CN111818606A - 一种基于ofdm系统的协同自组网数据通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法及系统；在本申请中，源节点在发送数据包报文时，需要根据各邻节点的信噪比来选择最合适的数据传输模式及协同节点，从而提高数据传输的质量，减少节点间的信道衰落对数据传输的影响，减少数据传输时延；并且，本申请中的接收端在接收数据包报文后，对邻节点的信噪比进行动态更新，从而实现对系统拓扑结构和信道质量的更新，实现根据环境和网络拓扑结构变化的自适应调整。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法及系统。
背景技术
近年来，协同通信技术由于其可以有效的对抗无线信道衰落、提高系统的稳定性且增加网络吞吐量，已成为通信领域的研究热点之一。协同通信技术利用无线信号的广播特性，在直传信道恶劣的情况下，选择一个或多个邻节点进行转发信号，从而获得分集增益和空间增加，提高信道容量。目前在物理层和MAC(Medium Access Control，媒体介入控制层)层，对于协同通信的关键技术已开展了大量的理论研究，且取得了不错的成果，但从理论分析到实际环境验证还有很多问题需要解决，特别是协同组网协议设计方面。好的物理层技术在缺乏上层协议改善的情况下未必能带来足够好的网络性能提升。协同思想对于上层协议的影响，特别是MAC层协议对于网络性能的影响最近几年得到人们的高度关注。MAC层协议本质是决定资源使用权的技术，高效的MAC层协议可以充分发挥协同增益，配合物理层技术提高整个网络性能。现有的MAC协议在恶劣环境下，无法对环境和网络拓扑结构变化进行自适应调整，导致传输时延大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法及系统，以避免因环境和网络拓扑结构变化导致的数据传输时延大的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法，包括：
源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；
利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；若所述接收端为协同节点，则将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；若所述接收端为目的节点，则向所述源节点直接发送ACK报文。
其中，所述源节点从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
其中，在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式，包括：
若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；
若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
其中，所述利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，包括：
若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；
若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
其中，所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间，包括：
所述接收端接收所述数据包报文后，在所述接收端的一跳邻节点表中更新发送端的信噪比及更新时间；
根据所述数据包报文中携带的所述发送端的一跳邻节点表，更新所述接收端的二跳邻节点表中所述发送端的邻节点的信噪比及更新时间。
其中，若存在目标节点在预定时长内未向其他节点发送数据包报文，则所述协同自组网数据通信方法还包括：
目标节点向邻节点发送邻节点表更新报文，以使所述目标节点的邻节点更新所述目标节点的信噪比及更新时间；所述邻节点表更新报文携带所述目标节点的一跳邻节点表；所述目标节点为协同自组网中的任意节点。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信系统，包括：源节点、协同节点和目的节点；其中，
所述源节点用于根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；
所述协同节点用于接收所述数据包报文后，将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；
所述目的节点用于接收所述数据包报文后，向所述源节点直接发送ACK报文；其中，所述协同节点和所述目的节点均为接收端。
其中，所述源节点具体用于：从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
其中，所述源节点具体用于：若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
其中，所述源节点具体用于：若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
通过以上方案可知，本发明实施例提供的一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法，包括：源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；若所述接收端为协同节点，则将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；若所述接收端为目的节点，则向所述源节点直接发送ACK报文。
可见，在本申请中，源节点在发送数据包报文时，需要根据各邻节点的信噪比来选择最合适的数据传输模式，从而提高数据传输的质量，减少节点间的信道衰落对数据传输的影响，减少数据传输时延；并且，本申请中的接收端在接收数据包报文后，可对邻节点的信噪比进行动态更新，从而实现对系统拓扑结构和信道质量的更新，实现对环境和网络拓扑结构变化进行自适应调整。本发明还公开了一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信系统，同样能实现上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种物理层方案结构示意图；
图2为本发明实施例公开的报文格式示意图；
图3为本发明实施例公开的MAC头格式示意图；
图4为本发明实施例公开的邻节点表LIST表结构示意图；
图5为本发明实施例公开的一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法流程示意图；
图6为本发明实施例公开的一种拓扑结构示意图；
图7为本发明实施例公开的一种数据发送流程示意图；
图8为本发明实施例公开的一种数据接收流程示意图；
图9为本发明实施例公开的各传输模式的端到端时延对比图；
图10为本发明实施例公开的平均每秒传输数据量对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法及系统，以避免因环境和网络拓扑结构变化导致的信道衰落影响和数据传输时延大的问题。
在对本方案说明之前，先对本申请的物理层方案进行说明：
在物理层，为实现协同通信原理样机的相应需求及战术无线通信环境这一专用环境的所需，公开了一个基于译码转发DF(Decode and Forward)的协同OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)系统物理层传输方案，协同通信过程将分为发送端OFDM调制、协同节点转发、以及接收端OFDM解调三个阶段进行，参见图1，为本申请实施例公开的一种物理层方案结构示意图；通过图1可以看出本申请的数据传输流程：
①发送端的OFDM调制阶段：当发送端有数据发送需求时，先进行QAM(QuadratureAmplitude Modulation，正交振幅调制)或QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制，将调制后的串行信号通过串并转换器，转换为并行的信号，再将并行信号进行调制映射，映射后的并行数据进行逆傅里叶变换后再进行并串转换，转换为串行数据，插入保护间隔后进行发送；
②协同节点的转发阶段：当协同节点收到发送端广播的数据后，对接收到的数据进行解码，还原成原始码字后再重新编码，然后将重新编码后的数据发送至接收端；
③接收端的OFDM解调阶段：当接收端收到数据后，首先去掉保护间隔，然后将串行数据通过串并转换器，转换为并行信号后再对并行信号进行快速傅里叶变换，得到经发送端QAM或QPSK调制后的数据，将该数据进行解调后在通过并串转换器，即可得到发送端发送的数据。
具体来说，本方案面对的复杂战术无线通信环境，具有信道环境恶劣、干扰严重、信道衰落现象明显的特点，导致误码重传现象发生频繁且有较大传输时延，但同时网络对QoS(Quality of Service，服务质量)要求严格，尤其是传输时延。因此通过本申请的协同组网MAC协议在进行数据传输时，选用译码转发DF模式与物理层上OFDM技术相结合，这样可以有效地削弱信道衰落对有效数据信号的影响，从而减轻误码重传导致时延大的现象。
进一步，在此对本申请进行数据传输的协议报文格式进行具体说明。参见图2，为本申请实施例公开的报文格式示意图，参见图3，为本申请实施例公开的MAC头格式示意图。其中，本申请中的报文格式由三部分组成：MAC头、负载payload、CRC校验(CyclicRedundancy Check，循环冗余校验)。第一部分的MAC头占84bits；第二部分的负载内容为数据信息，其大小是可变的；第三部分的CRC校验占16bits。参见表1，为MAC头各个域的大小和说明，参见图4，为本申请实施例公开的邻节点表LIST表结构示意图，其中，LIST表各个域大小和说明如表2所示。
表1 MAC头域说明
表2 LIST域说明
需要说明的是，本申请中的MAC协议主要分为三种类型的报文：数据包报文、ACK报文和邻节点表更新报文。各报文MAC头的不同之处在于type域值不同，如：可设定ACK报文type值为00，数据包报文type值为01，邻节点表更新报文为10，其他包段皆相同，便于格式统一。
进一步，目前TDMA(Time division multiple access，时分多址)和FDMA(frequency division multiple access，频分多址)等基于调度机制的MAC协议在中等和重网络负载条件下运行良好，充分地利用信道资源，但是其在低网络负载条件下信道利用率较低；并且，本申请所使用的战术无线通信环境下，网络结构变化大，随时有节点入网与退网，此时基于调度机制的MAC协议在灵活性方面逊于基于竞争机制的MAC协议，且其协议效率也会偏低，在此对典型的基于调度机制的TDMA协议效率进行分析。
①时隙效率ηslot分析
假设最大传输距离为d＝10km，那么传输时延为：
(ΔT)tran＝d/c＝10km/(3*108m/s)≈30μs
假设保护间隔满足(K＝2，两个基本时隙单元)，(ΔT)base为10μs：
TG≥(ΔT)base+(ΔT)drift+(Δt)tran＝(K+1)(ΔT)base+d/c≈60μs
为了设置一部分充裕量，通常取保护间隔会更大一些，即TG≈100μs。
如果时隙长度设置为Tslot＝2ms，那么效率为：
ηslot＝(Tslot–TG)/Tslot＝19/20
②时帧效率ηframe分析
假设每个时帧有16个时隙组成，即nslot＝16，第一个时隙为控制时隙，用于时隙的分配，其余为数据业务时隙，每帧长度为：
Tframe＝Tslot*nslot＝32ms
则数据业务时隙的效率为：
ηframe＝(nslot–1)/nslot＝15/16
③超帧效率ηsupframe分析
假定每个超帧由30个帧组成，即nframe＝30，则每超帧长度为：
Tsupframe＝Tframe*nframe＝960ms
第一个帧尾为控制帧，用于节点的入网等节点信息维护，其余时帧为数据业务帧，则超帧效率为：
ηsupframe＝(nframe–1)/nframe＝29/30
④整体协议效率η分析
将三级协议效率叠加得到协议总效率约为：
ηtotal＝ηslot*ηframe*ηsupframe＝15/16*19/20*29/30≈86％
此外，典型TDMA协议机制还需要节点之间比较严格的时间同步，多数无线传感器网络都是利用了侦听/睡眠的能量唤醒机制，利用时间同步来实现节点状态的自动转化，同时节点之间为了完成任务需要协同工作，这同样不可避免地需要时间的同步。
由以上分析可知，即使在网络结构变化小的情况下，TDMA和FDMA等基于调度机制的MAC协议仍需使用大约14％的网络带宽进行网络管理、入网、退网和时隙同步等功能，且需要严格的时间同步精度来使系统正常运行。考虑到本申请设计的MAC协议的应用场景网络结构变化较大，很难调整时间帧的长度和时隙的分配，此时基于调度机制的MAC协议需要使用更多的网络带宽用于网络管理等功能，且其对于节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差，对于节点发送数据量的变化也不敏感。而基于竞争机制的MAC协议更适合突发性数据业务及非延时敏感性业务，故本协议选择基于竞争的MAC协议作为信道接入机制，也即：基于邻节点的信噪比来选择传输数据的信道，通过这种基于竞争机制的MAC协议，可根据需要分配信道，较好地满足节点数量和网络负载变化，较好地适应网络拓扑结构的变化，不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。
参见图5，本发明实施例提供的一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法流程示意图；该方法包括：
S101、源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；
需要说明的是，本申请为了同时得到集中式体系结构的实现简单和Ad Hoc(分布式)体系结构的组网灵活、抗毁性强的优势，结合集中式和分布式两种体系结构设计出了一种混合拓扑结构，参见图6，为本发明实施例公开的一种拓扑结构示意图；该网络中每个节点角色相同，可分别担任源节点、协同节点、目的节点，且个别节点的入网、退网不影响网络整体结构。具体来说，源节点即为发送数据的节点，与之相对应的目的节点为数据传输的终点。一跳邻节点和二跳邻节点即为本申请中的邻节点，在确定数据传输模式时，可从该邻节点中确定目的节点，也可以从邻节点中确定协同节点，从而实现数据的转发。
具体来说，本申请中的源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式的过程包括：
所述源节点从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
其中，本方案在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式时，具体包括：
若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
需要说明的是，本申请中的每个节点都具有一跳邻节点表和二跳邻节点表，分别记录了本节点与一跳邻节点之间的信噪比SNR(SIGNAL NOISE RATIO)以及本节点的一跳节点与二跳邻节点的信噪比，通过这两个表可选择数据传输的节点，从而确定数据传输的方式。
可以理解的是，在节点运行初始阶段，各节点的邻节点表均为空，所以只能选择直传模式发送数据。当某一节点接收到其他节点的广播包时，无论该包是否发给自己，都会先获取与该包发送节点间的SNR，并将节点名字i，SNR和更新时间记入一跳邻节点表。若自身一跳邻节点表表长为0，则直接将该点信息及与其SNR、时间写入表中；若表长不为0则会在表中搜索该邻节点名字，搜到该节点名字则更新SNR和时间，未搜到则将信息插入表尾。
同时每收到邻节点发来的广播包时，都会获取包头的一跳邻节点表，并将信息与自己的二跳邻节点表进行对比、更新。若自身二跳邻节点表表长为0，则直接插入相应信息。将发送节点的一跳邻节点表中各节点存入自身二跳邻节点表的二跳节点，发送节点与其一跳邻节点的SNR存入自身二跳邻节点表的相应SNR(即二跳邻节点与最佳一跳邻节点的SNR)，自身二跳邻节点表的一跳节点设为包的发送节点，并更新时间。若表长不为0，先在表中寻找两跳邻节点及其相应信息(最佳一跳邻节点、两跳邻节点与最佳一跳邻节点的SNR、一跳邻节点与本节点的SNR、更新时间)，根据最小原则对比综合SNR后更新数据；若寻找不到该两跳邻节点，则将其信息插入表尾。通过上述过程，便可使每个节点维护对应的一跳邻节点表和二跳邻节点表。
进一步，本申请在进行传输模式的选择时，可分为中继转发模式和直传模式，直传模式包括高速低功率直传和大功率低速直传；其中，中继转发模式需要确定协同节点，通过协同节点发送至目的节点；在本申请中，传输方式的选择依据为对比直传和中继的SNR。直传SNR即为本申请中的第一信噪比，可直接在一跳邻节点表中找出，未更新的默认值为0；中继SNR即为本申请中的第二信噪比，可在二跳邻节点表中找出SNR1，SNR2，然后通过中继SNR＝MIN(SNR1，SNR2)的方式确定，其中，SNR1为源节点至协同节点的信噪比，SNR2为协同节点至目的节点的信噪比，若二跳邻节点不存在，则该节点则中继SNR＝0。得到直传SNR和中继SNR信息后，在本申请可通过对两者进行对比判断，选择传输方式：
①若直传SNR＝＝0，即代表一跳邻节点表中未找到目的节点，该情况一般发生在初始阶段，这时默认第一次传输为直传模式；若直传模式不通，重传时再进行比较SNR；
②直传SNR！＝0，中继SNR＝＝0，即存在直传链路，中继链路未知，则选择直传；
③直传SNR＝0，中继SNR！＝0，即不存在直传链路，中继链路存在，则选择中继转发；
④直传SNR！＝0，中继SNR！＝0，即同时存在直传链路和多条中继链路，若两者SNR都偏大，即信道质量好，对直传SNR和中继SNR基于最大信噪比准则进行对比后选择最佳传输方式，若两者相等则优先选择直传。
⑤直传SNR！＝0，中继SNR！＝0，但两个SNR都偏小，小于某个阈值，则优选进行大功率低速直传。
S102、利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；若所述接收端为协同节点，则将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；若所述接收端为目的节点，则向所述源节点直接发送ACK报文。
其中所述利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，包括：
若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
需要说明的是，上文介绍了五种不同情况下的传输模式选择，当直传SNR！＝0，中继SNR！＝0，且直传SNR与中继SNR大小差异不同，即同时存在直传链路和多条中继链路时，此时需要进行协同节点的选择。本申请考虑到进行协同节点选择时，除了要达到协同通信的目的之外，还需要降低干扰以及协同节点间的公平性，因此，本协议采用基于信噪比和瞬时信道状态的选择策略，从源节点的一、二跳邻节点表中分别读取相应信息，基于最大最小原则，即对于不同中继节点，利用公式SNR＝MAX(MIN(SNR1,SNR2))从多个中继节点中选择出当前信道质量下的一个最佳的中继节点作为协同节点。也即：若存在多个中继节点，则每个中继节点具有对应的SNR1，SNR2，先选取每个中继节点对应的SNR1，SNR2中最小值作为每个中继节点的中继SNR，然后从所有中继SNR中选择数值最大的节点作为最佳的协同节点，通过这种方式选取出最佳的协同节点以及最佳的信道来传输数据。
进一步的，本申请中的接收端代表接收数据包报文的节点，可以为目的节点，也可以为协同节点；但无论是哪个节点接收数据包报文，均可更新邻节点的信噪比及更新时间；如：接收端接收所述数据包报文后，在接收端的一跳邻节点表中更新发送端的信噪比及更新时间；根据数据包报文中携带的发送端的一跳邻节点表，更新接收端的二跳邻节点表中发送端的邻节点的信噪比及更新时间，通过这种方式，可以被动获取邻节点的信噪比。
并且，若存在目标节点在预定时长内未向其他节点发送数据包报文，则所述数据通信方法还包括：目标节点向邻节点发送邻节点表更新报文，以使所述目标节点的邻节点更新所述目标节点的信噪比及更新时间；所述邻节点表更新报文携带所述目标节点的一跳邻节点表。其中，所述目标节点可以是网络中的任意节点。
综上可以看出，本申请中各节点的实时信道信息的获取，可以采用被动监听或者主动查询的方式，若预定时长(如2秒)内信道信息不产生大幅度改变，被动监听方式表现为：每次节点发送包时，附带自身的邻节点表，这样邻节点在收到包时，可同时获取与邻节点的信道质量信息和二跳邻节点的信道质量信息，主动查询方式表现为若某节点在预定时长(如2秒)内没有包发送，则触发TIMER中断，进行邻节点表的发送，如：若协同自组网中存在“在预定时长内未向其他节点发送数据包报文”的节点，则在本申请中，为了方便说明，将该节点称为目标节点，所以该节点可以是网络中的任意节点。进而，目标节点需要向其邻节点发送邻节点表更新报文，以使目标节点的邻节点更新目标节点的信噪比及更新时间；需要说明的是，由于该邻节点表更新报文中携带了目标节点的一跳邻节点表，因此，目标节点的邻节点更新目标节点的信噪比及更新时间时，不仅仅需要更新目标节点自身的信噪比及更新时间，还需要对目标节点的一跳邻节点表中的节点进行更新，该目标节点的一跳邻节点表中的节点为该邻节点的二跳邻节点，通过这种方式，就可以保证每个预定时长(如2秒)内，每个节点至少发送一次带有自身邻节点表的包，从而达到信道质量信息实时维护的效果。
需要说明的是，在本申请中，接收端接收到数据包报文后，如果该接收端为协同节点，则需要将数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至源节点；若接收端为目的节点，则直接向源节点发送ACK报文。并且，综上所述，本申请中的报文共分为：数据包报文、ACK报文和邻节点表更新报文，在此通过发送流程和接收流程两方面对本方案进行说明。
参见图7，为本发明实施例公开的一种数据发送流程示意图；可以看出，当上层的数据包到来时，首先会判断自身是否为空闲状态，若为空闲则进入发送流程，若非发送空闲状态，即有包正在传输或者等待其ACK回应，则将数据包进入发送队列尾部。在执行发送流程时，首先确定传输模式，即低功率直传模式、中继转发模式、高功率直传模式；其判别依据为直传SNR与中继SNR的值，根据最大最小准则和最大信噪比原则选择相应的传输模式和协同节点。然后根据选择的传输模式进行数据包传输，同时设立TIMER，等待ACK。此时分为两种情况：
确定传输模式后，则进行包域的修改、发送、设置TIMER及等待ACK；若TIMER超时，则重传次数+1，并重传数据，重置TIMER；若达到重传上限，则该包丢弃。此时若发送队列为空则进入发送空闲状态，若发送队列非空则发送队列中下一数据包。
若是中继传输模式，在等待ACK时，协同节点接收源节点发送的数据包后，不需要进行校验和返回ACK至源节点，协同节点只需要将目的节点的ACK转发至源节点即可，便可表明协同节点已成功收到源节点发送的数据包，则进行TIMER重置。引入该机制的优点是：缩短重传等待时间的同时，协同节点无需进行校验和发送ACK返回源节点，从而节省了中继处理时间，减少了网络中包的数量，避免冲突。
参见图8，为本发明实施例公开的一种数据接收流程示意图；可以看出，当接收机接到其他节点的数据包时，先进行更新邻节点表操作，再判断包的类型，根据报文类型的不同主要分为如下几个步骤：
①TYPE＝＝00，即为ACK包，若relay＝＝self_mac，即自身为协同节点，则将send_id置为self_mac，并转发，不进行CRC校验；若relay！＝self_mac&&source＝＝self_mac，则表明是返回的ACK包，则通知发送机已收到ACK，此时若发送子队列为空则进入发送空闲状态；若发送子队列非空则发送下一数据包；其他情况则丢弃，进入接收空闲状态。
②TYPE＝＝01，即为PACKET包，若relay＝＝self_mac，则是需要自己转发的PACKET包，将send_id置为self_mac，并转发，不进行CRC校验；若destination＝＝self_mac&&relay＝＝0，表示收到直传PACKET包，进行CRC校验，并返回ACK；若destination＝＝self_mac&&relay！＝0，表示收到中继转发的数据包，进行CRC校验，返回ACK至原协同节点；若source＝＝self_mac&&send_id＝＝relay，即发送端收到协同节点转发给目的端的数据包，此时表明中继已成功收到自身发送的数据包并进行了转发，则重置重传TIMER；其他情况则丢弃，进入接收空闲状态。
③若TYPE＝＝10，即为LIST包，进行一跳邻节点表、二跳邻节点表的表更新操作，进入接收空闲状态。
④其他情况，将接收的数据包丢弃，并进入接收空闲状态。
综上可以看出，通过本发明的通信方法传输数据，能够结合战术无线通信的具体应用场景，设计和实现自适应的协同MAC协议方案。解决了现有的MAC协议在恶劣环境下，无法对环境和网络拓扑结构变化进行自适应调整，导致传输时延大或碰撞几率提高的问题。本协议针对复杂战术通信环境下的信道质量和传输需求进行了综合分析与考虑，提供一种针对复杂电磁环境下的协同自组网MAC协议，结合相应的物理层技术，为复杂战场环境下战术无线通信电台的通信提供稳定的保证，极大地满足用户的QoS需求。
下面通过实验进行验证。将传输模式分为三种：
1)SD：直传模式；
2)SRD：本协议的中继转发模式，模式选择时若中继SNR>直传SNR，就选择中继转发模式；
3)SRD70：本协议的中继转发模式，模式选择时需要满足(中继SNR*0.7)>直传SNR，选择中继转发模式；
参见图9，为本发明实施例公开的各传输模式的端到端时延对比图，可以看出中继转发模式SRD70相比于直传模式，平均ETE-Delay更低；图10为本发明实施例公开的平均每秒传输数据量对比图，可以看出本协议的中继转发模式SRD平均每秒传输的数据量更多，网络可以支持更大的负载。仿真结果表明，相比于现有的MAC协议，在恶劣信道环境下，本协议在时延和网络负载方面更胜一筹。
下面对本发明实施例提供的协同自组网数据通信系统进行介绍，下文描述的协同自组网数据通信系统与上文描述的协同自组网数据通信方法可以相互参照。
本发明实施例提供的一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信系统，包括：源节点、协同节点和目的节点；其中，
所述源节点用于根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；
所述协同节点用于接收所述数据包报文后，将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；
所述目的节点用于接收所述数据包报文后，向所述源节点直接发送ACK报文；其中，所述协同节点和所述目的节点均为接收端。
其中，所述源节点具体用于：从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
其中，所述源节点具体用于：若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
其中，所述源节点具体用于：若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
其中，所述接收端具体用于：接收所述数据包报文后，在所述接收端的一跳邻节点表中更新发送端的信噪比及更新时间；根据所述数据包报文中携带的所述发送端的一跳邻节点表，更新所述接收端的二跳邻节点表中所述发送端的邻节点的信噪比及更新时间。
其中，本系统还包括目标节点，用于在预定时长内未向其他节点发送数据包报文时，向邻节点发送邻节点表更新报文，以使所述目标节点的邻节点更新所述目标节点的信噪比及更新时间，更新所述目标节点的邻节点的信噪比及更新时间；所述邻节点表更新报文携带所述目标节点的一跳邻节点表；所述目标节点为协同自组网中的任意节点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信方法，其特征在于，包括：
源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；
利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；若所述接收端为协同节点，则将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；若所述接收端为目的节点，则向所述源节点直接发送ACK报文。
2.根据权利要求1所述的协同自组网数据通信方法，其特征在于，所述源节点根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式，包括：
所述源节点从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
3.根据权利要求2所述的协同自组网数据通信方法，其特征在于，在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式，包括：
若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；
若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
4.根据权利要求3所述的协同自组网数据通信方法，其特征在于，利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，包括：
若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；
若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
5.根据权利要求1所述的协同自组网数据通信方法，其特征在于，所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间，包括：
所述接收端接收所述数据包报文后，在所述接收端的一跳邻节点表中更新发送端的信噪比及更新时间；
根据所述数据包报文中携带的所述发送端的一跳邻节点表，更新所述接收端的二跳邻节点表中所述发送端的邻节点的信噪比及更新时间。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的协同自组网数据通信方法，其特征在于，若存在目标节点在预定时长内未向其他节点发送数据包报文，则所述协同自组网数据通信方法还包括：
目标节点向邻节点发送邻节点表更新报文，以使所述目标节点的邻节点更新所述目标节点的信噪比及更新时间；所述邻节点表更新报文携带所述目标节点的一跳邻节点表；所述目标节点为协同自组网中的任意节点。
7.一种基于OFDM系统的协同自组网数据通信系统，其特征在于，包括：源节点、协同节点和目的节点；其中，
所述源节点用于根据邻节点的信噪比，确定数据传输模式；其中，所述邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，所述数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为协同节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；利用所述数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使所述接收端接收所述数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的信噪比及更新时间；
所述协同节点用于接收所述数据包报文后，将所述数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至所述源节点；
所述目的节点用于接收所述数据包报文后，向所述源节点直接发送ACK报文；其中，所述协同节点和所述目的节点均为接收端。
8.根据权利要求7所述的协同自组网数据通信系统，其特征在于，
所述源节点具体用于：从一跳邻节点表中查找目的节点，并将所述源节点与所述目的节点之间的信噪比作为第一信噪比；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将所述源节点与所述中继节点之间的信噪比、以及所述中继节点与所述目的节点之间的信噪比中的最小值作为第二信噪比；
若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比为零，则确定数据传输模式为直传模式；若所述第一信噪比为零，所述第二信噪比不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若所述第一信噪比不为零，所述第二信噪比不为零，则判断所述第一信噪比和所述第二信噪比是否均大于预定阈值；
若均大于预定阈值，且在所述第一信噪比小于第二信噪比时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式；若均不大于预定阈值，则确定数据传输模式为直传模式。
9.根据权利要求8所述的协同自组网数据通信系统，其特征在于，
所述源节点具体用于：若所述第二信噪比的数量为一个，且所述第一信噪比小于所述第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点；若所述第二信噪比的数量为大于一个，且所述第一信噪比小于数值最大的第二信噪比，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最大的第二信噪比对应的一跳邻节点作为协同节点。
10.根据权利要求9所述的协同自组网数据通信系统，其特征在于，
所述源节点具体用于：若所述数据传输模式为直传模式，则将所述数据包报文直接发送至所述目的节点；若所述数据传输模式为中继转发模式，则将所述数据包报文发送至所述协同节点，通过所述协同节点发送至所述目的节点；其中，所述目的节点和所述协同节点均为数据包报文的接收端。
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