CN103067969A - 一种wlan网络中的信号碰撞处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，包括以下步骤：系统采集两次碰撞的接收信号，分别存储；碰撞检测模块若检测到接收信号发生了冲突，则将接收信号分别送入各自的码片对准模块；码片对准模块将杂乱的码片按顺序依次排布，再经过时间差检测模块，分别检测两次接收信号中两个信号的时间差；根据两次碰撞的不同时间差，并考虑到信道和噪声的影响，将接收信号表示为发送信号、信道描述和噪声影响的线性组合表达式，并将该线性组合表达式送入DOD算法模块，求解发送端所发送的信号；经过DOD算法模块求解出的发送信号，并经过解卷积码模块迭代运算进行优化。与现有技术相比，本发明具有有效解决了WLAN网络中多发送端造成的信号碰撞问题等优点。

Description

一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法

技术领域

本发明涉及一种WLAN网络相关技术，尤其是涉及一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法。

背景技术

WLAN网络中常使用CSMA/CA技术来避免阻塞。在CSMA/CA中，发送端首先检测信道是否可用，若可不用，则发送端暂不发送数据。如果发送端选择相同的发送时间，那么信号就有一定几率而发生碰撞，此时若发送端没有收到反馈报告，信号就会重新发送，再次造成碰撞，由此发生网络阻塞。多用户负载使信号碰撞造成网络输出严重恶化。

S。Gollakota和D。Katabi在文献“Zigzag Decoding：combating Hidden Terminalsin Wireless Networks”中提出的锯齿形解码是解决信号碰撞的方法之一。锯齿形解码利用两个数据包的碰撞差异消除连续干扰，使用迭代对未受干扰比特块进行解码。然而，由于IFFT调制信号在接收端需经过FFT解调，锯齿形解码并不适用于基于OFDM调制方式的802.11网络。

在无线蜂窝网络中，用户在越区切换时，切换策略的选择会影响用户的数据速率、通话质量。基于频分复用的无线蜂窝网络采用硬切换，物理上的开断实现越区切换，同时造成信号盲区。基于码分复用的软切换保证物理连接的持续性，通过解码获得不同蜂窝小区的信息。

WLAN网络中由于各接入点无法互相识别，该隐藏节点的问题造成各接入点无法协同发送信号。若多个接入点向一个用户发送信号，则存在一定的碰撞几率，使得多个接入点的信号发生碰撞，造成信号无法成功传输。若多用户向同一接入点发送信号，也会发生信号碰撞问题。目前的WLAN网络中，不存在接入点间的协议，该隐藏节点的问题使得目前的信号碰撞问题无法有效解决。由此，多发送端向一接收端发送信号时，求解信号冲突问题有实际意义。

在WLAN网络中的切换，会因为多接入点的发送信号发生碰撞而无法进行及时有效的切换。如果不能分辨不同接入点的信号强度，用户地理上的越区和信号上的切换无法同步进行，造成信号衰弱或信号盲区。

基于OFDM的WLAN系统下不仅要求比特块不受干扰，而且需要FFT解调才能获得信息。在基于OFDM的WLAN网络中，信号需要完全不受干扰，或者在受干扰的状态下通过算法被具体求解，否则无法进入解调模块得到有效信息。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，该方法以两个发送端和一个接收端为模型，采用基于不同时间差的碰撞解码方法来解决两个发送端向接收端发送信号时产生的冲突；

所述的信号碰撞处理方法具体包括以下步骤：

第一步，两个发送端向接收端发送信号，信号存在碰撞概率，当接收端无法接收有效信息时，根据无线网络协议，发送端再次向接收端发送信号，造成信号第二次碰撞；

第二步，系统采集两次碰撞的接收信号，分别存储；

第三步，两个接收信号分别经过各自碰撞检测模块，若检测到接收信号发生了冲突，则将接收信号分别送入各自的码片对准模块；

第四步，码片对准模块将杂乱的码片按顺序依次排布，再经过时间差检测模块，分别检测两次接收信号中两个信号的时间差；

第五步，根据两次碰撞的不同时间差，并考虑到信道和噪声的影响，将接收信号表示为发送信号、信道描述和噪声影响的线性组合表达式，并将该线性组合表达式送入DOD算法模块，求解发送端所发送的信号；

第六步，经过DOD算法模块求解出的发送信号，并经过解卷积码模块迭代运算进行优化；

第七步，发送信息满足误差要求后，经过信道解码模块获得有效信息。

所述的考虑到信道和噪声的影响，其表示为：

y＝HX+ω

其中，y为接收信号，X为发送信号，ω为噪声，H为信道描述向量，以三对角线矩阵形式描述该信道，由此H可表示为：

其中h₀，h₁。。。h_L-1分别为抽头延迟线系数，用来描述信道特征，L为抽头的个数，N为数据包长度，N_CP为循环前缀的长度；

对于两路信号的两次碰撞，两次碰撞的接收信号R₁和R₂可表示为：

$R_1=y_a+D_{n_1}{y}_b$

$R_2=y_a+D_{n_2}{y}_b$

其中y_a为第一个用户经过信道影响后的信息，y_b为第二个用户经过信道影响后的信息，

表示y_b向量延迟了n₁个单位，表示y_b向量延迟了n₂个单位。

所述的将接收信号表示为发送信号、信道和噪声的线性组合表达式，具体为：

$R_{1,a}=y_a+D_{n_1}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_1}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_1}{\mathrm{\ω}}_{b,1}+{\mathrm{\ω}}_{a,1}$

$R_{2,a}=y_a+D_{n_2}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_2}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_2}{\mathrm{\ω}}_{b,2}+{\mathrm{\ω}}_{a,2}$

$R_{1,b}=y_b+F_{n_1}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_1}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,1}+{\mathrm{\ω}}_{b,1}$

$R_{2,b}=y_b+F_{n_2}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_2}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,2}+{\mathrm{\ω}}_{b,2}$

其中R_1，a和R_1，b分别表示第一次碰撞中，接收端接收到的两组信号，R_2，a和R_2，b分别表示第二次碰撞中，接收端接收到的两组信号，F_CP表示(N+N_CP)×N的矩阵，多出的N_CP行表示循环前缀的长度，H_aH_b分别表示两条信道的三对角线矩阵。ω_a，1ω_b，1分别表示第一次碰撞中两个接收端受到的噪声影响，ω_a，2ω_b，2分别表示第二次碰撞中两个接收端受到的噪声影响。

所述的经过DOD算法模块求解出的发送信号，具体为：

X_a，1＝R_CP ^HH_a ^H(E-D_n2D_n1 ^T)G_a，1(R_1，a-D_n1R_2，b)

X_b，1＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n1 ^TD_n2)G_b，1(R_2，b-D_n2 ^TR_1，a)

X_a，2＝F_CP ^HH_a ^H(E-D_n1D_n2 ^T)G_a，2(R_2，a-D_n2R_1，b)

X_b，2＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n2 ^TD_n1)G_b，2(R_1，b-D_n1 ^TR_2，a)

(·)^H表示共轭矩阵运算，

表示单位矩阵，G_a，1G_a，2G_b，1G_b，2分别为计算所得参数，受信道噪声影响。

所述的经过解卷积码模块迭代运算进行优化具体为：

所求解出来的X_a，1、X_b，1、X_a，2、X_b，2依次送入差错控制编码模块，根据已编码组中信息码元与监督码元之间的函数关系，纠正、检验突发错误和随机错误；纠正后的信号重新进入差错控制模块，再次进行检验和纠正；如此重复多次进行差错精度控制；当精度满足要求后，所解码信号送入信道解码模块，最终求解出真实信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

有效解决了WLAN网络中多发送端造成的信号碰撞问题，允许采集某些信息通过DOD算法得到具体的信号内容，实现问题的简易化解决，解决了传统的WLAN网络中隐藏终端困境，实现系统性能的进一步提高。

附图说明

图1为本发明实现的整体示意图；

图2为本发明信号碰撞示意图；

图3为本发明迭代优化部分具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明解决了WLAN网络中解决信号碰撞的问题，图1为该系统的整体框图。首先系统采集两次碰撞的接收信号r1和r2，经过碰撞检测模块确定冲突发生后，两个接收信号分别进行码片对准，并寻找两个发送信号的时间偏差。经过信道描述模块，接收信号考虑到信道和噪声的影响可分解为发送信号线性组合，通过DOD算法可确定发送信号表达式。为了抵消噪声影响，发送信号经过差错控制编码模块进行迭代优化。当信号满足精度要求后，送入信道解码模块进行进一步解码，获取有效信息。

如图2所示，本发明的双发送端单接收端系统模型被具体化为双用户单接入点模型，在此系统模型中，双用户向接入点发送信号，R1和R2分别为两次碰撞的接收信号，包含了两个用户a和b的发送信号的互相干扰，R_1，a和R_1，b分别为第一次碰撞中，两个用户的接收信号，R_2，a和R_2，b分别为第二次碰撞中，两个用户的接收信号，其中CP代表OFDM系统中的循环前缀，CP的长度为N_cp。

如图3所示，本发明为了抵消矩阵求逆造成的噪声放大，将经过解卷积码模块的信号进行迭代，逐步优化结果。

如附图2所示，双用户单接入点模型发生两次信号碰撞。每次碰撞有不同时间差t1、t2，Pa，Pb分别为两个用户A和B的信号包。

对信道的描述使用抽头延迟线，系数为H，表示为一个(N+N_CP+L)×(N+N_CP)的三对角矩阵，其具体表现为：

则接收信号可表示为发送信号、信道、噪声的共同影响，具体表现为：

y＝Hx+ω

两路信道的表达式则分别为：

y_a＝H_ax_a+ω_a＝H_aF_CPX_a+ω_a

y_b＝H_bx_b+ω_b＝H_bF_CPX_b+ω_b

考虑到两个用户发送信号的相互干扰，则接收信号可以分解为两个信号的线性组合：

$R_1=y_a+D_{n_1}\left(y_b\right)$

$R_2=y_a+D_{n_2}\left(y_b\right)$

具体的，将两个接收信号表示为两个用户分别的接收信号，利用

$R_{1,a}=y_a+D_{n_1}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_1}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_1}{\mathrm{\ω}}_{b,1}+{\mathrm{\ω}}_{a,1}$

$R_{2,a}=y_a+D_{n_2}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_2}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_2}{\mathrm{\ω}}_{b,2}+{\mathrm{\ω}}_{a,2}$

$R_{1,b}=y_b+F_{n_1}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_1}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,1}+{\mathrm{\ω}}_{b,1}$

$R_{2,b}=y_b+F_{n_2}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_2}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,2}+{\mathrm{\ω}}_{b,2}$

表示两次碰撞的接收信号。通过求解，得到两路发送信号：

X_a，1＝F_CP ^HH_a ^H(E-D_n2D_n1 ^T)G_a，1(R_1，a-D_n1R_2，b)

X_b，1＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n1 ^TD_n2)G_b，1(R_2，b-D_n2 ^TR_1，a)

X_a，2＝F_CP ^HH_a ^H(E-D_n1D_n2 ^T)G_a，2(R_2，a-D_n2R_1，b)

X_b，2＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n2 ^TD_n1)G_b，2(R_1，b-D_n1 ^TR_2，a)

其中，表达式内参数为：

G_a，1＝[(σ_a ²+σ_b ²)E+(E-D_n1D_n2 ^T)H_aH_a ^H(E-D_n2D_n1 ^T)]^-1

G_b，1＝[(σ_a ²+σ_b ²)E+(E-D_n2 ^TD_n1)H_bH_b ^H(E-D_n1 ^TD_n2)]^-1

G_a，2＝[(σ_a ²+σ_b ²)E+(E-D_n2D_n1 ^T)H_aH_a ^H(E-D_n1D_n2 ^T)]^-1

G_b，2＝[(σ_a ²+σ_b ²)E+(E-D_n1 ^TD_n2)H_bH_b ^H(E-D_n2 ^TD_n1)]^-1

式中，考虑到噪声的影响，将噪声方差简化为(σ_a ²+σ_b ²)E

两路发送信号求解出具体表达式后，分别送入解卷积码模块进行迭代，减小噪声造成的影响，多次优化效果。如附图3流程图所示。如X_a，1为用户A第一次发送的信号，将此信号送入解卷积码的迭代流程，将会求解出较准确的发送信号。优化后的发送信号满足了误差要求后，送入信道解码模块，获得有效信息。

本实例可以应用于典型的基于OFDM的WLAN网络，发送信号经过OFDM调制，接收信号经过OFDM解调。在双用户单接入点模型中，两个用户同时向接入点发送信号，信号发生碰撞，两个用户的发送信号相互影响，由此得到接收信号表达式R_1，a，R_1，b，R_2，a，R_2，b，求解出两路发送信号的具体表达式X_a，1，X_a，2，X_b，1，X_b，2。

进一步地，针对DOD算法的仿真可以包括：QPSK调制条件下使用802.11g信道并且信道在数据包传输过程中互不影响。无冲突及有冲突下使用DOD解法进行误码率比较。仿真结果表明当QPSK的误码率为10^-5时，使用DOD解法的误码率比无碰撞的误码率高5.2db。同时，针对不同的碰撞几率仿真结果表明：当没有冲突解码时，系统效果随碰撞几率的增加而线性恶化。应用DOD解法后，输出效果有明显改善，当碰撞几率大于0.8时，DOD提高输出效果达40％至30％，此时信噪比分别为10db和5db。

本发明的实施例表明，WLAN网络中，DOD方法的提出有一定的优化效果，并且具有一定的现实意义和前瞻性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，该方法以两个发送端和一个接收端为模型，采用基于不同时间差的碰撞解码方法来解决两个发送端向接收端发送信号时产生的冲突；

所述的信号碰撞处理方法具体包括以下步骤：

第一步，两个发送端向接收端发送信号，信号存在碰撞概率，当接收端无法接收有效信息时，根据无线网络协议，发送端再次向接收端发送信号，造成信号第二次碰撞；

第二步，系统采集两次碰撞的接收信号，分别存储；

第三步，两个接收信号分别经过各自碰撞检测模块，若检测到接收信号发生了冲突，则将接收信号分别送入各自的码片对准模块；

第四步，码片对准模块将杂乱的码片按顺序依次排布，再经过时间差检测模块，分别检测两次接收信号中两个信号的时间差；

第五步，根据两次碰撞的不同时间差，并考虑到信道和噪声的影响，将接收信号表示为发送信号、信道描述和噪声影响的线性组合表达式，并将该线性组合表达式送入DOD算法模块，求解发送端所发送的信号；

第六步，经过DOD算法模块求解出的发送信号，并经过解卷积码模块迭代运算进行优化；

第七步，发送信息满足误差要求后，经过信道解码模块获得有效信息。

2.根据权利要求1所述的一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，所述的考虑到信道和噪声的影响，其表示为：

y＝HX+ω

其中，y为接收信号，X为发送信号，ω为噪声，H为信道描述向量，以三对角线矩阵形式描述该信道，由此H可表示为：

其中h₀，h₁。。。h_L-1分别为抽头延迟线系数，用来描述信道特征，L为抽头的个数，N为数据包长度，N_CP为循环前缀的长度；

对于两路信号的两次碰撞，两次碰撞的接收信号R₁和R₂可表示为：

$R_1=y_a+D_{n_1}{y}_b$

$R_2=y_a+D_{n_2}{y}_b$

其中y_a为第一个用户经过信道影响后的信息，y_b为第二个用户经过信道影响后的信息，

表示y_b向量延迟了n₁个单位，

表示y_b向量延迟了n₂个单位。

3.根据权利要求2所述的一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，所述的将接收信号表示为发送信号、信道和噪声的线性组合表达式，具体为：

$R_{1,a}=y_a+D_{n_1}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_1}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_1}{\mathrm{\ω}}_{b,1}+{\mathrm{\ω}}_{a,1}$

$R_{2,a}=y_a+D_{n_2}{y}_b=H_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+D_{n_2}{H}_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+D_{n_2}{\mathrm{\ω}}_{b,2}+{\mathrm{\ω}}_{a,2}$

$R_{1,b}=y_b+F_{n_1}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_1}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,1}+{\mathrm{\ω}}_{b,1}$

$R_{2,b}=y_b+F_{n_2}{y}_a=H_b{F}_{\mathrm{CP}}{X}_b+{D_{n_2}}^T{H}_a{F}_{\mathrm{CP}}{X}_a+{D_{n_1}}^T{\mathrm{\ω}}_{a,2}+{\mathrm{\ω}}_{b,2}$

其中R_1，a和R_1，b分别表示第一次碰撞中，接收端接收到的两组信号，R_2，a和R_2，b分别表示第二次碰撞中，接收端接收到的两组信号，F_CP表示(N+N_CP)×N的矩阵，多出的N_CP行表示循环前缀的长度，H_aH_b分别表示两条信道的三对角线矩阵。ω_a，1ω_b，1分别表示第一次碰撞中两个接收端受到的噪声影响，ω_a，2ω_b，2分别表示第二次碰撞中两个接收端受到的噪声影响。

4.根据权利要求3所述的一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，所述的经过DOD算法模块求解出的发送信号，具体为：

X_a，1＝F_CP ^HH_a ^H(E-D_n2D_n1 ^T)G_a，1(R_1，a-D_n1R_2，b)

X_b，1＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n1 ^TD_n2)G_b，1(R_2，b-D_n2 ^TR_1，a)

X_a，2＝F_CP ^HH_a ^H(E-D_n1D_n2 ^T)G_a，2(R_2，a-D_n2R_1，b)

X_b，2＝F_CP ^HH_b ^H(E-D_n2 ^TD_n1)G_b，2(R_1，b-D_n1 ^TR_2，A)

(·)^H表示共轭矩阵运算，

表示单位矩阵，G_a，1G_a，2G_b，1G_b，2分别为计算所得参数，受信道噪声影响。

5.根据权利要求4所述的一种WLAN网络中的信号碰撞处理方法，其特征在于，所述的经过解卷积码模块迭代运算进行优化具体为：

所求解出来的X_a，1、X_b，1、X_a，2、X_b，2依次送入差错控制编码模块，根据已编码组中信息码元与监督码元之间的函数关系，纠正、检验突发错误和随机错误；纠正后的信号重新进入差错控制模块，再次进行检验和纠正；如此重复多次进行差错精度控制；当精度满足要求后，所解码信号送入信道解码模块，最终求解出真实信号。

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