CN103369703A - 用于同频异构无线网络共存的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同频异构无线网络共存的方法和装置，该方法包括：异构无线网络接入节点随机信道接入；接入网关解码收到的信号，保存正确解码的数据；接入网关节点检测并联合已经正确解码的数据解码冲突信号，保存正确解码的数据；接入网关节点发送反馈信息给异构网络发送节点，异构网络接入节点根据反馈信息确定下一次发送的数据。本发明可以从冲突的数据包中提取有效信息，可以显著提高频谱的接入效率与异构网络的整体性能。

Description

用于同频异构无线网络共存的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及用于同频异构无线网络共存的方法和装置。

背景技术

ISM（Industrial Scientific Medical）频段上存在多种异构的无线网络系统，比如WiFi网络、ZigBee网络。这些无线网络具有不同的通信协议，比如现阶段的WiFi网络基于IEEE 802.11a/b/g/n/ac标准，ZigBee网络基于IEEE 802.15.4标准。它们共用ISM的频段来进行数据通信。

这些协议具有不同的物理层。IEEE 802.11a/g/n标准物理层大都基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，以下简称OFDM），IEEE 802.11b/IEEE 802.15.4标准物理层基于直接序列展频技术（Direct Sequence Spread Spectrum，以下简称DSSS）。IEEE 802.11系统一般运行的带宽是20MHz，而IEEE 802.15.4的系统运行带宽是2MHz。WiFi设备的最大发送功率可以达到50mW，而ZigBee设备的最大发送功率只有1mW。

这些协议具有不同的MAC层。WiFi网络与ZigBee网络的MAC层虽然类似，都有基于CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的随机接入协议，还有基于超帧（Super-frame）的集中控制协议，但是两个系统的参数相差较大，比如802.11g的时隙长度是9us，802.15.4的时隙长度是320us，802.11g的最长包的时间长度是542us，802.15.4的最长包的时间长度是4256us。以随机接入为例，这两种网络目前主要依靠CSMA机制来实现共存，即任何一个节点（无论是WiFi节点还是ZigBee节点）在接入信道前都必须确保信道空闲足够长的时间。

不同的物理层与MAC设计导致这两种协议的数据通信经常互相干扰，特别是ZigBee更容易受到WiFi的干扰，因为WiFi的发送功率更高导致ZigBee节点经常退避，占用信道所需要等待空闲时间更短经常与后续的ZigBee数据包冲突。已有技术主要从ZigBee网络的设计出发设计共存方案。根据如何处理冲突数据包，可以将现有方案分为以下几类：

（1）    冲突被动避免：ZigBee网络的数据传输避免与WiFi网络的数据包冲突，其中一个主要原因是WiFi网络的数据包经常会与ZigBee网络的数据包同时传输。一个方法就是，ZigBee网络数据包避免与WiFi网络数据包同时传输。ZigBee网络自动的学习WiFi网络数据包的传输特性，预测数据包传输之间的间隔，然后动态的调整ZigBee数据包的大小，充分利用WiFi数据包传输之间的信道空闲来进行数据传输。

（2）    冲突主动避免：ZigBee网络的数据传输避免与WiFi网络的数据包冲突，其中一个主要原因是WiFi网络节点无法发现ZigBee节点，不能退避发送。一个方法就是，部署额外的ZigBee节点发送强的干扰信号让WiFi网络的节点能够发现ZigBee数据包。这个干扰信号在另外的信道上发送，不对ZigBee网络本身的数据发送造成影响。另外一个方法是将ZigBee网络部署没有被WiFi网络使用的信道上，通过隔离运行频谱来达到不冲突的目的。

（3）    冲突恢复：ZigBee网络的数据包不可避免的受到WiFi数据包的干扰。一个解决的方法就是提高ZigBee数据包的抗干扰能力。比如延长ZigBee数据包的前导码，对ZigBee数据包中的数据添加纠错码。

上述的方法存在如下的缺点：

（1）    冲突被动避免：ZigBee网络性能不能得到保证，必须通过寻找WiFi网络空闲时段才能发送，在WiFi数据传输繁忙时，ZigBee数据传输会受到很大影响。

（2）    冲突主动避免：ZigBee网络的数据传输会影响WiFi网络数据传输，而且这种方式未能充分利用通信的时间频率资源。ZigBee数据包只占据2MHz的带宽，而且ZigBee数据包占据的通信时间相对WiFi更长。当ZigBee数据包传输时，对于WiFi来说，剩余的频谱资源不能利用而且必须等待ZigBee发送结束之后才能发送。

（3）    冲突恢复：需要对ZigBee网络协议做修改，不利于大规模部署；冲突部分的ZigBee数据无法恢复；而且很难确定纠错码的冗余度。

总的来说，上述方法有两个主要缺点：（1）未能充分利用冲突的WiFi与ZigBee数据包；（2）为了达到WiFi与ZigBee数据包不冲突的目的，引入新的机制带来ZigBee或者WiFi网络性能的损失。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供用于同频异构无线网络共存的方法和装置，从冲突的数据包中提取有效信息，提高频谱接入的效率与异构网络的整体性能。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种用于同频异构无线网络共存的方法，包括如下步骤：

步骤1：异构无线网络接入节点采用随机信道接入；

步骤2：接入网关解码收到的信号，保存正确解码的数据，检测冲突信号；

步骤3：接入网关节点解码冲突信号，保存正确解码的数据；

步骤4：接入网关节点发送反馈信息给异构网络接入节点；

步骤5：异构网络接入节点根据反馈信息确定下一次发送的数据。

进一步的，所述步骤2中检测冲突信号，采用包内能量检测方法或者包内FFT频谱检测方法。

进一步的，所述步骤3中解码冲突信号，采用直接解码的方式，或者基于已知接收数据解码的方式。

进一步的，所述直接解码包括串行干扰消除方法或者多用户检测方法。所述基于已知接收数据解码的方式包括已知接收数据匹配与干扰消除方法。

进一步的，所述步骤4中反馈信息是解码成功之后发送给发送节点的ACK信息，所述步骤5中异构网络发送节点发送下一个数据包。

进一步的，所述步骤4中反馈信息是解码部分成功之后发送给发送节点的NAK信息，所述步骤5中异构网络发送节点发送重传数据包指定位置的信息。

本发明采用的第二种技术方案为一种用于同频异构无线网络共存的装置，其特征在于，包括：

异构无线网络解码器：用于对异构无线网络中的接收信号进行解码；

冲突检测器：用于检测接收信号是否是冲突信号；

冲突解码器：用于解码冲突信号；

反馈决策器：用于生成反馈信号；

异构无线网络编码器：用于根据反馈信号确定发送的信号并进行编码发送。

进一步的，所述冲突检测器用于对异构无线网络的接收信号进行冲突检测，确定是否为冲突信号；如果是冲突信号，获取冲突范围信息与冲突的异构网络类型。

进一步的，所述冲突解码器用于对冲突的接收信号进行解码，包括直接解码方式与基于正确接收数据的解码方式。

进一步的，所述反馈决策器包括：ACK或者NAK信息判决器、ACK信息生成单元和NAK信息生成单元。ACK或者NAK信息判决器负责判断应该生成ACK信息还是NAK信息。如果成功解码冲突信号，生成ACK信息；如果不能成功解码冲突信号中的任何数据包，生成NAK信息；

进一步的，所述冲突解码器包括：

已解码数据存储单元：用于存储针对异构无线网络正确接收的解码比特数据，即已知解码比特数据；

信号匹配单元：用于匹配冲突信号中存储于已解码数据存储单元中的已知解码比特数据；以及

干扰消除单元：用于消除已解码数据存储单元中的已知解码比特数据。

进一步的，所述信号匹配单元包括：

比特匹配模块：用于对已解码数据存储单元中的比特数据与解码比特数据进行匹配，获得比特匹配结果；

信号互相关模块：用于对已解码数据存储单元中的比特数据的编码信号与冲突信号进行互相关操作，获得互相关结果；以及

阈值判断模块：用于对比特匹配结果与互相关结果判断，如果大于一定阈值，匹配成功。

有益效果：与现有的技术相比，本发明只需要修改接入网关设计，不需要修改WiFi接入节点与ZigBee接入节点，不会对现有网络性能造成影响。另外一方面，本发明充分利用冲突数据包，从中间提取有效信息，提高了网络整体性能，也达到了高效共存的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的异构无线网络共存通信方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的冲突信号处理的流程图；

图3是本发明实施例提供的接入网关节点装置的结构示意图；

图4是本发明实施例接入网关节点装置中冲突解码器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一个通信方法与一个通信装置。通过设计一种通信方法，将冲突的WiFi数据包与ZigBee数据包转化为可用信息；通过设计一种新的装置，联合设计WiFi与ZigBee的接入网关节点，充分利用上述通信方法达到异构网络高效共存的目的。其中的关键技术就是从冲突数据包中提取有效信息。

为了能从冲突数据包中提取有效信息，本发明的技术方案是：

冲突识别：识别冲突的数据包，确定冲突数据包中冲突信号的范围；

直接冲突解码：冲突的信号中包含两种网络的数据，可以从冲突信号中提取有效信息；

识别冲突信号中的有效数据：直接冲突解码的技术方案在某些情况下不能解码出有效数据，这样导致直接冲突解码失败。假如冲突信号中可以获取部分有效信息，比如冲突一方的地址与序号，可以获取已知地址与序号的发送方的数据。

基于已知数据的冲突解码：如果可以识别并获取冲突数据包中一方的数据，可以重新编码已识别的收到的正确数据包，然后从冲突信号中做干扰消除减去已知信号来生成新的接收信号，解码提取有效信息。

为了达到已知数据的干扰消除，需要对冲突的信号进行匹配，即与已经正确接收的数据进行匹配。有两种方法可以实现这种匹配。其一，对正确接收的数据重新编码调制成采样信号，然后对接收冲突信号与已知数据的采样信号做互相关，如果互相关的结果大于一定阈值就认为该冲突信号中包含某个已知的数据。其二，利用异构网络协议的解码器解码冲突的信号，对解码的比特序列与已知数据的比特序列进行匹配，如果相同的比特数大于一定阈值就认为该冲突信号中包含有某个已知的数据。

本发明实施例提供了一种异构无线网络共存的方法和装置。本发明的技术方案，可以应用于各种通信系统，比如WiFi(802.11g）、WiFi(802.11b)、ZigBee(802.15.4)、蓝牙(Bluetooth)等。以下以WiFi (802.11g)与ZigBee(802.15.4)为例详细说明。

以下为本发明实施例提供的异构无线网络共存通信方法的一个实施例。包括：异构的接入节点随机信道接入；接入网关节点解码收到的信号，保存正确解码的数据，同时检测冲突信号；利用已知数据尝试解码冲突信号，或者匹配已知数据尝试解码冲突信号；如果冲突的两行信号可解，将解码正确的数据进行保存；回复反馈信息（ACK或者NAK）给相应的发送方；收到反馈信息的发送方发送相应的数据。

参见图1，一种共存通信方法的具体流程可以如下描述：

步骤1：异构无线网络接入节点发送数据包，其中数据包包含发送节点的地址与包序号信息。例如，MAC地址、7bit/16bit的包序号信息；

步骤2：接入网关节点解码收到的信号，保存正确解码的数据。例如解码可以用两种不同的解码器，WiFi解码器与ZigBee解码器；保存的信息包括数据包的发送节点地址、包序号、包数据内容；

步骤3：接入网关节点检测冲突信号，解码冲突信号，保存正确解码的数据。冲突信号包含两个不同发送方的数据，可以尝试直接解码，也可以通过利用已知某一方数据的方法解码另一方的数据。检测冲突信号的方法可以是检测一个数据包内部的能量变化，可以是通过FFT检测一个数据包内部频谱信号的变化，可以是通过互相关（cross-correlation）与已知信号相匹配。

步骤4：接入网关节点发送反馈信息给异构网络发送节点。直接解码的方法存在无法解码冲突信号中任何数据包，但是可以获取冲突信号中某一方的部分信息，比如发送节点地址、发送序号。接入网关节点可以发送NAK（Negative Acknowledgment, 没有应答）信息给该发送节点，指示它重传指定位置的数据，并标识重传标志位、重传包的序号、重传包的重传位置区间信息。接入网关节点可以发送ACK（Acknowledgement，确认）信息给成功解码的发送方。

步骤5：异构网络发送节点根据反馈信息确定下一次发送的数据。如果是ACK信息，发送下一个数据包。如果是NAK信息，发送重传数据包给定位置的信息。

以下为步骤3所述的解码冲突信号的具体步骤。参见图2，一种解码冲突信号的具体步骤如下描述：

步骤1：直接解码冲突信号，保存正确解码的数据，利用收到的重传数据包信息恢复冲突数据包。直接解码的方法可以是串行干扰消除（successive interference cancellation）或者联合多用户检测（joint multi-user detection）；保存的数据包信息包括发送节点地址、包序号、包数据内容；

步骤2：直接解码失败但是可以得到冲突某一方数据包地址与序号。利用重传的部分数据包获得冲突信号中某一方的数据。如果收到重传数据包数据包，数据包信息包括重传标志位、重传包的序号、重传包的重传位置区间信息、重传包的数据信息；利用重传数据包恢复已冲突的数据包，例如直接使用重传信息替换冲突部分的信息，然后检测CRC；如果正确可以通过这个信息来解码冲突数据包中的另一方数据包，这个方法可以是干扰消除（interference cancellation）技术；

步骤3：直接冲突完全失败，等待重传数据包。利用已正确的数据解码冲突信号，保存正确解码的数据。直接解码的方法存在无法解码冲突信号中任何数据包，而冲突信号中的某一方数据包信息可能在后续的数据传输中可以正确接收，可以通过这个信息来解码冲突数据包中的另一方数据包，这个方法可以是干扰消除（interference cancellation）技术；

 以下为本发明实施例提供的异构无线网络共存的一个实施装置，该装置处于接入网关节点，具体设计参见图3，一种异构无线网络共存装置可以如下描述：

WiFi解码器/ZigBee解码器：用于对异构无线网络的接收信号进行解码，获得解码比特数据，将正确解码的数据保存在WiFi/ZigBee数据接收模块与冲突解码器模块。

冲突检测器：对接收信号进行冲突检测，确定是否为冲突信号；如果是冲突信号，获取冲突信号冲突范围信息，获取冲突的异构网络类型；

冲突解码器：对冲突信号解码，包括直接解码、已知数据辅助解码，其中已知数据来源于部分包重传与完全包重传。具体构造见图4，其中包括：已解码数据存储单元（包括WiFi数据存储单元、ZigBee数据存储单元），信号匹配单元，干扰消除单元。在已解码数据存储单元中匹配已解码的数据，如果能匹配出已解码的数据，则调用干扰消除单元减去已知的信号，然后调用异构无线网络解码器（WiFi解码器/ZigBee解码器）重新解码。如果不能匹配，则调用异构无线网络解码器（WiFi解码器/ZigBee解码器）直接解码。

反馈决策器：针对冲突信号解码效果设计反馈信号，包括：ACK信息生成单元，NAK信息生成单元。如果成功解码冲突信号，发送相应ACK信息；如果不能成功解码冲突信号中的任何数据包，发送相应NAK信息。

WiFi编码器/ZigBee编码器：用于对异构无线网络的数据进行编码，获得编码信号。

其中冲突解码器中的信号匹配单元包括比特匹配模块、信号互相关模块与阈值判断模块。比特匹配单元可以对接收的冲突信号直接调用异构无线网络解码器，对解码的比特序列调用比特匹配单元与已知数据的比特序列进行匹配，如果结果大于一定阈值认定存在该已知数据。信号互相关模块可以对接收的正确数据包调用异构无线网络编码器生成采样信号，与接收冲突信号做互相关，如果结果大于一定阈值认定存在该已知数据；

其中冲突解码器中的干扰消除单元包括信号卷积器与信号相减器。首先根据信号匹配单元识别对应的已知数据包及其重新编码生成的采样信号，通过冲突信号求出已知数据的信道参数，然后利用信号卷积器模拟经过信道的已知数据信号，利用信号相减器得到新的接收信号。

Claims (10)

1.一种用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：异构无线网络接入节点随机信道接入；

步骤2：接入网关解码收到的信号，保存正确解码的数据；

步骤3：接入网关节点检测冲突信号，解码冲突信号，保存正确解码的数据；

步骤4：接入网关节点发送反馈信息给异构网络接入节点；

步骤5：异构网络接入节点根据反馈信息确定下一次发送的数据。

2.根据权利要求1所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述步骤3中解码冲突信号，采用串行干扰消除方法或多用户检测方法或基于已知数据解码的方式。

3.根据权利要求2所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述基于已知数据解码包括冲突信号匹配找出已正确接收的数据，重新编码已匹配的正确接收的数据包，利用干扰消除法去除已匹配的正确接收的数据包信号，重新解码已干扰消除的冲突信号。

4.根据权利要求3所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述冲突信号匹配是利用已收到的数据包头部比特信息，与直接解码收到的冲突信号的数据包头部比特信息做比特匹配，大于一定阈值即匹配成功。

5.根据权利要求3所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述冲突信号匹配是利用已收到的数据包编码的信号与直接解码收到的冲突信号做互相关，大于一定阈值即匹配成功。

6.根据权利要求1所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述步骤4中反馈信息是解码成功之后发送给发送节点的ACK信息，所述步骤5中异构网络发送节点发送下一个数据包。

7.根据权利要求1所述的用于同频异构无线网络共存的方法，其特征在于，所述步骤4中反馈信息是解码部分成功之后发送给发送节点的NAK信息，所述步骤5中异构网络发送节点发送重传指定位置的数据包。

8.一种用于同频异构无线网络共存的装置，其特征在于，包括：

冲突检测器：用于对异构无线网络的接收信号进行冲突检测，确定是否为冲突信号，如果不是冲突信号，调用异构无线网络解码器进行数据解码；如果是冲突信号，获取冲突范围信息与冲突的异构网络类型，调用冲突解码器进行数据解码；

异构无线网络解码器：用于对异构无线网络的接收信号进行解码，获得接收信号的解码比特数据；

冲突解码器：用于解码冲突信号，获得冲突信号的解码比特数据；

反馈决策器：用于判断应该生成ACK信息还是NAK信息，并生成ACK信息或者NAK信息；以及

异构无线网络编码器：用于根据ACK信息或者NAK信息，对异构无线网络的数据进行编码，获得编码信号。

9.根据权利要求8所述的用于同频异构无线网络共存的装置，其特征在于，所述冲突解码器包括：

已解码数据存储单元：用于存储针对异构无线网络正确接收的解码比特数据；

信号匹配单元：用于匹配冲突信号中存储于已解码数据存储单元中的解码比特数据；以及

干扰消除单元：用于消除已解码数据存储单元中的解码比特数据。

10.根据权利要求9所述的用于同频异构无线网络共存的装置，其特征在于，所述信号匹配单元包括：

比特匹配模块：用于对已解码数据存储单元中的比特数据与解码比特数据进行匹配，获得比特匹配结果；

信号互相关模块：用于对已解码数据存储单元中的比特数据的编码信号与冲突信号进行互相关操作，获得互相关结果；以及

阈值判断模块：用于对比特匹配结果与互相关结果判断，如果大于一定阈值，匹配成功。

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