提高救灾效率，使得救灾人员能够相互通话或视频，了解现场情况，有必要给救灾人员提供一种实时的应急通信系统。因此，这种情况下往往要求无线多跳网络的MAC层协议支持所有移动台都能同时进行实时通信。
针对CSMA/CA协议的不足，许多研究人员为无线多跳网络提出了增强的MAC协议：
方案一：DARE(Distributed end-to-end Allocation of time slots for REal-timetraffi，实时业务的分布式端到端时隙分配)协议首先为路径上的每一跳预留时隙资源，然后传输实时数据，如图1所示，与CSMA/CA协议一样，DARE协议的控制信令和数据传输采用同一信道，当移动台传输数据时，要求相邻的移动台保持沉默，不发送任何信号，显然，这种方法不能支持所有移动台都同时传输数据；
方案二：DARMAC(Distributed Asynchronous Reservation MAC，分布式异步预留MAC)协议使用多个数据信道增加吞吐量，并减少时延，其控制信令采用专用控制信道传输，如图2所示，当完成控制信令交互后，移动台开始数据传输，然而，如果所有移动台同时都有数据传输，控制信道将成为实现实时通信的瓶颈；
方案三：McMAC(Multi-Channel MAC，多信道MAC)协议为控制信令和数据都提供了多个传输信道，如图3所示，每个移动台根据自己的种子产生一个伪随机跳频序列，也称为缺省跳频序列。当没有数据传输时，移动台按照自身的序列在信道之间跳频；当有数据传输时，移动台按照接收方的序列在信道之间跳频。McMAC协议的缺陷是要求移动台之间保持同步，然而，同步对于分布式网络来说通常难以实现。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于无线多跳网络的通信系统及方法，其通过使无线多跳网络中的各移动台交错使用上、下频带收发信号，并采用专用控制信道传输控制信令，达到了使无线多跳网络中所有移动台都能同时通信的目的。
为达上述及其它目的，本发明提供一种基于无线多跳网络的通信系统，应用于具有多个移动台的无线多跳网络中，包括：
频带划分模组，将整个频带划分为上频带、中频带及下频带，并确定频带使用规则；
控制信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成至少四个相互正交的控制信道以用于控制信令的传输；以及
数据信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成M+N个相互正交的数据信道，其中M，N≥2。
进一步地，该频带使用规则为各移动台于上频带和下频带采用交错的方式收发信号。
进一步地，该频带使用规则为：偶数移动台使用该上频带发射信号，使用该下频带接收信号，而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号；反之也行。
进一步地，每个控制信道只能单方向用于控制信令的传输。
进一步地，该控制信令采用正交码调制。
进一步地，该控制信令包括一对控制帧以给每次传输预留一个数据信道。
为达到上述及其他目的，本发明还提供一种基于无线多跳网络的通信方法，应用于具有多个移动台的无线多跳网络中，包括如下步骤：
步骤一，根据时间偏移与数据包长，源移动台依据频带使用规则从发送数据的空闲数据信道列表选择一数据信道；
步骤二，该源移动台依据频带使用规则在给定控制信道向数据传输方向的相邻移动台发送控制帧RCR；
步骤三，当收到该控制帧RCR后，该相邻移动台根据该频带使用规则在给定控制信道向该源移动台回应控制帧CCR；
步骤四，若该相邻移动台为目的移动台，则直接进入步骤五；若不为目的移动台，则该相邻移动台在向该源移动台回应该控制帧CCR的同时，为下一跳选择一空闲的数据信道，进入步骤五，并将该相邻移动台作为源移动台重复进入步骤二。
步骤五，该源移动台于收到该控制帧CCR后，于所选数据信道上向该相邻移动台发送数据。
进一步地，该频带使用规则为各移动台于上频带和下频带采用交错的方式收发信号。
进一步地，该频带使用规则为：偶数移动台使用该上频带发射信号，使用该下频带接收信号，而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号；反之也行。
进一步地，每个控制信道只能单方向用于控制信令的传输。
与现有技术相比，本发明一种基于无线多跳网络的通信系统及方法通过令各移动台交错使用上、下频带收发信号，并采用专用控制信道传输控制信令，使无线多跳网络中所有移动台都能同时通信，解决了现有技术不能满足应急通信中的实时业务需求的问题，并且，本发明通过控制帧RCR/CCR的交互，可以提前预留下一跳的数据信道资源，使得多跳数据流变得平滑。
附图说明
图1为现有技术中DARE协议的信道传输示意图；
图2为现有技术中DARMAC协议的信道传输示意图；
图3为现有技术中McMAC协议的信道传输示意图；
图4为本发明一种基于无线多跳网络的通信系统的系统架构图；
图5为本发明较佳实施例的线性网络拓扑示意图；
图6为本发明较佳实施例的控制信道结构示意图；
图7为本发明较佳实施例的数据信道结构示意图；
图8为本发明较佳实施例的RCR/CCR控制帧结构示意图；
图9为本发明一种基于无线多跳网络的通信方法的步骤流程图；
图10为本发明较佳实施例中移动台2向移动台4发送数据的具体过程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图4为本发明一种基于无线多跳网络的通信系统的系统架构图。如图4所示，本发明一种基于无线多跳网络的通信系统，应用于具有多个移动台的无线多跳网络中，包括：频带划分模组401、控制信道生成模组402以及数据信道生成模组403。
其中，频带划分模组401将整个频带划分为上频带、中频带及下频带，并确定频带使用规则，即各移动台于上频带和下频带采用交错的方式收发信号。在本发明较佳实施例中，假定网络拓扑为线性结构，如图5所示，在此，为了扩大覆盖范围，假定仅相邻的两个移动台能够直接通信，其他移动台通过多跳的方式进行通信，为了使得各移动台能够同时收发，整个频带被分为三个部分：上频带、中频带及下频带，其中，中频带作为保护带可以避免发射信号与接收信号之间的干扰，对于移动台，上频带和下频带采用交错的方式收发信号，如：偶数移动台使用上频带发射信号，下频带接收信号；而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号。反之也行。
控制信道生成模组402用于令每个移动台生成至少四个相互正交的控制信道以用于控制信令的传输。在本发明较佳实施例中，为了与左右相邻的移动台进行控制信令收发，每个移动台有四个相互正交的控制信道，如图6所示。其中，C11，C12，C21，C22为四个控制信道。C11和C12在上频带，C21和C22在下频带。Tx指发射机，Rx指接收机。为了避免控制信令冲突，每个控制信道只能用于箭头所指方向的控制信令传输，如：偶数移动台使用C11向其左边的移动台发送控制信令，使用C12向其右边的移动台发送控制信令；而奇数移动台使用C21向其左边的移动台发送控制信令，使用C22向其右边的移动发送控制信令，当然，也可以是偶数移动台使用C11向其右边的移动台发生控制信令，使用C12向其左边的移动台发生控制信令，奇数移动台同样如此，在此不予以限定。同时，控制信令采用正交码调制，如Hadamard码。举例来说，移动台1，移动台2，移动台5用正交序列[1，1]调制其控制信令；移动台3，移动台4用正交序列[1，-1]调制其控制信令。
数据信道生成模组403用于令每个移动台生成M+N个相互正交的数据信道，其中M，N≥2。在本发明之无线多跳网络中，移动台不仅要传输自己的数据，还要中继其他移动台的数据，因此，每个移动台有M+N个相互正交的数据信道(M，N≥2)，如图7所示。其中，D11，D12......D1M，D21，D22......D2N为M+N个数据信道。D11，D12......D1M在上频带，D21，D22......D2N在下频带。对于每次数据传输，移动台根据预设规则从空闲的数据信道中选择一个信道。预设规则可以是移动台向左边发送数据时选择序号较小的数据信道，如D11/D21；而向右边发送数据时选择序号较大的数据信道，如：D1M/D2N。
对于控制信令，本发明定义了一对控制帧RCR/CCR(Request ChannelReservation，信道预留请求/Clear Channel Reservation，信道预留响应)给每次传输预留一个数据信道。控制帧的结构如图8所示。其中，控制帧中的各参数如下定义：
(1)帧指示：用于指示控制帧的类型，如：“0”表示RCR，“1”表示CCR；
(2)源地址：数据源的移动台地址；
(3)目的地址：数据目的地的移动台地址；
(4)时间偏移：发送控制帧RCR/CCR和数据的时间差；
(5)数据包长：数据包持续时间的长度；
(6)CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)校验：检验接收的数据包是否正确。
值得注意的是，控制信道专用于每个方向的控制信令收发，因此，控制帧结构中不需包含发射机和接收机的地址。
另外，每个移动台需要不断维护数据信道的预留情况，知道哪些信道已占用，哪些信道空闲。
图9为本发明一种基于无线多跳网络的通信方法的步骤流程图，如图9所示，本发明一种基于无线多跳网络的通信方法，包括如下步骤：
步骤901，根据时间偏移与数据包长，源移动台依据频带使用规则从发送数据的空闲数据信道列表选择一数据信道，在此，频带使用规则为上频带和下频带采用交错的方式收发信号，如：偶数移动台使用上频带发射信号，下频带接收信号；而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号。反之也行。
步骤902，源移动台依据频带使用规则在给定控制信道向数据传输方向的相邻移动台发送控制帧RCR，以使其他相邻移动台不能使用所选择之数据信道；
步骤903，当收到控制帧RCR后，该相邻移动台根据频带使用规则在给定控制信道向源移动台回应控制帧CCR；
步骤904，若相邻移动台为目的移动台，则直接进入步骤905；若不为目的移动台，则相邻移动台在向源移动台回应控制帧CCR的同时，为下一跳选择一空闲的数据信道，进入步骤905，并将该相邻移动台作为源移动台重复步骤902。
步骤905，源移动台于收到控制帧CCR后，于所选数据信道上向相邻移动台发送数据。
图10为本发明较佳实施例中移动台2向移动台4发送数据的具体过程示意图，假定M＝N＝2。
步骤一：根据时间偏移和数据包长，移动台2从空闲数据信道列表中选择一个数据信道，如：D11。如有多个数据信道空闲，移动台2根据预设规则选择一个数据信道；
步骤二：为了预留数据信道D11，移动台2在控制信道C12上向移动台3发送控制帧RCR1。此时，移动台1和移动台3都能听到RCR1。在数据1的发送时间内，移动台1不能使用D11接收任何消息；
步骤三：当收到RCR1后，移动台3在控制信道C21上向移动台2回应控制帧CCR1。同时，移动台3知道移动台4是目的移动台，于是为下一跳选择一个空闲的数据信道，即：D21。移动台3在控制信道C22上向移动台4发送控制帧RCR2来预留数据信道D21。移动台2和移动台4都能听到CCR1和RCR2。于是，在数据1的发送时间内，移动台4不能使用D11发送任何消息。在数据2的发送时间内，移动台2不能使用D21接收任何消息。
步骤四：当收到CCR1后，移动台2在数据信道D11上向移动台3发送数据1。
步骤五：当收到RCR2后，移动台4在控制信道C11上向移动台3回应控制帧CCR2。移动台3和移动台5都能听到CCR2。在数据2的发送时间内，移动台5不能使用D21发送任何消息。
步骤六：当收到CCR2后，移动台3在数据信道D21上向移动台4发送数据2。
综上所述，本发明一种基于无线多跳网络的通信系统及方法通过令各移动台交错使用上、下频带收发信号，并采用专用控制信道传输控制信令，使无线多跳网络中所有移动台都能同时通信，解决了现有技术不能满足应急通信中的实时业务需求的问题，并且，本发明通过控制帧RCR/CCR的交互，可以提前预留下一跳的数据信道资源，使得多跳数据流变得平滑。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (6)
1.一种基于无线多跳网络的通信系统，应用于具有多个移动台的无线多跳网络中，包括：
频带划分模组，将整个频带划分为上频带、中频带及下频带，并确定频带使用规则，其中，该频带使用规则为各移动台于上频带和下频带采用交错的方式收发信号，中频带作为保护带避免发射信号与接收信号之间的干扰；
控制信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成至少四个相互正交的控制信道以用于控制信令的传输，每个控制信道用于单方向的控制信令传输；以及
数据信道生成模组，根据该频带使用规则令每个移动台生成M+N个相互正交的数据信道，其中M,N≥2，D11，D12……D1M，D21，D22……D2N为M+N个数据信道，D11，D12……D1M在上频带，D21，D22……D2N在下频带。
2.如权利要求1所述的基于无线多跳网络的通信系统，其特征在于，该频带使用规则为：偶数移动台使用该上频带发射信号，使用该下频带接收信号，而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号；反之也行。
3.如权利要求2所述的基于无线多跳网络的通信系统，其特征在于：该控制信令采用正交码调制。
4.如权利要求3所述的基于无线多跳网络的通信系统，其特征在于：该控制信令包括一对控制帧以给每次传输预留一个数据信道，其中，控制帧中的各参数如下定义：
(1)帧指示：用于指示控制帧的类型；
(2)源地址：数据源的移动台地址；
(3)目的地址：数据目的地的移动台地址；
(4)时间偏移：发送控制帧信道预留请求/信道预留响应和数据的时间差；
(5)数据包长：数据包持续时间的长度；
(6)循环冗余校验：检验接收的数据包是否正确。
5.一种基于无线多跳网络的通信方法，应用于具有多个移动台的无线多跳网络中，包括如下步骤：
步骤一，根据时间偏移与数据包长，源移动台依据频带使用规则从发送数据的空闲数据信道列表选择一数据信道，其中，该频带使用规则为各移动台于上频带和下频带采用交错的方式收发信号，中频带作为保护带避免发射信号与接收信号之间的干扰；
步骤二，该源移动台依据频带使用规则在给定控制信道向数据传输方向的相邻移动台发送控制帧信道预留请求，每个控制信道用于单方向的控制信令传输；
步骤三，当收到该控制帧信道预留请求后，该相邻移动台根据该频带使用规则在给定控制信道向该源移动台回应控制帧信道预留响应；
步骤四，若该相邻移动台为目的移动台，则直接进入步骤五；若不为目的移动台，则该相邻移动台在向该源移动台回应该控制帧信道预留响应的同时，为下一跳选择一空闲的数据信道，进入步骤五，并将该相邻移动台作为源移动台重复进入步骤二；
步骤五，该源移动台于收到该控制帧信道预留响应后，于所选数据信道上向该相邻移动台发送数据。
6.如权利要求5所述的基于无线多跳网络的通信方法，其特征在于：该频带使用规则为：偶数移动台使用该上频带发射信号，使用该下频带接收信号，而奇数移动台使用上频带接收信号，下频带发射信号；反之也行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141126 |