專利名稱：一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法。利用干擾消除技術解決無線網絡中暴露終端問題。該方法可以有效的利用無線網絡中的暴露終端進行數據傳輸，從而增大網絡總吞吐量。本發(fā)明屬于無線通信技術領域。
背景技術：
暴露終端是無線網絡中的一個經典難題，指在發(fā)送節(jié)點的覆蓋范圍內，而在接收節(jié)點的覆蓋范圍外的節(jié)點，暴露終端因監(jiān)聽到發(fā)送節(jié)點的發(fā)送而可能延遲發(fā)送。它其實是在接收節(jié)點的通信范圍之外，其發(fā)送不會造成沖突。因此暴露終端問題會降低網絡吞吐量， 并且引入不必要的延時。簡單舉例說明暴露終端帶來的危害。節(jié)點A、B、C、D以線性拓撲排列，當B向A發(fā)送數據時，C聽到信道此時被占用，因此認為自己如果發(fā)送數據，就會對當前的數據傳輸造成破壞，所以推遲向D發(fā)送數據。然而，C的發(fā)送只會在發(fā)送端B與B發(fā)送的數據疊加，并不會影響接收端A的數據檢測與解碼，因此C向D的發(fā)送是可以被利用的。 暴露終端的根本原因是因為節(jié)點無法獲得足夠的控制信息進行判斷，因此，怎樣在不影響原始數據信息帶寬的條件下獲得足夠的控制信息是本發(fā)明的關鍵問題。通信干擾技術最早應用于軍事領域。運用無線電干擾設備發(fā)射適當的干擾電磁波，就可以破壞和擾亂敵方的無線電通信。通信干擾技術按頻譜寬度可分為瞄準式干擾和阻塞式干擾。其中，瞄準式干擾是壓制敵方一個確定信道的通信干擾。干擾頻譜寬度僅占一個信道頻寬，準確地與信號頻譜重合，干擾能量可全部用于壓制這一信道，干擾功率利用率高。如果接收方可以獲得干擾信號的特征，那么即使在被干擾的情況下也可以恢復出原始信號，這就是干擾抵消技術。假設在接收方可以接收到兩種信號，干擾信號^和被干擾信號的原始信號f
Y[t] =Ha [t] Xa [t] +Hb [t] Xb [t] +W [t]
Y' [t]=HB[t]xB[t]+w[t]
其中Hi是相應的信道脈沖響應，XA [t]表示原始信號，XB [t]表示干擾信號，而W[t]表示高斯白噪聲。那么，在已知f和f的情況下，xA[t]可以表示為
翁!··-劍
通過這種干擾抵消技術，我們不僅可以消除干擾，獲得原始的數據信息xA[t]，而且還可以人為的利用干擾信號XB[t]攜帶一定量的控制信息。這就是本發(fā)明的背景技術，這種技術可以節(jié)省控制信息的資源消耗，通過物理層的附加控制信息輔助MAC層協議來解決暴露終端問題，從而通過增加沖突域內并行的連接數來增大網絡整體吞吐量。申請?zhí)枮?00710031832. X，申請日期為2007年11月30日的國內發(fā)明專利申請公開了一種解決多跳無線自組網隱藏終端和暴露終端問題的方法。該方法控制發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點在不同狀態(tài)之間的轉換，避免沖突的發(fā)生。其中發(fā)送節(jié)點包括空閑、競爭、等待接收CTS和發(fā)送數據四種狀態(tài)，接收節(jié)點有空閑和等待接收數據兩種狀態(tài)。接收節(jié)點通過控制分組通知隱藏終端、發(fā)送節(jié)點通過控制分組通知暴露終端數據傳輸開始和數據傳輸結束，從而通過設計RTS/CTS、DRI/DRFIN、DSI/DSFIN等控制分組解決多跳無線自組網的隱藏終端和暴露終端問題。然而，傳輸控制分組的代價相當大，從一定程度上影響了網絡整體的傳輸性能。而本發(fā)明的控制分組傳輸并不占用數據信道，因此能夠在在不影響原有數據傳輸性能的基礎上解決暴露終端問題。申請?zhí)枮?01010107186. 2，申請日期為2010年2月5日的國內發(fā)明專利申請公開了一種無線分組網絡媒質接入控制系統(tǒng)和方法，主要解決現有技術中暴露終端無法并發(fā)通信的問題。該方法主要包含媒質接入控制模塊、接收信號解析模塊、MAC幀提取模塊。媒質接入控制模塊在發(fā)送時判斷信道是否空閑及終端是否屬于暴露終端，若是則發(fā)送RTS幀， 并根據已知幀設置預期ACK幀檢測。接收信號解析模塊執(zhí)行預期幀檢測判定ACK是否收到，并執(zhí)行預期幀消除排除幀間干擾。MAC層幀提取模塊從消除預期幀之后的信號中提取 MAC層幀。然而該方法依然依靠時域的RTS分組判斷暴露終端，不僅占用信道帶寬，還會引發(fā)其它問題。本方法的控制分組與數據信號同時傳輸，并不占用原有信道，因此可以在不影響原有數據帶寬的情況下解決暴露終端問題。經檢索發(fā)現，本發(fā)明提出的利用干擾消除技術解決無線網絡中暴露終端問題的方法具有創(chuàng)新性，將有效解決暴露終端問題，增大網絡總吞吐量。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，在不影響原始數據信號帶寬的情況下，令網絡節(jié)點獲得足夠的控制信息，從而利用暴露終端節(jié)點增加沖突域內的并行連接數，增大網絡總吞吐量，減少不必要的時延。為實現上述目的所采用的技術方案是加入物理層干擾附加模塊、干擾檢測模塊、 干擾抵消模塊、MAC層判定模塊和沖突解決模塊，采用一種可以使節(jié)點獲得足夠控制信息的方法，來判斷自己是否為暴露終端，從而利用暴露終端進行并發(fā)傳輸，增大網絡總吞吐量。 具體技術方案為，每個節(jié)點在發(fā)送數據的時候，利用干擾附加模塊將自己的標識和自己接收節(jié)點的標識以干擾信號的方式附加到數據信號中去，與數據信號同時傳輸。數據接收節(jié)點在接收數據的時候，先利用干擾抵消模塊將附加在數據信號的干擾信號去除掉，然后提取出原本的數據信號進行解調解碼。這種干擾附加方式為鄰居節(jié)點提供了當前正在傳輸節(jié)點的標識，當任何一個節(jié)點有數據進行傳輸時，先利用干擾檢測模塊將網絡內所有干擾信號中的節(jié)點標識解調出來，建立一個當前正在傳輸節(jié)點的列表，然后利用MAC層的判定模塊來判定自己是否為暴露終端，從而利用暴露終端進行數據傳輸。干擾附加模塊利用物理層的正交頻分復用(Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)技術,將正在進行傳輸的節(jié)點的物理地址(Media Access Control, MAC)編碼到人為的干擾信號中。OFDM技術將整個信道劃分為若干子載波,本發(fā)明進一步將子載波分組為發(fā)送表示頻帶和接收表示頻帶，每個頻帶包含m個子載波，自頂向下依次編號為O至m-Ι。發(fā)送或接收節(jié)點MAC地址以哈希(Hash)的方式壓縮為一個小于m的整數值 h，則相應的發(fā)送及接收節(jié)點MAC地址表示為頻帶中編號為h的子載波攜帶一個窄帶干擾信號并以二進制的“I”表示。這種特殊調制的干擾信號因包含發(fā)送和接收節(jié)點的MAC地址，而被稱為 A-RTS (Attached-RTS)。為了保證在分布式的網絡中，節(jié)點可以在任意時間檢測到A-RTS干擾信號，干擾附加模塊采用一種循環(huán)干擾的方式，令OFDM每一個符號上攜帶相同的A-RTS信號，這樣即使節(jié)點并沒有在數據傳輸的起點開始檢測，依然可以獲得完整的控制信號，確保了分布式網絡的正常運作。此外，干擾信號獨立于數據信息進行調制，即同一節(jié)點分別傳輸數據信號和控制信號。在控制信號接收端，干擾檢測模塊利用能量檢測器來檢測和解調包含在A-RTS中的控制信息。窄帶的干擾信號相比寬帶數據信號含有較高的能量。當節(jié)點檢測到某一子載波中包含相對高的信號能量時，則該子載波有很大概率上攜帶了窄帶干擾信號。因此可以解碼出相應的哈希值，從而獲得當前傳輸的節(jié)點列表。干擾抵消模塊幫助數據信號接收端消除干擾信號，還原并解調出原始數據信號。 OFDM的訓練序列含有信道估測符號，根據信號相關性理論，某一子載波的信道估測值可以由其相鄰子載波的估測值計算得出。因此該模塊僅使用一部分子載波估測信道，剩余子載波則用來記錄干擾信號強度。干擾抵消模塊根據訓練序列中記錄的干擾信號強度，將干擾信號由接收到的混合信號中抵消，即可以得到原始的數據信號。當某個節(jié)點有數據需要發(fā)送的時候，先由以上方式獲得當前傳輸的節(jié)點列表，然后由網絡層路由表獲得其兩跳鄰居表。根據當前傳輸節(jié)點列表和兩跳鄰居表，該節(jié)點利用 MAC層判定模塊來決定自己是否為暴露終端。具體如下如果當前所有的接收節(jié)點不在一跳鄰居范圍之內，且當前的發(fā)送節(jié)點不在其接收節(jié)點的一跳鄰居范圍之內，則該節(jié)點為暴露終端，可以進行數據傳輸。該判定條件保證了節(jié)點的數據傳輸既不會干擾已有的數據傳輸，也不會因其接收節(jié)點受到干擾而浪費傳輸機會。沖突解決模塊用以解決暴露終端節(jié)點接收到的確認報文ACK與其鄰居節(jié)點數據信號之間有可能發(fā)生的沖突，以及不同節(jié)點數據信號之間有可能發(fā)生的沖突。利用暴露終端進行并發(fā)傳輸時，暴露終端接收到的ACK有很大概率會受到其鄰居數據傳輸的干擾，因此沖突解決模塊將原始信道劃分出一小部分子載波，專門用來傳輸ACK，這就保證了數據信號與ACK始終在不同的頻帶進行傳輸，從而有效避免了沖突。不同節(jié)點的數據信號也有可能發(fā)生沖突。當沖突域內兩個節(jié)點幾乎同時發(fā)送的時候，沖突無法避免。沖突解決模塊設計了一種快速重發(fā)機制，讓發(fā)送沖突的所有節(jié)點在沖突之后重新進行發(fā)送的優(yōu)先級，而不用再次競爭信道。這個優(yōu)先級就是由監(jiān)聽重發(fā)的時隙決定的。當節(jié)點在SIFS (Short Interframe Space)時間內接收不到ACK時,就認為沖突發(fā)生，因此可以立刻重新發(fā)送，而不用再監(jiān)聽DIFS (Distributed Interframe Space)時間后重新競爭信道。重發(fā)的順序是由發(fā)送之后監(jiān)聽到的A-RTS的個數決定的。不同報文長度的條件決定了沖突節(jié)點發(fā)送完成的時間不同，因此在發(fā)送完數據之后可以監(jiān)聽到鄰居發(fā)送節(jié)點的A-RTS。在發(fā)送節(jié)點發(fā)送完數據之后，立刻切換到監(jiān)聽模式，并在等待接收節(jié)點的ACK 的同時，監(jiān)聽沖突域內的A-RTS。根據兩跳鄰居表，節(jié)點可以初步判斷是否沖突以及沖突的鄰居個數。如果節(jié)點沒有收到ACK，并且沒有監(jiān)聽到鄰居發(fā)送節(jié)點的A-RTS，那么節(jié)點退出快速重發(fā)。如果節(jié)點監(jiān)聽到一個沖突的A-RTS，那么該節(jié)點第一個進行重發(fā)，而其他節(jié)點等待。如果節(jié)點監(jiān)聽到兩個沖突的A-RTS，那么該節(jié)點等到前面一個節(jié)點重發(fā)之后再進行重發(fā)。依此類推。快速重發(fā)機制保證了沖突節(jié)點可以在最快的時間內完成重發(fā)，而不用再重新進行信道競爭。如果在快速重發(fā)過程中，沖突再次發(fā)生，或者某一個節(jié)點因為其他原因沒有進行重發(fā)，那么其他節(jié)點也會等到DIFS時間，從而退出快速重發(fā)而重新進行信道競爭。本發(fā)明利用干擾附加和抵消技術，能達到的有益效果如下
有效地將節(jié)點控制信息附加到原始數據信號中，使數據信號和控制信號同時傳輸，而不影響原始數據信號的帶寬；
有效地將正在傳輸的節(jié)點信息編碼，保證監(jiān)聽節(jié)點可以在任何時間簡單而快速地解碼出所需要的控制信號；
MAC層判斷模塊有效地利用物理層的控制信號進行暴露終端判斷，從而準確而快速的利用暴露終端進行并發(fā)傳輸，減少不必要的網絡延遲，增大網絡的總吞吐量。


圖I為協議流程圖。圖2為系統(tǒng)示意圖。圖3為干擾附加模塊示意圖。圖4為干擾抵消模塊示意圖。其中圖2中(a)表示傳統(tǒng)CSMA/CA通信系統(tǒng)的傳輸過程，圖2中(b)表示本發(fā)明通信系統(tǒng)的傳輸過程。其中圖3中所示實線波形為原始數據信號，虛線波形為附加的窄帶控制信號。
具體實施例方式參見圖1，當節(jié)點有數據發(fā)送時，先對信道監(jiān)聽DIFS時間，檢測信道中傳輸的 A-RTS0根據檢測到的A-RTS結果，節(jié)點可以建立一個當前傳輸的節(jié)點列表，以此獲得當前傳輸的節(jié)點信息。根據從網絡層獲得的兩跳鄰居表，節(jié)點可以判斷此次數據傳輸能否成功， 如果此時一跳鄰居內并沒有接收節(jié)點，并且節(jié)點的接收端并沒有受到其他傳輸的影響，那么該節(jié)點可以進行數據傳輸。否則，節(jié)點推遲當前傳輸，重新進行信道監(jiān)聽和競爭。如圖I所示，當傳輸完成之后，節(jié)點切換到監(jiān)聽狀態(tài)，等待ACK以及收集沖突域內的其他A-RTS。如果在SIFS時間內節(jié)點接收到ACK，則表示發(fā)送成功，節(jié)點完成當前傳輸并為下次傳輸做準備。如果節(jié)點沒有接收到ACK，則判斷沖突發(fā)生，進入快速重發(fā)階段。節(jié)點根據SIFS時間內監(jiān)聽到的沖突的A-RTS建立一個沖突列表序列，以此決定自己的重發(fā)順序。在重發(fā)之后，節(jié)點進入正常的信道監(jiān)聽和競爭模式。參見圖2，當用戶3想要發(fā)送數據給用戶4時，傳統(tǒng)的CSMA方式是不能利用暴露終端進行傳輸的，因為此時用戶3的鄰居用戶2正在傳輸，因此用戶3只能檢測到信道忙， 而不知道自己的傳輸會不會影響當前的接收者即用戶I。利用Attached-RTS的方式，用戶 3先建立一個正在傳輸節(jié)點列表。根據當前用戶2正在傳輸的數據信號中的A-RTS，用戶3 得知當前的發(fā)送節(jié)點為用戶2而接收節(jié)點為用戶I.因用戶I不在用戶3的一跳鄰居范圍之內，用戶3的傳輸不會影響用戶I。并且，用戶2不在用戶3的接收端用戶4的一跳范圍之內，因此用戶4是空閑的，用戶3為暴露終端，可以向用戶4傳輸數據。參見圖3，如果節(jié)點進行數據傳輸，則將自己的MAC地址及其接收節(jié)點的MAC地址編碼到窄帶干擾信號，并附加到自己的數據信號中與其共同傳輸。虛線的窄帶干擾信號對應于數據信號的中心頻率，并完全包含在實線的數據信號中，以此保證接收節(jié)點在信號采樣的時候可以記錄干擾信號，進行信號抵消。在接收端，接收節(jié)點根據圖4所示的干擾抵消模塊恢復原始數據。節(jié)點在開始接收數據時，先記錄前導碼中空閑子載波上的干擾信號。圖中第二號子載波攜帶干擾信號，而第一、三、五號子載波攜帶導頻信號。接收節(jié)點根據檢測前導碼可以得知干擾信號位于第二號子載波，并記錄下干擾信號的能量。然后，接收節(jié)點根據記錄下的干擾信號能量，來消除在隨后獲得的數據信號和干擾信號的混合信號中的干擾信號，從而獲得原始數據信號。在獲得原始數據信號之后，接收節(jié)點對數據信號進一步解調和解碼，即可獲得自己需要的數據信息。
權利要求
1.一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是基于正交頻分多路復用平臺，在發(fā)送終端加入物理層干擾附加模塊，將自己的標識和自己接收節(jié)點的標識以干擾信號的方式附加到數據信號中，在接收終端加入干擾檢測模塊與干擾抵消模塊將附加在數據信號的干擾信號去除掉，然后提取出原本的數據信號進行解調解碼；通過以上干擾附加方式為鄰居節(jié)點提供當前正在傳輸節(jié)點的標識，因此當任何一個節(jié)點有數據進行傳輸時， 可以由MAC層判定模塊將網絡內所有干擾信號中的節(jié)點標識解調出來，建立一個當前正在傳輸節(jié)點的列表；由沖突解決模塊來判斷自己是否為暴露終端，從而采用一種可以使節(jié)點獲得足夠控制信息的方法，來判斷自己是否為暴露終端，從而利用暴露終端進行并發(fā)傳輸， 增大網絡總吞吐量，減少不必要的時延。
2.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是: 基于正交頻分多路復用平臺，但也可相應地擴展到其他無線傳輸平臺。
3.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 干擾附加模塊通過將節(jié)點MAC地址信息編碼到干擾信號中來獲得正在傳輸的節(jié)點列表，即將OFDM子載波分組為發(fā)送表示頻帶和接收表示頻帶，每個頻帶包含m個子載波，自頂向下依次編號為O至m-Ι ;節(jié)點利用干擾附加模塊將發(fā)送及接收端MAC地址以哈希的方式壓縮為兩個小于m的整數值h，則相應的發(fā)送及接收節(jié)點MAC地址表示為頻帶中編號為h的子載波攜帶一個窄帶干擾信號并以二進制的“I”表示。
4.根據權利要求3所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 干擾附加模塊采用一種循環(huán)干擾的方式，令OFDM每一個符號上攜帶相同的干擾信號，且干擾信號獨立于數據信息進行調制，即同一節(jié)點分別傳輸數據信號和控制信號。
5.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 在控制信號接收端，干擾檢測模塊利用能量檢測器來檢測和解調包含在干擾信號中的控制信息，以解碼出相應的哈希值，從而獲得當前傳輸的節(jié)點列表。
6.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 干擾抵消模塊僅使用一部分子載波估測信道，剩余子載波則用來記錄干擾信號強度，干擾抵消模塊根據訓練序列中記錄的干擾信號強度，將干擾信號由接收到的混合信號中抵消， 解調出原始數據信號。
7.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 節(jié)點在獲得當前傳輸的節(jié)點列表之后，節(jié)點由網絡層路由表獲得其兩跳鄰居表，根據傳輸節(jié)點列表和兩跳鄰居表，節(jié)點利用MAC層判定模塊來決定自己是否為暴露終端，即如果當前所有的接收節(jié)點不在一跳鄰居范圍之內，且當前的發(fā)送節(jié)點不在其接收節(jié)點的一跳鄰居范圍之內，則該節(jié)點為暴露終端，可以進行數據傳輸。
8.根據權利要求I所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 沖突解決模塊用以解決暴露終端節(jié)點接收到的確認報文ACK與其鄰居節(jié)點數據信號之間有可能發(fā)生的沖突，以及不同節(jié)點數據信號之間有可能發(fā)生的沖突。
9.根據權利要求8所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 針對暴露終端節(jié)點接收到的確認報文ACK與其鄰居節(jié)點數據信號之間有可能發(fā)生的沖突， 沖突解決模塊將原始信道劃分出一小部分子載波，專門用來傳輸ACK，保證了數據信號與 ACK始終在不同的頻帶進行傳輸，從而有效避免了沖突。
10.根據權利要求8所述的一種基于物理層干擾信息的暴露終端優(yōu)化方法，其特征是 針對不同節(jié)點的數據信號可能發(fā)生的沖突，沖突解決模塊采用快速重發(fā)機制，讓發(fā)送沖突的所有節(jié)點根據監(jiān)聽重發(fā)的時隙在沖突之后重新進行發(fā)送的優(yōu)先級，即在發(fā)送節(jié)點發(fā)送完數據之后，立刻切換到監(jiān)聽模式，并在等待接收節(jié)點的ACK的同時，監(jiān)聽沖突域內的干擾信號，節(jié)點根據兩跳鄰居表初步判斷是否沖突以及沖突的鄰居個數；如果節(jié)點沒有收到ACK， 并且沒有監(jiān)聽到鄰居發(fā)送節(jié)點的干擾信號，則節(jié)點退出快速重發(fā)；如果節(jié)點監(jiān)聽到一個沖突的干擾信號，則該節(jié)點第一個進行重發(fā)，而其他節(jié)點等待；如果節(jié)點監(jiān)聽到兩個沖突的干擾信號，則該節(jié)點等到前面一個節(jié)點重發(fā)之后再進行重發(fā)；依此類推；如果在快速重發(fā)過程中，沖突再次發(fā)生或者某一個節(jié)點沒有進行重發(fā)，其他節(jié)點則等到DIFS時間，從而退出快速重發(fā)而重新進行信道競爭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于干擾消除技術，用以解決無線網絡中暴露終端問題的通信方法。本發(fā)明基于OFDM調制技術，從無線局域網物理層入手，利用通信干擾技術將無線網絡節(jié)點信息編碼到干擾信號中。攜帶節(jié)點信息即控制信息的干擾信號以“附件”的形式疊加到原始數據信號中，與數據信息同時傳輸。這種傳輸方式可以極大地節(jié)省控制信息的資源消耗。原始數據接收節(jié)點利用干擾抵消技術將干擾信號消除來獲得原始數據。而控制信息接收節(jié)點利用能量檢測的方式將控制信息解調從干擾信號出來，以獲得正在傳輸的節(jié)點列表。再根據從路由層獲得的鄰居表，節(jié)點可以判斷自己是否為暴露終端，從而通過增加沖突域內并行的連接數來增大網絡整體吞吐量，提高空間復用率。
文檔編號H04W74/08GK102612161SQ20121006497
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權日2012年1月13日
發(fā)明者伍楷舜, 倪明選, 王璐, 韓隸 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院