CN106341841A - 无线多信道防冲突通信系统及多信道通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线多信道防冲突通信系统及多信道通信方法，本发明基于智能流量统计进行防冲突退避算法，获得无线信道的使用率，在终端设备能够以接近实时的方式不断更新各个信道的使用情况，可以在当前信道过于繁忙时切换到还未达到饱和状态的信道，实现动态调整信道利用率，有效避免无线冲突的目的。

Description

无线多信道防冲突通信系统及多信道通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域，具体的说是一种无线多信道防冲突通信系统及多信道通信方法。

背景技术

无线通信是指不依赖于有线连接，而将信号通过指定的调制方式发射到空中，由接收方按照指定的解调方式还原信号的过程。由于信号的传播依赖于空间作为物理媒介，当不同的无线信号同时在相同的空间中传播时，信号间没有线缆的保护，有可能产生信号冲突，导致在接收机上无法正确还原出原始信号。这种情况在采用相同的调制解调方式的信号间尤其明显，通常这种情况称为无线冲突或干扰。在有的系统中，比如具有中央控制单元的无线网络中，由于无线设备的工作频率可以被控制单元统一分配，在最大程度上避免了不同的无线客户端间的冲突可能。但是在某些系统中，比如无中心的无线自组织网络内，由于无线客户端是完全自主控制，网络中也不存在中心控制单元，因此无线通信的发起时刻是不固定的，不同的无线客户端可能在相同的时间段内发起通信，形成冲突。对于接收机来说，这种冲突形成了信号间的干扰，导致无线接收的失败。

无线冲突是一个很难完全避免的现象，一般的无线通信机制会采用载波侦听加后退的方式来避免。图1和图2简要说明了载波侦听后退机制的使用：

图1中，设备在t1时刻有信息需要发送。先是执行载波侦听。到时刻2为止，如果没有在此期间侦听到干扰信号，则认为当前信道是干净的。当前设备从时刻t2开始即进行数据传送。图2中，相同地，设备在t1时刻有信息需要发送，先是执行载波侦听。到时刻2为止，如果在此期间侦听结果为信道繁忙，则从时刻t2开始，进行后退机制，即等待一段时间，直到时刻t3。从时刻t3开始，设备重新进行载波侦听直到时刻t4 。如果此期间信道侦听结果为无干扰信号被侦听到，则从时刻t4开始传送。如果侦听结果还是为信道繁忙，则系统后退更长的一段时间，然后再次进行侦听。这个过程直到信道侦听结果为空闲，或者可允许的最大后退时间消耗完毕。在后者的情况下，通信尝试宣告失败。

载波侦听(后退)机制在常用的无线通信中已经被广泛使用，比如IEEE802.15.4或者IEEE802.11标准中。但是这种机制的有效性是建立在当前信道仍旧是可用的情况下。如果当前信道过于繁忙，信道检测的结果始终为忙，则无线通信始终无法进行。在这种情况下，无线通信需要切换到其他不繁忙的信道上进行通信工作。由于各个信道的流量情况是由在附近范围内工作在相同信道的无线客户端决定的。如果信道切换是随机选择一个信道，那么在新的信道上如果仍旧存在繁忙的情况，当前设备需要花费额外的时间来做出响应，也就是再次经历载波侦听(后退)机制。

无线自组织网络中因为缺少中心控制单元，从网络整体的角度来考虑，很难实现全网统一监控。无线终端设备需要主动侦听附近范围内各个信道以获得有关信息。在获得流量信息的基础上，无线信道的使用率是可以通过计算的方式获得。如果终端设备能够以接近实时的方式不断更新各个信道的使用情况，就可以在当前信道过于繁忙时切换到还未达到饱和状态的信道，实现动态调整信道利用率，有效避免无线冲突的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种无线多信道防冲突通信系统及多信道通信方法，能通过计算得到无线多信道的使用率，以接近实时的方式不断更新各个信道的使用情况，可以在当前信道过于繁忙时切换到还未达到饱和状态的信道，实现动态调整信道利用率，有效避免无线冲突。

本发明的目的是这样实现的：

无线多信道防冲突系统，包括：终端设备单元，包括无线终端设备，用于发射数据信号；监听单元，通过接收机对多个信道进行监听，所述监听单元以一个发送一个标准长度数据包的时间的二倍为单位，以用户指定的侦听次数组成一个监听周期；信道流量统计单元，在一个监听周期结束后，对每个信道上监听记录的结果进行统计，按照已经监听到的在对应信道上活跃的邻居节点数量，计算出该信道上在该监听周期内的无线吞吐量，并根据预先配置的通信概率模型来判断被监控的信道是否达到饱和状态；信道分配管理单元，用于在无线终端发射数据信号时选择信道进行发送；接收单元，用于接收信道上发送的数据信号。

其中，所述无线终端设备单元分别与所述监听单元和所述信道分配管理单元连接，所述信道流量统计单元分别与所述监听单元和信道分配管理单元连接，所述信道分配管理单元还与所述接收单元连接。

进一步，监听单元监听记录内容包括：

和当前系统采用的调制解调信号特征相同的信号，并还原所述信号，记录还原的数据帧长度和从所述数据帧中获得的该信号的发起设备和接收设备的地址，用以建立或更新在改信道上的邻居设备列表，

无法解析且超出设定阈值的能量值，记录下监听到的能量值持续时间。

其中，所述信道最大吞吐量的计算方法为：当一个无线终端建立起邻居信息列表后，根据所处的应用场景选择概率模型，配合邻居节点数量，计算出在当前信道上的最大吞吐量，并将最大吞吐量配置到无线终端设备的存储器中。

进一步，所述信道分配管理单元在当前信道饱和时，根据当前信道的监听记录寻找到未饱和的其他信道用以发送数据信号。

进一步，所述无线终端设备包括发射机和接收机，所述发射机支持多/单频段（eg.间隔6.25kHz）和多/单时隙（eg.间隔30ms）发射，所述接收机支持多/单频段（eg.间隔6.25kHz）和多/单时隙（eg.间隔30ms）的接收，所述接收机将天线接收到的信号先通过射频前端将高频信号降到较低中心频率，经过模数转换器转成数字信号后再通过数字混频器和窄带滤波器拆分信道进行各自解调。

一种多信道通信方法，包括以下步骤：

1）无线终端设备包括发射机和接收机，所述无线终端设备用于发射数据信号，当无线终端设备没有发射任务时，接收机对多个信道进行监听，监听内容包括：和当前系统使用的调制解调信号特征相同的信号，并还原所述信号，记录还原的数据帧长度和从所述数据帧中获得的该信号的发起设备和接收设备的地址，用以建立或更新在改信道上的邻居设备列表；无法解析且超出设定阈值的能量值，记录下监听到的能量值持续时间，在完成一个监听周期后对每个信道上监听记录的结果进行统计，按照已经监听到的在对应信道上活跃的邻居节点数量，计算出该信道上在该监听周期内的无线吞吐量；

2）当无线终端设备发射数据信号时，首先按照原有的通信标准执行标准发送过程，如果该机制没有成功发送数据，检查当前信道的监听记录，如果记录表明当前信道在最近的监听中已经达到流量最大值，则从监听记录中寻找是否存在其他信道还未达到流量饱和：若有信道还未达到饱和状态，转到该信道发送；若其他信道都达到饱和状态，向上层协议汇报传送失败。

本发明的优点在于：本发明能够通过计算得到无线多信道的使用率，以接近实时的方式不断更新各个信道的使用情况，可以在当前信道过于繁忙时切换到还未达到饱和状态的信道，实现动态调整信道利用率，有效避免无线冲突。

附图说明

图1为无干扰信号时载波侦听后退机制示意图；

图2为有干扰信号时载波侦听后退机制示意图；

图3为本发明的无线多信道防冲突算法流程图；

图4为具体实施方式中节点发送概率和吞吐量的关系图示例；

图5为发送概率为0.2时，不同节点数量和吞吐量配置表示例；

图6为本发明的多信道射频框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例作进一步描述。

图3为本发明的无线多信道防冲突算法流程图，如图3所示：

首先将网络设备初始化，设定可用的信道。

在无数据发送时，无线终端设备的接收机对多个信道进行监听并随时更新信道邻居信息，其中一个监听周期包括多个监听单位，一个监听单位时长为传送一个标准长度数据包的时间的二倍，监听内容包括：

和当前的系统使用的调制解调信号特征相同的信号，并还原所述信号，记录还原的数据帧长度和从所述数据帧中获得的该信号的发起设备和接收设备的地址，用以建立或更新在该信道上的邻居设备列表，在本实施例中选用30个节点，此30个节点发送概率和吞吐量的关系图如图4所示，从图4可得出，如果30个节点处在能够互相影响的范围内时，当发送概率大约为5%的时候，网络吞吐量最高可以达到37%左右。如果发送概率继续增加，信道吞吐量会急剧降低；

无法解析且超出设定阈值的能量值，记录下监听到的能量值持续时间。

其中多信道射频框图如图6所示，接收机将天线接收到的信号先通过射频前端将高频信号降到较低中心频率，经过模数转换器转成数字信号后再通过数字混频器和窄带滤波器拆分信道进行各自解调。

在一个监听周期完成后，对每个信道上监听记录的结果进行统计按照已经监听到的在对应信道上活跃的邻居节点数量和超过能量阈值的时间长度，计算出该信道上在该监听周期内的无线吞吐量，然后判断本侦听周期内是否达到最大侦听次数，若是，则统计并记录相应信道在周期内的流量并返回无线终端设备，若不是，则直接返回无线终端设备准备下一轮监听。

当无线终端设备有数据信号发送时，首先进入MAC层按照原有的通信标准执行标准发送过程，在本实施例中为载波侦听后退机制，若该机制成功执行发送数据，则返回无线终端设备。

若该该机制没有成功发送数据，检查当前信道的监听记录，根据对应于应用场景的发送概率，配合记录到的当前信道上邻居节点数量，参考相应情况下最大允许的信道吞吐量（如附图5所示）进行判断：如果记录表明当前信道在最近的监听中已经达到流量最大值，则从监听记录中寻找是否存在其他信道还未达到流量饱和：若有信道符合要求，转到该信道发送，然后返回无线终端设备；若没有，向上层协议汇报传送失败，再返回无线终端设备。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (6)

1.无线多信道防冲突通信系统，其特征在于，包括：

终端设备单元，包括无线终端设备，用于发射数据信号，

监听单元，通过接收机对多个信道进行监听，所述监听单元以发送一个标准长度数据包的时间的二倍长度为单位，以用户指定的侦听次数组成一个监听周期，

信道流量统计单元，在一个监听周期结束后，对每个信道上监听记录的结果进行统计，按照已经监听到的在对应信道上活跃的邻居节点数量，计算出该信道上在该监听周期内的无线吞吐量，并根据预先配置的通信概率模型来判断被监控的信道是否达到饱和状态，

信道分配管理单元，用于在无线终端发射数据信号时选择信道进行发送，

接收单元，用于接收信道上发送的数据信号，

所述无线终端设备单元分别与所述监听单元和所述信道分配管理单元连接，所述信道流量统计单元分别与所述监听单元和信道分配管理单元连接，所述信道分配管理单元还与所述接收单元连接。

2.根据权利要求1所述的无线多信道防冲突通信系统，其特征在于，所述监听单元监听记录内容包括：

和当前的系统采用的调制解调信号特征相同的信号，并还原所述信号，记录还原的数据帧长度和从所述数据帧中获得的该信号的发起设备和接收设备的地址，用以建立或更新在该信道上的邻居设备列表，

无法解析且超出设定阈值的能量值，记录下监听到的能量值持续时间长度。

3.根据权利要求1所述的无线多信道防冲突通信系统，其特征在于，所述信道最大吞吐量的计算方法为：当一个无线终端建立起邻居信息列表后，根据所处的应用场景选择概率模型，配合邻居节点数量，计算出在当前信道上的最大吞吐量，并将最大吞吐量配置到无线终端设备的存储器中。

4.根据权利要求1所述的无线多信道防冲突通信系统，其特征在于，所述信道分配管理单元在当前信道饱和时，根据最新的在各个信道上的监听记录寻找到未饱和的其他信道用以发送数据信号。

5.根据权利要求1或3所述的无线多信道防冲突通信系统，其特征在于，所述无线终端设备包括发射机和接收机，所述发射机支持多/单频段（eg.间隔6.25kHz）和多/单时隙（eg.间隔30ms）发射，所述接收机支持多/单频段（eg.间隔6.25kHz）和多/单时隙（eg.间隔30ms）的接收，所述接收机将天线接收到的信号先通过射频前端将高频信号降到较低中心频率，经过模数转换器转成数字信号后再通过数字混频器和窄带滤波器拆分信道进行各自解调。

6.一种多信道通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）无线终端设备包括发射机和接收机，所述无线终端设备用于发射数据信号，当无线终端设备没有发射任务时，接收机对多个信道进行监听，监听内容包括：和当前的调制解调信号特征相同的信号，并还原所述信号，记录还原的数据帧长度和从所述数据帧中获得的该信号的发起设备和接收设备的地址，用以建立或更新在该信道上的邻居设备列表；无法解析且超出设定阈值的能量值，记录下监听到的能量值持续时间，在完成一个监听周期后对每个信道上监听记录的结果进行统计，按照已经监听到的在对应信道上活跃的邻居节点数量，计算出该信道上在该监听周期内的无线吞吐量；

2）当无线终端设备发射数据信号时，首先按照原有的通信标准执行标准发送过程，如果该机制没有成功发送数据，检查当前信道的监听记录，如果记录表明当前信道在最近的监听中已经达到流量最大值，则从监听记录中寻找是否存在其他信道还未达到流量饱和：若有信道还未达到饱和状态，转到该信道发送；若其他信道都达到饱和状态，向上层协议汇报传送失败。