CN118139089A - 自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质，属于无线自组网技术领域，本发明要解决的技术问题为针对自组网中保护间隔设置引入的信道利用率降低，采用的技术方案为：该方法是通过周期测量信干比和节点间传输时延并泛洪广播，全网自适应调整保护间隔长度，即通过各个符号估计的信道的相关性估计保护间隔长度，提高信道利用率；并通过最小化全网的信干比值动态选择对应的保护间隔，实现自组网保护间隔自适应配置。

Description

自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及无线自组网技术领域，具体地说是一种自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质。
背景技术
无线自组网技术，尤其是Ad-hoc，Mesh被广泛应用于应急布控、演习作战、特种作业、森林监控、能源矿产、电力线巡检等不同行业。如此需求迥异的应用领域，对自组织节点支持的通信距离的要求各不相同。对于应急布控，由于主要应用于消防、城镇应急管理，其节点间距离在1km范围之内；而对于森林监控、特种作业，通常通信节点会被布置在飞行器之上以增加可监控范围，因此要求节点间的通信距离达到数十公里、甚至上百公里。对于不同的传输距离，无线电波从源节点到目的节点的传输时延是不同的，近似的，可以认为每10km需要大约需要33微妙的传输时延。同时，随着各种应用对数据带宽的不断提升，宽带无线技术越来越多的被应用于自组网。为达到更好的信道利用率，无线宽带自组网广泛采用时分复用多址技术，将连续的时隙资源按照一跳、或者多跳邻居关系分配给不同的节点使用，避免干扰，时隙资源的分配采用静态、动态的分配方法。各个节点不同的物理空间位置导致不同的传播延时，因此，在时隙资源占用了相邻时间片的两个节点，如果不做保护，码间干扰是很难避免的。
如附图1所示，节点A、B和C在一个自组网中，在几何空间里，节点A和B距离节点C的距离不同。相比于节点A，节点B距离节点C的距离更远。
在资源分配上，节点A和节点C分配的连续时隙资源相邻，如附图2所示。
假设各个节点都以某一绝对同步时间来计算时隙边界并发送各自的信号，那么由于节点的传输延时引入的码间干扰如附图3所示，在此时间段内，从节点C看来，A和B的发送信号相互干扰。
解决方法是节点在其分配的时间片（连续的时隙资源）内发送信号时，最后的几个符号时间不发送任何信号，而是作为保护间隔使用，如附图4所示。
由于采用了保护间隔，避免了信号A->C 和B->C到达节点C时形成的干扰。保护间隔的长度由节点间的最大传输距离来决定。如上所述，不同的应用场景，节点间通信距离有显著的差别，考虑到信道利用率，不能简单的使用单一保护间隔（比如100km对应的传输时延）来应对所有的场景，不同的应用场景使用不同的保护间隔（比如，在应急领域和森林监控领域，自组网的节点要配置不同的保护间隔）。
因此，节点在接收信号之前，要知道邻居节点采用的保护间隔的长度，否则将不能正确对信号进行解调。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质，来解决针对自组网中保护间隔设置引入的信道利用率降低的问题。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种自组网保护间隔自适应配置检测方法，该方法是通过周期测量信干比和节点间传输时延并泛洪广播，全网自适应调整保护间隔长度，即通过各个符号估计的信道的相关性估计保护间隔长度，提高信道利用率；并通过最小化全网的信干比值动态选择对应的保护间隔，实现自组网保护间隔自适应配置。
作为优选，自组网保护间隔自适应配置以目标函数最小化为目标，目标函数具体如下：
；
其中，x为当前网络配置的保护间隔长度，取值为有限集合；SIR定义为子网内在网节点连续分配时间片边界时隙的信干比值。
作为优选，自组网保护间隔自适应配置过程具体如下：
子网的根节点默认以一个发送符号作为子网的保护间隔，子网保护间隔的更新周期为；子网的根节点的相关信息由广播信息承载；子网的根节点是指初始建网节点；发送符号是指OFDM符号；
新节点根据信号强度检测所有邻居节点，将满足接入条件的邻居节点放入到接入节点集合，利用保护间隔检测规则依次检测保护间隔并解调网络信息；
在获取到网络信息后，在一个保护间隔更新周期内通过随机接入信道（RACH）得到新节点和接入节点的传播时延信息并记入到邻居节点列表信息库里；其中，/>表示邻居节点索引；
在网节点通过同步跟踪不断更新和邻居节点的传播延时，或者通过随机接入信道重置和邻居节点的传播延时；其中，在网节点是指已经接入自组网络，并与其余节点进行通信的通信节点；自组网是一个自组织网络，不同于星形网（常见的蜂窝网，手机开机后，搜索网络，完成注册后，就可以通过基站打电话，传数据，因此蜂窝网的参数都由基站决定；自组网没有基站这样的中心节点，一个通信节点加入自组网需要其他节点的授权，完成注册后，可以被分配通信资源，称之为在网节点）；
当在网节点作为接入节点时，将随机接入信道过程获取的接入节点的传输延时记入到邻居节点列表信息库里；
在网节点按照网络分配给在网节点的时间片，测量时间片起始和结束时隙的信干比（SIR），并周期性将低通滤波后的信干比（SIR）值通过对应的广播信道泛洪到全网；
新节点、在网节点遍历对应的邻居节点信息库，选择最大的传播延时，以为输入映射到有限集合X，选取有限集合X中最接近值x作为推荐传播延时通过广播信道泛洪到整个子网；
根节点统计接收到的各个在网节点的推荐传播延时值x和信干比值，按照最优化算法在子网保护间隔的更新周期到达前将待更新的传播延时泛洪到全网，在新的传播延时更新周期边界，全网切换到新的保护间隔值，并重新监听新的上报信干比值和x值。
作为优选，保护间隔检测规则具体如下：
（1）新节点在通过信号强度测量检测到可用的接入节点后，通过互相关的方法捕获介入节点的下行同步信号；其中，同步信号由各个在网节点的子帧0（SF0）承载，子帧0上也承载在网节点的广播信道，而且子帧0必须做保护间隔预留；
（2）新节点捕获到接入节点的同步信号后，进行信号功率包络测量；
（3）新节点利用接入节点子帧0各个OFDM符号的循环前缀估计信道，并依次使用估计出的信道进行相关值计算；
（4）新节点结合步骤（2）和步骤（3）估计出接入节点的保护间隔配置；
（5）新节点通过解调接入节点的广播信道，以CRC（Cyclic Redundancy Check）校验值作为步骤（4）的确认。
更优地，最接近值的选取原则为：
；
其中，表示保护间隔（GP）的取值；因为保护间隔（GP）的取值x_i不能是任意值，有限个x的集合X是子网支持的保护间隔值，自组网只能从这有限的集合中选取一个值作为保护间隔；但是通信节点测量的传播延时是个随机值，因此要将这个值映射到有限集合X中的某个值，进而选取原则是/>。
更优地，最优化算法具体如下：
当保护间隔设置不合适时，无法消除码间干扰的影响，码间干扰引起SIR减低，则有SIR = f(/>)这个关系，最优化选取一个/>使得信干比取值最高。
更优地，互相关的方法是指比较两个信号相似度的算法；两个信号越相似，则两个信号的互相关值越大。
更优地，估计信道是利用节点发送的已知信号对信道进行估计，公式如下：
H=Y/X；
其中，Y表示接收的信号，Y=H*X+n；若任一个符号用于作为保护间隔，则说明Y=n；那么使用接收信号进行信道估计时，使用保护间隔（GP）得到的信道估计和使用数据符号得到的信道估计完全不同或者说明相关性差（因为两者不相似）。
一种电子设备，包括：存储器和至少一个处理器；
其中，所述存储器上存储有计算机程序；
所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机程序，使得所述至少一个处理器执行如上述的自组网保护间隔自适应配置检测方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如上述的自组网保护间隔自适应配置检测方法。
本发明的自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质具有以下优点：
（一）针对自组网中保护间隔设置引入的信道利用率降低的问题，本发明提出通过周期测量信干比和节点间传输时延并泛洪广播，全网自适应调整保护间隔长度，缓解由于保护间隔引入的信道利用率低的问题；同时提出利用信道相关性计算的方法动态检测网络配置的保护间隔；
（二）采用可变的保护间隔（应对不同的应用场景）来避免信号到达接收节点产生的码间干扰，因此，对于应用不同场景的自组网（尤其是通信距离不同），要对自组网内所有的通信节点进行对应的保护间隔信息设置，如果没有正确配置此先验信息，接收节点不能正确接收邻居节点的发送信号；同时，传输信号采用保护间隔本质上会降低信道利用率，所以如果能够动态的调整保护间隔的大小可以改善这一问题；本发明的自组网通信节点可以自适应的配置、检测邻居节点使用的保护间隔来正确接收信息；
（三）本发明的自组网可以通过自适应的方式配置保护间隔，进一步提升信道利用率，同时由于节点自适应配置、检测保护间隔，简化自组网的维护；
（四）本发明通过最小化全网的信干比值来动态选择合适的保护间隔；
（五）本发明通过各个符号估计的信道的相关性来估计保护间隔长度。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为节点空间分布示意图；
附图2为节点资源分布示意图；
附图3为码间干扰的示意图；
附图4为保护间隔GP的示意图；
附图5为自组网保护间隔自适应配置过程的流程框图。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的自组网保护间隔自适应配置和检测方法、设备及介质作以下详细地说明。
实施例1：
本实施例提供了一种自组网保护间隔自适应配置和检测方法，该方法是通过周期测量信干比和节点间传输时延并泛洪广播，全网自适应调整保护间隔长度，即通过各个符号估计的信道的相关性估计保护间隔长度，提高信道利用率；并通过最小化全网的信干比值动态选择对应的保护间隔，实现自组网保护间隔自适应配置。
本实施例中，自组网保护间隔自适应配置以目标函数最小化为目标，目标函数具体如下：
；
其中，x为当前网络配置的保护间隔长度，取值为有限集合；SIR定义为子网内在网节点连续分配时间片边界时隙的信干比值。
本实施例中的自组网保护间隔自适应配置过程具体如下：
S1、子网的根节点默认以一个发送符号作为子网的保护间隔，子网保护间隔的更新周期为；子网的根节点的相关信息由广播信息承载；子网的根节点是指初始建网节点；发送符号是指OFDM符号；
S2、新节点根据信号强度检测所有邻居节点，将满足接入条件的邻居节点放入到接入节点集合，利用保护间隔检测规则依次检测保护间隔并解调网络信息；
S3、在获取到网络信息后，在一个保护间隔更新周期内通过随机接入信道（RACH）得到新节点和接入节点的传播时延信息并记入到邻居节点列表信息库里；其中，/>表示邻居节点索引；
S4、在网节点通过同步跟踪不断更新和邻居节点的传播延时，或者通过随机接入信道重置和邻居节点的传播延时；其中，在网节点是指已经接入自组网络，并与其余节点进行通信的通信节点；自组网是一个自组织网络，不同于星形网（常见的蜂窝网，手机开机后，搜索网络，完成注册后，就可以通过基站打电话、传数据，因此蜂窝网的参数都由基站决定；自组网没有基站这样的中心节点，一个通信节点加入自组网需要其他节点的授权，完成注册后，可以被分配通信资源，称之为在网节点）；
S5、当在网节点作为接入节点时，将随机接入信道过程获取的接入节点的传输延时记入到邻居节点列表信息库里；
S6、在网节点按照网络分配给在网节点的时间片，测量时间片起始和结束时隙的信干比（SIR），并周期性将低通滤波后的信干比（SIR）值通过对应的广播信道泛洪到全网；
S7、新节点、在网节点遍历对应的邻居节点信息库，选择最大的传播延时，以/>为输入映射到有限集合X，选取有限集合X中最接近值x作为推荐传播延时通过广播信道泛洪到整个子网；
S8、根节点统计接收到的各个在网节点的推荐传播延时值x和信干比值，按照最优化算法在子网保护间隔的更新周期到达前将待更新的传播延时泛洪到全网，在新的传播延时更新周期边界，全网切换到新的保护间隔值，并重新监听新的上报信干比值和x值。
本实施例中的保护间隔检测规则具体如下：
（1）新节点在通过信号强度测量检测到可用的接入节点后，通过互相关的方法捕获介入节点的下行同步信号；其中，同步信号由各个在网节点的子帧0（SF0）承载，子帧0上也承载在网节点的广播信道，而且子帧0必须做保护间隔预留；
（2）新节点捕获到接入节点的同步信号后，进行信号功率包络测量；
（3）新节点利用接入节点子帧0各个OFDM符号的循环前缀估计信道，并依次使用估计出的信道进行相关值计算；
（4）新节点结合步骤（2）和步骤（3）估计出接入节点的保护间隔配置；
（5）新节点通过解调接入节点的广播信道，以CRC（Cyclic Redundancy Check）校验值作为步骤（4）的确认。
本实施例步骤S7中的最接近值的选取原则为：
；
其中，表示保护间隔（GP）的取值；因为保护间隔（GP）的取值/>不能是任意值，有限个x的集合X是子网支持的保护间隔值，自组网只能从这有限的集合中选取一个值作为保护间隔；但是通信节点测量的传播延时是个随机值，因此要将这个值映射到有限集合X中的某个值，进而选取原则是/>。
本实施例步骤S8中的最优化算法具体如下：
当保护间隔设置不合适时，无法消除码间干扰的影响，码间干扰引起SIR减低，则有SIR = f(/>)这个关系，最优化选取一个/>使得信干比取值最高。
本实施例步骤（1）中的互相关的方法是指比较两个信号相似度的算法；两个信号越相似，则两个信号的互相关值越大。
本实施例步骤（3）中的估计信道是利用节点发送的已知信号对信道进行估计，公式如下：
H=Y/X；
其中，Y表示接收的信号，Y=H*X+n；若任一个符号用于作为保护间隔，则说明Y=n；那么使用接收信号进行信道估计时，使用保护间隔（GP）得到的信道估计和使用数据符号得到的信道估计完全不同或者说明相关性差（因为两者不相似）。
实施例2：
本实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；
其中，存储器存储计算机执行指令；
处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得处理器执行本发明任一实施例中的自组网保护间隔自适应配置和检测方法。
处理器可以是中央处理单元（CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现成可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通过处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可用于储存计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现电子设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器还可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，只能存储卡（SMC），安全数字（SD）卡，闪存卡、至少一个磁盘存储期间、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3：
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，指令由处理器加载，使处理器执行本发明任一实施例中的自组网保护间隔自适应配置和检测方法。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机（或CPU或MPU）读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RYM、DVD-RW、DVD+RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，该方法是通过周期测量信干比和节点间传输时延并泛洪广播，全网自适应调整保护间隔长度，即通过各个符号估计的信道的相关性估计保护间隔长度，提高信道利用率；并通过最小化全网的信干比值动态选择对应的保护间隔，实现自组网保护间隔自适应配置。
2.根据权利要求1所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，自组网保护间隔自适应配置以目标函数最小化为目标，目标函数具体如下：
；
其中，x为当前网络配置的保护间隔长度，取值为有限集合；SIR定义为子网内在网节点连续分配时间片边界时隙的信干比值。
3.根据权利要求1所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，自组网保护间隔自适应配置过程具体如下：
子网的根节点默认以一个发送符号作为子网的保护间隔，子网保护间隔的更新周期为；子网的根节点的相关信息由广播信息承载；子网的根节点是指初始建网节点；发送符号是指OFDM符号；
新节点根据信号强度检测所有邻居节点，将满足接入条件的邻居节点放入到接入节点集合，利用保护间隔检测规则依次检测保护间隔并解调网络信息；
在获取到网络信息后，在一个保护间隔更新周期内通过随机接入信道得到新节点和接入节点的传播时延信息并记入到邻居节点列表信息库里；其中，/>表示邻居节点索引；
在网节点通过同步跟踪不断更新和邻居节点的传播延时，或者通过随机接入信道重置和邻居节点的传播延时；其中，在网节点是指已经接入自组网络，并与其余节点进行通信的通信节点；
当在网节点作为接入节点时，将随机接入信道过程获取的接入节点的传输延时记入到邻居节点列表信息库里；
在网节点按照网络分配给在网节点的时间片，测量时间片起始和结束时隙的信干比，并周期性将低通滤波后的信干比值通过对应的广播信道泛洪到全网；
新节点、在网节点遍历对应的邻居节点信息库，选择最大的传播延时，以为输入映射到有限集合X，选取有限集合X中最接近值x作为推荐传播延时通过广播信道泛洪到整个子网；
根节点统计接收到的各个在网节点的推荐传播延时值x和信干比值，按照最优化算法在子网保护间隔的更新周期到达前将待更新的传播延时泛洪到全网，在新的传播延时更新周期边界，全网切换到新的保护间隔值，并重新监听新的上报信干比值和x值。
4.根据权利要求3所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，保护间隔检测规则具体如下：
（1）新节点在通过信号强度测量检测到可用的接入节点后，通过互相关的方法捕获介入节点的下行同步信号；其中，同步信号由各个在网节点的子帧0承载，子帧0上也承载在网节点的广播信道，而且子帧0必须做保护间隔预留；
（2）新节点捕获到接入节点的同步信号后，进行信号功率包络测量；
（3）新节点利用接入节点子帧0各个OFDM符号的循环前缀估计信道，并依次使用估计出的信道进行相关值计算；
（4）新节点结合步骤（2）和步骤（3）估计出接入节点的保护间隔配置；
（5）新节点通过解调接入节点的广播信道，以CRC校验值作为步骤（4）的确认。
5.根据权利要求3所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，最接近值的选取原则为：
；
其中，表示保护间隔的取值。
6.根据权利要求3所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，最优化算法具体如下：
当保护间隔设置不合适时，无法消除码间干扰的影响，码间干扰引起SIR减低，则有SIR = f(/>)这个关系，最优化选取一个/>使得信干比取值最高。
7.根据权利要求4所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，互相关的方法是指比较两个信号相似度的算法；两个信号越相似，则两个信号的互相关值越大。
8.根据权利要求4所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法，其特征在于，估计信道是利用节点发送的已知信号对信道进行估计，公式如下：
H=Y/X；
其中，Y表示接收的信号，Y=H*X+n；若任一个符号用于作为保护间隔，则说明Y=n；那么使用接收信号进行信道估计时，使用保护间隔得到的信道估计和使用数据符号得到的信道估计完全不同或者说明相关性差。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和至少一个处理器；
其中，所述存储器上存储有计算机程序；
所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机程序，使得所述至少一个处理器执行如权利要求1至8任一项所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求1至8中任一项所述的自组网保护间隔自适应配置检测方法。
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