CN105554868A - 一种基于cdma自组网网络mac准同步协议通信方法 - Google Patents

一种基于cdma自组网网络mac准同步协议通信方法 Download PDF

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Abstract

<b>本发明公开了一种</b><b>基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，包括以下步骤：同步信号发射器每隔一定的周期发送同步控制信号，所述同步控制信号为共通零相关序列，节点之间建立信道连接的信号为共通零相关序列，为各个节点分配节点间传输数据时用的对应的专用零相关序列；发送节点在一个同步控制信号区间中的随机时隙向接收节点发送RTS数据帧来预约信道，当收到RTS数据帧后向发送节点发送CTS数据帧；发送节点在下一个同步控制信号周期发送数据给接收节点</b><b>；</b><b>接收节点在成功接收到一个同步控制信号周期内发送的数据后，发送ACK数据帧给发送节点。可以实现类似的同步效果，同时零相关区序列的性能有着显著提高，而且可以抗干扰。</b>

Description

一种基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于CDMA自组网网络MAC协议方法，具体地涉及一种基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法。
背景技术
近年来，随着CDMA技术的研究和相关的硬件系统的发展和成熟，在现实生活中部署地越来越多。无线自组网网络是一个系统包括一个无线通信节点的连接，具有独立性、多跳的特点、分布和迁移。介质访问控制协议决定了节点通过无线信道的共享空间来发送和接收消息。基于竞争的MAC协议的随机开销低，适用于无线AdHoc网络环境下的单节点和实现成本不高，因而成为无线MAC协议中的主流网络技术。MAC协议是为了保证高效通信而创立的一种的重要而且非常必要的协议。
网络中现有的MAC协议，如CSMA协议，ALOHA，其中隐藏终端问题的存在或许会暴露出一系列的终端问题。暴露终端的意思是指发送者的通讯范围内，但是在接收者的通讯范围之外的终端。这两个主要问题的产生是由于自组网的网络中节点发射机的传输距离有限，不能覆盖全网而引起的特殊问题，这两个问题对自组网的性能有着很严重的影响，只要是高性能MAC协议始终要有效克服这两个问题。所以一般在设计基于自组网的MAC协议时，为了提高网络的系统性能，把解决隐藏终端问题和暴露终端问题作为切入点进行研究的很多，但由于网络中的终端节点能量受限，节点通常被用来发送和接收数据具有相同的功率，会导致不必要的冲突，影响共享信道复用率，从而使自组网的性能严重下降。
当前的MAC协议可以分为两类，用于异步MAC协议的第一类协议，此协议不需要保持所有节点之间的同步，该类协议主要通过载波监听（CSMA)以及控制分组（诸如RTS/CTS等）的多次交互来减少隐藏终端问题。优点是比较简单，各个节点之间不需要保持同步，然而该类协议不能保证实时业务所要求的最大延迟。第二类协议为同步的MAC协议,这类协议要求网络中所有节点都保持时钟同步,主要包括ADAPT、FPRP、RBRP、CATA、ADHOC等,它们通常能够更好地满足实时业务的QoS要求。但是在当代的移动通信系统中，系统基站的数据要与各移动用户之间达到完全同步是相当困难的，由于QS-CDMA标准允许各个节点间有一定的相对时延,所以有必要提出一种准同步的MAC协议。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，在零相关区范围内的用户信号，控制的相对延迟，可以实现类似的同步效果，同时相关的零相关区序列的性能有着显著提高，而且可以抗多址干扰和多径干扰。
本发明的技术方案是：
一种基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：同步信号发射器每隔一定的周期发送同步控制信号，所述同步控制信号为共通零相关序列ZcZ序列s，节点之间建立信道连接的信号为共通零相关序列ZcZ序列r，为各个节点分配节点间传输数据时用的与各个节点一一对应的专用零相关序列；
S02：发送节点在一个同步控制信号区间中的随机时隙向接收节点发送RTS数据帧来预约信道，当接收节点收到RTS数据帧后，向发送节点发送CTS数据帧来确定信道；
S03：当发送节点接收到由接收节点返回的CTS数据帧后，在下一个同步控制信号周期发送数据给接收节点；
S04：接收节点在成功接收到一个同步控制信号周期内发送的数据后，发送ACK数据帧给发送节点。
优选的，所述步骤S02包括：
S11：在两个节点同步确立之后，发送节点向接收节点发送请求RTS数据帧，所述RTS数据帧中存储有发送节点的专用零相关序列的序号，将RTS信号经共通的ZCZ序列r扩频后发送给接收节点；
S12：当接收节点接收到RTS数据帧后采用共通的ZcZ序列r进行解扩，得到发送请求的信号，然后从RTS数据帧中获取到是否要向自身发送数据的信息，如果向自身发送数据且该接收节点处在可接收数据的状态，则向发送节点发送CTS数据帧，否则什么也不发送，发送CTS数据帧采用发送节点的专用零相关序列进行信号扩频。
优选的，所述步骤S03中当发送数据的长度大于一个同步控制信号周期数据帧长度时，将数据拆分成若干个子数据帧在若干个连续的信同步控制信号周期中进行发送。
优选的，所述步骤S04中若接收节点接收数据失败，则接收节点不发送ASK数据帧，发送节点在下一个同步控制信号周期发送上一个同步控制信号周期发送的数据给接收节点。
优选的，当不同的发送节点发送的RTS数据帧在同一个时隙内，则发送节点在下一个同步控制信号周期重新发送RTS数据帧。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1．如果不同节点所发送的RTS不在同一个时隙的话，也就是各个节点间的RTS不发生冲突的话，不同节点间的数据传送就可以避免碰撞，从而实现多个节点间的多对多的同时通信，这样会大大提高系统的性能及吞吐量。另外由于准同步和零相关序列的采用，不同节点间的收发信息不需要完全的同步，只要不同节点之间的时延控制在零相关区窗口内，传送数据的节点之间就可以在接近没有相互干扰的情况下的实现多对多的通信。
在零相关区范围内的用户信号，控制的相对延迟，可以实现类似的同步效果，同时相关的零相关区序列的性能有着显著提高，而且可以抗多址干扰和多径干扰。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法的通信环境的结构示意图；
图2为本发明基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法的通信环境的通信时序图；
图3为本发明基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法的AWGN信道下系统的误码率特性曲线图；
图4为本发明基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法的瑞利衰落信道下系统的误码率特性曲线图；
图5为本发明基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法的采用等增益合并分集技术的扩频通信系统的误码率特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1所示，某一个基地局的信号能够到达的范围为一个网络，在这个范围内有若干个节点（A、B、C、D、E、F）。其中，基地局内设有同步信号发射器，每隔一定的时间间隔该发射器就发送同步控制信号一次，在基地局覆盖的范围内所有的节点都能够收到这样的同步控制信号，各个节点在该同步信号控制下收发信息。在基地局信号控制范围内的距离较远的节点之间（如节点B和节点D）也能够互相收发信息。基地局范围内的所有节点在同步控制信号的控制下通过MAC协议进行通信，两个基地局之间的网络通过基地局作为中介进行数据传输与通信。下面就传输过程中所使用的零相关序列及具体的传输过程进行详细说明。
使用了3种零相关序列，一种是同步控制信号所要用到的序列，记为ZcZ序列s；一种是不同节点之间用来确认能否互相收发信息的序列，记为ZcZ序列r；另外一种就是各个节点之间传输数据时所分配的专用序列，为节点A、B、C、D、E、F所分配的零相关序列分别为ZcZ序列a、ZcZ序列b、ZcZ序列c、ZcZ序列d、ZcZ序列e、ZcZ序列f。从零相关序列的使用可以看出，用来确认同步信号和收发信息信号的零相关序列都是共通的，而用于各个节点收发数据的零相关序列是系统自动分配的并且是一一对应的。也就是说，基地局的同步信号发射器每间隔一定的时间间隔所发送同步控制信号和节点之间建立信道连接的信号采用的都是共通零相关序列，各个节点之间传送数据采用的是由系统自动分配的对应的零相关序列。
零相关序列在零延时附近的一定区域内（零相关窗口之内）具有理想的相关特性，这样的扩频序列能够将QS-CDMA系统的多址干扰降至最低，甚至完全消除。
协议采用基于RTS/CTS的接入方案，发送节点首先发送一个RTS用来预约信道，当接收点收到RTS后，将向发送节点发送CTS用来确定信道。在同步信号区间当中，分别设置了用于发送RTS信号和CTS信号的两个子区间，分别为RTS区间和CTS区间。RTS使用共通的零相关序列从同步区间中随机的时隙开始发送传送数据请求，CTS从接下来的时隙开始对RTS进行应答。当发送节点和接收节点间的连接建立之后，两个节点间就会开始进行数据传输。
不妨以节点A向节点C发送数据为例，对传送过程进行分析。首先节点A和C在基地局的同步信号发射器所发送的同步控制信号控制下，保持同步，这里同步控制信号使用是共通的ZcZ序列s来保持信号的同步。在两个节点同步确立之后，节点A向节点C发送请求RTS，这个时候RTS信号中存储有ZcZ序列a的序号，然后该RTS信号经共通的ZCZ序列r扩频后发送给节点C。接收到RTS发送请求信号的节点C首先采用共通的ZCZ序列r进行解扩，得到发送请求的信号，然后从RTS信息中获取到是否要向自身发送数据的信息，如果目前该节点处在可以接收数据的状态就会向发送节点A发送CTS，否则什么也不发送。这个时候返回的CTS信号和之后的传送数据时候用的信号，都将采用发送方节点A的序列a进行信号扩频。当节点A接收到由节点C返回的应答信号CTS之后，再紧接着的下一个同步时间间隔开始发送数据给节点C，如果数据较大的话，一个同步控制信号的时间间隔内发送不完的话，将把数据拆分进行发送。接收数据的节点C正确接收到一个同步时间间隔内所发送过来的数据的话，会发送一个ACK确认信号给节点A，如果由于信道及其他原因造成传送失败的话，A节点将在下一个同步控制时间间隔内重新传送同样的数据给节点C，保证数据传输的实时性、准确性和及时性。
如图2所示，通信范围内设置了同步控制信号，带背景色的竖条之间的部分是一个同步控制信号的一个区间，这个控制区间是通过共通的ZcZ序列s进行扩频从而保持同步的，带背景色的RTS使用的是共通的ZcZ序列r进行扩频的。其中节点A、B、C、D、E的CTS、ACK和数据帧的发送是采用对应的零相关序列a、b、c、d、e进行扩频的。在时序图中可以看出，可分配的最小时间单位是时隙（timeslot），各个节点利用这些时隙发送数据帧。比如节点A要向节点C发送数据时，首先，在一个同步的信号区间中的随机时隙开始向节点C发送RTS，节点C在同一个同步区间的下一个时隙开始返回CTS信号。节点A在收到节点C返回的CTS信号之后开始在下一个同步区间的开始发送数据帧，节点C的应答信号ACK也在这个同步区间的数据帧之后的时隙返回。当数据的长度大于一个同步区间数据帧长度时，数据会拆分成若干个数据帧在若干个连续的信号同步区间中进行发送。如图2所示，节点D和节点F进行传送数据时，在传送DATA(4)这个数据帧时，应答信号ACK没有正确的返回，此时就要在下一个同步区间开始重新发送DATA(4)这个数据帧。节点B和节点E之间的信号传输也是如此，如果节点B发送RTS和节点A发送的RTS在同一个时隙的话，由于RTS采用的是共通的ZcZ序列r进行扩频，所以就会发生碰撞，发生碰撞的话将在下一个同步区间重新发送RTS。这样的过程一直持续到全部的数据发送完毕为止。
自组网MAC协议中的发送信号RTS、CTS、DATA、ASK数据帧格式如下表所示：
首先介绍各数据帧共有的内容，这里SOP是用来确认帧同步的；RTS帧的DataLength表示送信数据的长度，ZCZCode是用来表示对应节点所被分配的零相关序列，CTS帧的ZCZCode同样是用来表示对应节点所被分配的零相关序列的。DATA帧的DataLength表示该帧的数据长度，DATANumber表示发送帧的序号，SendData用来保存发送的数据。ACK帧的FrameNumber用来保存发送帧的序号。例如，如果传输速率为100Kbps,同步信号的时间间隔为0.1s时，可以考虑设置RTS帧为7字节，CTS和ACK帧为6字节，DATA帧为大于7字节。
这样一来，如果不同节点所发送的RTS不在同一个时隙的话，也就是各个节点间的RTS不发生冲突的话，不同节点间的数据传送就可以避免碰撞，从而实现多个节点间的多对多的同时通信，这样会大大提高系统的性能及吞吐量。另外由于准同步和零相关序列的采用，不同节点间的收发信息不需要完全的同步，只要不同节点之间的时延控制在零相关区窗口内，传送数据的节点之间就可以在接近没有相互干扰的情况下的实现多对多的通信。
使用MATLAB进行仿真，使用的序列为零相关序列，同一信噪比下仿真次数为100000次。分别进行AWGN环境及多径传播环境下的系统性能评价。
如图3所示，采用AWGN信道下系统的误码率特性并不因为用户的增加而发生较大的改变，说明零相关序列具有较好的互相关性。在信噪比0dB，系统误码率较高，这是因为平均功率的平均功率与噪声信号是1:1；在信噪比为10dB的情况下，系统的误码率大大降低，这是由于此时信号的平均功率与加性噪音的平均功率之比为10:1，噪音的干扰相对于信号变弱，所以系统性能得到改善。
图4系统在瑞利衰落信道下系统的误码率特性图。通过和图3的比较可以看出多径传输产生的瑞利衰落对信号的传输产生严重的影响，系统的误码率较单纯的AWGN信道有急剧的恶化。在移动通信环境中，无线信号往往遵循不同的路径到接收机，无线电波的传播通过一个非常复杂的环境中，接收信号的强度，利用直达波和反射波叠加的合成。移动信道的主要特点是由多径衰落和多径传播。在信噪比为10dB的情况下，单纯的AWGN信道下的误码率约为十万分之一，而此时瑞利衰落信道下的误码率接近百分之一，系统的性能的劣化程度显而易见。另一方面，此时系统的性能并没有因为用户的增加而发生劣化，这是因为采用了零相关序列的原因，多重用户之间保持了良好的正交性。
图5为各种环境下系统误码率特性的对比图。可以看出首先系统的性能不论在AWGN信道还是在瑞利衰落信道下都不会因为用户的增加而发生劣化，这和采用一般技术的CDMA系统相比有较大的优越性，因为采用了准同步CDMA系统多重用户间的码间干扰基本为零，而采用其他编码技术的CDMA系统因不能完全消除码间干扰所以系统的性能随着用户的增加而变差；其次，瑞利衰落信道下的系统的误码率特性比单纯的AWGN信道下的误码率特性有极大的改变，表现为系统性能的急剧下降；再次，由于采用了数字化正交相干解调技术，提案系统不需要实现收发端的载波同步，这样将大大减少成本，所以本提案系统在实际应用领域中的空间非常大，诸如组建高性能的3G传感器网络等。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：同步信号发射器每隔一定的周期发送同步控制信号，所述同步控制信号为共通零相关序列ZcZ序列s，节点之间建立信道连接的信号为共通零相关序列ZcZ序列r，为各个节点分配节点间传输数据时用的与各个节点一一对应的专用零相关序列；
S02：发送节点在一个同步控制信号区间中的随机时隙向接收节点发送RTS数据帧来预约信道，当接收节点收到RTS数据帧后，向发送节点发送CTS数据帧来确定信道；
S03：当发送节点接收到由接收节点返回的CTS数据帧后，在下一个同步控制信号周期发送数据给接收节点；
S04：接收节点在成功接收到一个同步控制信号周期内发送的数据后，发送ACK数据帧给发送节点。
2.根据权利要求1所述的基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，所述步骤S02包括：
S11：在两个节点同步确立之后，发送节点向接收节点发送请求RTS数据帧，所述RTS数据帧中存储有发送节点的专用零相关序列的序号，将RTS信号经共通的ZCZ序列r扩频后发送给接收节点；
S12：当接收节点接收到RTS数据帧后采用共通的ZcZ序列r进行解扩，得到发送请求的信号，然后从RTS数据帧中获取到是否要向自身发送数据的信息，如果向自身发送数据且该接收节点处在可接收数据的状态，则向发送节点发送CTS数据帧，否则什么也不发送，发送CTS数据帧采用发送节点的专用零相关序列进行信号扩频。
3.根据权利要求2所述的基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，所述步骤S03中当发送数据的长度大于一个同步控制信号周期数据帧长度时，将数据拆分成若干个子数据帧在若干个连续的信同步控制信号周期中进行发送。
4.根据权利要求1所述的基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，所述步骤S04中若接收节点接收数据失败，则接收节点不发送ASK数据帧，发送节点在下一个同步控制信号周期发送上一个同步控制信号周期发送的数据给接收节点。
5.根据权利要求1所述的基于CDMA自组网网络MAC准同步协议通信方法，其特征在于，当不同的发送节点发送的RTS数据帧在同一个时隙内，则发送节点在下一个同步控制信号周期重新发送RTS数据帧。
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Denomination of invention: A Communication Method Based on CDMA Ad Hoc Network MAC Quasi Synchronous Protocol

Granted publication date: 20181207

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Denomination of invention: A Communication Method Based on CDMA Ad Hoc Network MAC Quasi Synchronous Protocol

Granted publication date: 20181207

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Granted publication date: 20181207

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Denomination of invention: A Communication Method Based on CDMA Ad Hoc Network MAC Quasi Synchronous Protocol

Granted publication date: 20181207

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Granted publication date: 20181207

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Assignee: Yancheng Zhenglong electric heating technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Communication Method Based on CDMA Ad Hoc Network MAC Quasi Synchronous Protocol

Granted publication date: 20181207

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Granted publication date: 20181207

License type: Common License

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Assignee: Dongtai Hongsheng Magnetic Industry Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980012815

Denomination of invention: A Communication Method Based on CDMA Ad Hoc Network MAC Quasi Synchronous Protocol

Granted publication date: 20181207

License type: Common License

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