CN103346871A - Fdma技术在带隐藏节点的协作重传中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于频分多址（FDMA）的最佳协作重传节点选择及冲突避免方案；方案中，OFDM符号中能被8整除的子载波构成FDMA地址，每个协作节点对应一个地址；协作重传节点在收到目的节点发来的NACK帧后，进行OFDM调制、时域波形压缩和加CP后，生成FDMA竞争帧，无退避直接发送；OFDM符号中，节点地址对应的子载波处填1，其他子载波填0；目的节点收到所有候选节点同时发来的合成信号后，经过去CP、压缩波形恢复、FFT运算后，在FDMA地址对应的子载波上进行模值分析，模值最大者应对的节点，就是最佳协作重传节点；其核心思想是：将FDMA技术应用到竞争帧中，协作节点无需退避，并利用信号对称性压缩时域波形，时间代价小，重传成功率和效率高。

Description

FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及频分多址（FDMA）技术在带隐藏节点的协作重传中的一种应用领域。

技术背景

在移动Ad Hoc网络中传输数据时，有限的发送功率、用户的移动性、无线信道的衰落特性和干扰的存在会导致很高的误帧率。在发生误帧、丢包时，通常通过重传操作来满足系统对可靠性的要求。传统的重传思路是采用前向纠错(FEC)加自动重传请求(ARQ)的机制，由源节点进行重传操作，但当目的节点接收突发帧出错时，源和目的节点之间恶劣的信道状态在很多时候可能无法快速恢复，此时一般的FEC+ARQ重传机制将失效。目前解决该问题的一种思路是利用能正确接收源节点和目的节点突发帧的其他节点来代替源节点向目的节点重传突发帧，该方法称为协作重传方法。目前协作重传是研究的热点，如何选择最佳协作重传节点则是问题的关键，目前存在的方案大致分为两类：其一是基于分时退避的思路，基于目的节点一次只能正确接收一个无冲突的突发帧，故候选节点采用某种退避方案及RTS/CTS机制来竞争信道后进行协作重传，所以该方案存在时间开销大、无法解决隐藏节点问题、信道利用率不高等问题；其二，目的节点采用空间分集或码分多址技术将冲突的突发帧分离开，候选节点无需退避竞争信道可以同时重传突发帧。但这类方案中每个候选节点都要重传整个突发帧，系统能量消耗大，算法复杂，实现成本较高。

发明内容

发明目的：解决在带隐藏节点的协作重传场景下如何将频分多址（FDMA）技术应用到最佳协作重传节点的选择中。

技术方案：本发明的发明原理，利用能正确接收源节点和目的节点突发帧的其他节点来代替源节点向目的节点重传突发帧并尽量减小系统开销。代替源节点进行重传突发帧的节点被称为候选协作重传节点（简称候选节点），候选节点到目的节点的信道质量比源节点到目的节点之间的信道质量更好。

存在隐藏节点的协作重传场景如图1所示。最佳协作重传方案必须满足如下条件：占用的时间开销尽量小，能量开销小，方法简单。本发明引入频分多址（FDMA）技术，所提出的方法能很好地解决隐藏节点问题，且方法简单，容易实现，在目前所有公开报道的方案中，时间开销是最小的。

本发明提供FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用。针对上述存在隐藏节点的协作重传场景，本发明提出了如下技术方案：目的节点接收到错误数据帧（简称误帧）后，发送否认（NACK）帧，通知所有潜在协作重传节点，传输中出现了误帧，请求协作重传；每个候选协作重传节点在收到目的节点的NACK帧后，在同一时刻发送一个FDMA竞争突发帧（简称FDMA竞争帧），该FDMA竞争帧由一个特殊的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiply，正交频分复用）符号经时域压缩、加循环前缀（Cyclic Prefix，CP）构成，此OFDM符号中只有与该候选节点标识（ID）号对应的子载波上有信息，其他子载波上填0，候选节点ID号对应的子载波号称为节点的FDMA地址；目的节点接收到全部候选节点的合成信号（时域上重叠）后，对其去CP、时域恢复和FFT运算（即去压缩OFDM解调），将时域信号转换成频域信号，由于每个候选节点的FDMA地址不一样，对FFT后的频域信号进行幅度（模值）分析，幅度最大者对应的节点就是最佳协作重传节点；目的节点向该最佳协作节点发送协作应答帧，之后，该节点代替源节点重发数据帧；在这里，目的节点用子载波信号大小来区分候选节点，属于频分多址（FDMA）技术。

每个候选节点都有一个FDMA地址，候选节点根据该FDMA地址发送的特殊OFDM符号，在时域上存在对称性，利用时域对称性对该OFDM符号进行压缩、并在前面加上循环前缀（CP）后，形成FDMA竞争帧，全部侯选节点的FDMA竞争帧被同时发送，使之在时域上重叠。

最佳协作重传节点的选择方案是本发明的核心内容，描述如下：

由于候选节点的协作请求帧不可能完全做到同时到达目的节点，对合成FDMA竞争帧进行去压缩OFDM解调后，代表候选节点的子载波信号之间不再具有正交性，称这种现象为时域失步。图2为OFDM子载波的频谱特性，从频域上可看到，由于sinc函数的旁瓣值下降的很快，当两个OFDM子载波之间间隔七个子载波或以上时，当出现时域失步时，一个子载波的旁瓣值对其他子载波主瓣最大值处的影响也可以忽略不计，所以当两个候选节点占用的子载波之间相隔七个或七个以上子载波时可以近似将每个节点的子载波看成是正交的，时域失步造成的子载波之间的干扰可以忽略不计。因此目的节点在去压缩OFDM解调后能正确区分出每个候选节点的信号。本发明中每个候选节点所占用的子载波之间的间隔至少为7，即每个候选节点所占用的子载波号差至少为8。

每个节点的FDMA地址产生方法如下：系统中每个节点都有唯一的ID号，标识号为ID的候选节点产生一个长度为N_c的序列S1（序列中的数据从0开始编号），与能被8整除的N_c个子载波号对应，其中只有第ID个数为1，其余为0；然后在序列S1的每个数后面内插7个0，形成序列S2；在序列S2中，每个数对应一个子载波，第ID×8个子载波所分配的数据符号为1其余都为0，即每个候选节点只占用第ID×8个子载波（即FDMA地址）；相邻FDMA地址间的子载波号相差8，S2序列的长度为N=8N_c。对S2序列做N点IFFT运算后所得的N点时域序列是由8个相同的N/8长度的短序列构成的；利用该特性，候选节点可以截取该时域序列的N/8来构造自己的FDMA竞争帧并发送给目的节点，为了对抗时域失步和多径的影响，在所发送的1/8长度的OFDM符号前面添加循环前缀（CP）。

目的节点将收到的帧去CP后，作7次周期延拓，恢复出完整的OFDM符号后做FFT运算，时域信号被转换成频域信号，然后对恢复出来的N_C个子载波的值取模，求出频域信号的模值，即每个被占用子信道对应频谱的幅度值。由图2可知，频域信号是由多个候选节点的频域信号叠加而成，当子载波被占用时其频域信号模值就会比较大否则值比较小。取模运算可以消除相位偏转的影响。由于每个协作重传节点与目的节点D之间的距离及信道状态不相同，所以每个节点的信号到达D时的信号幅度也不相同，当信道条件越好、与D之间的距离越近则到达D节点的信号幅值越大，对应频域信号幅值越大。所以目的节点只需在N_C个频域信号模值中选择一个最大值并记下其序号为N_max，N_max/8值对应的ID号便是最佳协作重传节点的ID值，至此便完成了最佳协作重传节点的选择过程。

在基于FDMA技术的最佳协作重传节点选择方案中，每个候选节点发送的OFDM符号中仅有一个子载波，该子载波号对应候选节点的ID号，候选节点占用的子载波号之间间隔为8或其整数倍，保证目的节点在接收到冲突帧后能正确区分出每个节点的信号；在时域上，利用对称性压缩时域波形，以提高信道传输效率。该方案能很好地解决存在隐藏节点时的协作重传问题。

时域波形对称性推导如下。

假设OFDM调制前频域信号为每个有效子载波值后有7个0的序列：

经IFFT后的时域信号：

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}n}=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N-1)$

$x(n+\frac{N}{8}\×i)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}(n+N\·i/8)},(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)$

$=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)$

$=x\left(n\right),(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)---\left(2\right)$

表示时域波形由8个相同的序列构成。

方法流程：

本发明提出的协作重传方法如图3所示，过程描述如下：

1)源节点发送OFDM突发数据帧；

2)目的节点发现该帧错误后，向所有潜在候选协作节点发送否认NACK帧，请求协作重传；

3)符合条件的候选协作节点收到NACK帧后，同时发送FDMA竞争突发帧；

4)目的节点接收到全部候选节点发送的合成FDMA竞争突发帧后，进行解调，获得最佳候选节点；

5)目的节点发送协作应答帧；

6)全部候选协作节点收到协作应答帧后，进行解调、解码，如果自己被选中，则将接收到的、来自源节点的数据帧重发。

在上述过程中，FDMA竞争突发帧和协作应答帧是为实现协作重传引入的额外开销，这两帧越短，时间开销和系统的能量开销就越小。

有益效果：

1、本发明能很好地解决隐藏节点问题。

2、本发明简单、容易实现，时间开销是最小的。

附图说明

图1是带隐藏节点的协作重传场景图。

图2是目的节点接收到的合成OFDM子载波的频谱特性图。

图3是协作重传过程时隙图。

图4是目的节点收到协作请求帧后周期延拓示意图。

图5是目的节点D对占用子载波值取模运算结果示意图。

具体实施方案

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

在移动Ad Hoc网络中，源节点和目的节点之间可能还存在其他节点，这些节点有些能正确接收源节点发送的突发数据帧，而且，从这些节点到达目的节点的信道质量要比源节点和目的节点之间的信道质量好，可以用这些节点代替源节点将突发帧重传给目的节点。这些节点称作候选协作重传节点，简称候选节点。

本发明提出的协作重传方法如图3所示，过程描述如下：

1）源节点发送OFDM突发数据帧；

2）目的节点发现该帧错误后，向所有潜在候选协作节点发送否认NACK帧，请求协作重传；

3）符合条件的候选协作节点收到NACK帧后，同时发送FDMA竞争突发帧；

4）目的节点接收到全部候选节点发送的合成FDMA竞争突发帧后，进行解调，获得最佳候选节点；

5）目的节点发送协作应答帧；

6）全部候选协作节点收到协作应答帧后，进行解调、解码，如果自己被选中，则将接收到的、来自源节点的数据帧重发。

在上述过程中，FDMA竞争突发帧和协作应答帧是为实现协作重传引入的额外开销，这两帧越短，时间开销和系统的能量开销就越小。

候选节点在收到目的节点的NACK帧后开始最佳候选节点的选择过程。本发明中物理层采用OFDM调制，子载波数为N，做N点FFT、IFFT。系统中每个节点都有一个唯一的ID标识号，并以某种方式将ID号与子载波号关联。候选节点先产生各自的协作请求帧，产生步骤如下：

(1)每个候选节点产生一个N_C=N/8项的全零序列，并将全零序列中自己ID对应位的值置为1，记为S₁；

(2)将S₁序列中每项之后插入7个0，产生一个N项的序列S₂，该序列中的非零项为分配给该候选节点的子载波号；

(3)对S₂做IFFT运算，进行OFDM调制，生成N点的时域序列S₃。由于S₂的值为分配给N_C个子载波的数据符号，该值每个有效位之后有7个0，故可看成是节点每8个子载波占用一个子载波其余子载波置零，所以时域序列S₃是一个由八个相同的序列组成的序列，证明如下：

假设OFDM调制前频域信号为每个有效子载波值后有7个0的序列：

经IFFT后的时域信号：

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}n}=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N-1)$

$x(n+\frac{N}{8}\×i)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}(n+N\·i/8)},(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)$

$=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)$

$=x\left(n\right),(0\≤n\≤N/8,i=1,2,...,7)---\left(4\right)$

表示时域波形由8个相同的序列构成。

(4)将S₃进行时域压缩，只取原序列的1/8，然后在前面加上循环前缀CP，形成OFDM竞争突发帧（或称协作请求帧）。

所有的候选节点无需侦听信道直接将协作请求帧发送给目的节点，在时域上重叠在一起；目的节点收到的合成协作请求帧（即OFDM竞争突发帧）后，先去CP，然后进行7次周期延拓，恢复成完整的OFDM符号，如图4所示。

然后对该OFDM符号做FFT运算，将时域信号转换成频域信号，并对恢复出来的N_C个子载波的复频域值取模，求出频域信号的模值，即求每个被占用子信道对应频谱的幅度值。频域信号是由多个候选节点的频域信号叠加而成的，候选节点的协作请求帧不可能完全做到同时到达目的节点，会出现时域失步现象，取模运算可以消除相位偏转的影响。当子载波有节点占用时其频域信号模值会比较大，如图5所示。

由于每个候选节点与目的节点D之间的距离及信道状态不相同，每个节点的信号到达D时的信号幅度也不相同，当信道条件越好、与D之间的距离越近则到达D节点的信号幅值越大，对应频域信号幅值越大。所以目的节点只需在N_C个频域信号模值中选择一个最大值N_max，该N_max对应的节点便是最佳协作重传节点，至此便完成了最佳协作重传节点的选择过程。

目的节点产生协作应答帧的步骤和协作请求帧类似，置位为1的子载波号与N_max对应；目的节点将协作应答帧广播。候选节点收到协作应答帧后所作的处理和目的节点收到协作请求帧后的处理一样，求出ID值后判断是否是自己的ID，如果是则代替源节点进行突发帧的重传，不是则忽略。

本发明中，候选节点在竞争最佳协作重传节点时无需进行信道的侦听和退避而是直接发送协作请求帧，目的节点能从该冲突帧中选择出最佳协作重传节点，故可以很好的解决隐藏节点的问题，且进行了时域压缩，节省了系统的时间和能量开销。

方案性能分析：

仿真场景所使用的参数描述如下：

候选节点个数	3
		节点ID	100011(35)、111000(56)和1101111(111)
候选节点协作请求帧到达目的节点的时间	2.6us、0us、1.3us
		子载波个数NC	128-16=112
中心工作频率	4.0GHz
		FFT、IFFT点数N	1024
信道模型	M.1225车载信道模型A
		最大多普勒频移	200Hz
候选节点和目的节点之间的信道SNR	10dB
		候选节点发送功率系数	0.5、1和1
OFDM子载波间隔	8kHz

图5为目的节点D对占用子载波值取模运算结果，可以清楚的看到，在第273、441和881项模值有明显的尖峰，可求得三个候选节点的ID分别为(273-1)/8+1=35、(441-1)/8+1=56和(881-1)/8+1=111，其中第441位的模值最大，所以目的节点D选定ID=56的节点为最佳协作重传节点。

仿真结果表明，本发明方案能很好的选择出最佳协作重传节点，且抗噪声干扰性能很强。

根据以上的仿真结果，可分析系统的时间开销性能，开销由以下几部分组成：

(1)候选节点发送协作请求帧所需的时间：仿真时一个OFDM符号时长为1/8k=125us，故协作请求帧时长为检测头时长+CP时长+1/8个OFDM符号的时长20+125/8+125/8=51.25us；

(2)目的节点D等待候选节点协作请求帧的等待时隙取20us；

(3)帧间间隔取20us；

(4)协作应答帧所需时间和协作请求帧相同；

(5)最佳协作重传节点接收协作应答帧所需时间(20+51.25)us；

总的时间开销为51.25us+20us+51.25us+20us+51.25us+20us+51.25us=265us。

在节点移动速度为54km/h以下，载频为4.0GHz时多普勒频移最大为200Hz，信道的相干时间为5ms；本发明方案能在信道的相干时间内完成数据重传，保证了重传数据的可靠性。

从系统能量、时间开销和实现复杂度等多方面综合考虑，本发明方案的总体性能优于目前存在的其他方案。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (6)

1.一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，目的节点接收到错误数据帧（简称误帧）后，发送否认（NACK）帧，通知所有潜在协作重传节点，传输中出现了误帧，请求协作重传；每个候选协作重传节点在收到目的节点的NACK帧后，在同一时刻发送一个FDMA竞争突发帧（简称FDMA竞争帧），该FDMA竞争帧由一个特殊的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiply，正交频分复用）符号经时域压缩、加循环前缀（Cyclic Prefix，CP）构成，此OFDM符号中只有与该候选节点标识（ID）号对应的子载波上有信息，其他子载波上填0，候选节点ID号对应的子载波号称为节点的FDMA地址；目的节点接收到全部候选节点的合成信号（时域上重叠）后，对其去CP、时域恢复和FFT运算（即去压缩OFDM解调），将时域信号转换成频域信号，由于每个候选节点的FDMA地址不一样，对FFT后的频域信号进行幅度（模值）分析，幅度最大者对应的节点就是最佳协作重传节点；目的节点向该最佳协作节点发送协作应答帧，之后，该节点代替源节点重发数据帧。

2.根据权利要求1所述的一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，其特征在于，每个候选节点都有一个FDMA地址，候选节点根据该FDMA地址发送的特殊OFDM符号，在时域上存在对称性，利用时域对称性对该OFDM符号进行压缩、并在前面加上循环前缀（CP）后，形成FDMA竞争帧，全部侯选节点的FDMA竞争帧被同时发送，使之在时域上重叠。

3.根据权利要求2所述的一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，其特征在于，特殊OFDM符号的时域波形具有对称性，其推导如下：假设OFDM调制前频域信号为每个有效子载波值后有7个0的序列：

经IFFT运算后的时域信号：

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}n}=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N-1)$

$x(n+\frac{N}{8}\×i)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}(n+N\·i/8)},(0\≤n\≤N/8,i=\mathrm{1,2},...,7)$

$=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{(N-1)/8}{\mathrm{\Σ}}}X\left(8m\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}8m}{N}n},(0\≤n\≤N/8,i=\mathrm{1,2},...,7)$

$=x\left(n\right),(0\≤n\≤N/8,i=\mathrm{1,2},...,7)$

表示该OFDM符号的时域波形由8个相同的序列构成。

4.根据权利要求2或3所述的一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，其特征在于，在FDMA竞争帧中，候选节点所占用的子载波号能被8整除，根据相同的思路，也可以选择能被16等整除的子载波号作为候选节点的FDMA地址。

5.根据权利要求4所述的一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，其特征在于，系统中每个节点都有唯一的ID号，标识号为ID的候选节点产生一个长度为N_c的序列S1（序列中的数据从0开始编号），与能被8整除的N_c个子载波号对应，其中只有第ID个数为1，其余为0；然后在序列S1的每个数后面内插7个0，形成序列S2；在序列S2中，每个数对应一个子载波，第ID×8个子载波所分配的数据符号为1其余都为0，即每个候选节点只占用第ID×8个子载波（即FDMA地址）；相邻FDMA地址间的子载波号相差8，S2序列的长度为N=8N_c。对S2序列做N点IFFT运算后所得的N点时域序列是由8个相同的N/8长度的短序列构成的；利用该特性，候选节点可以截取该时域序列的N/8来构造自己的FDMA竞争帧并发送给目的节点，为了对抗时域失步和多径的影响，在所发送的1/8长度的OFDM符号前面添加循环前缀（CP）。

6.根据权利要求2所述的一种FDMA技术在带隐藏节点的协作重传中的应用，其特征在于，全部候选节点同时发送的FDMA竞争帧被目的节点收到后，形成合成信号，目的节点将收到的帧去CP后，作7次周期延拓，恢复出完整的OFDM符号后做FFT运算，时域信号被转换成频域信号，然后对恢复出来的N_C个子载波的值取模，求出频域信号的模值，即每个被占用子信道对应频谱的幅度值；频域信号是由多个候选节点的频域信号叠加而成，当子载波被占用时其频域信号模值就会比较大否则值比较小；取模运算可以消除相位偏转的影响；由于每个协作重传节点与目的节点D间的距离、信道状态不相同，每个节点的信号到达D时的信号幅度也不相同，信道条件越好、与D之间的距离越近，则到达节点D的信号幅值越大，对应频域信号幅值越大；所以目的节点只需在N_C个频域信号模值中选择一个最大值并记下其序号为N_max，N_max/8值对应的ID号便是最佳协作重传节点的ID值。

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