CN102300265A

CN102300265A - 基于子载波编码的无线通信协商机制

Info

Publication number: CN102300265A
Application number: CN2011102758405A
Authority: CN
Inventors: 陈大卫; 张进; 张黔
Original assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Current assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Priority date: 2011-09-18
Filing date: 2011-09-18
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明涉及一种基于子载波编码的无线通信协商机制，该机制通过对无线通信网络中的子载波进行编码来实现节点之间高效快速地协商，即根据发送信号中各个子载波的使用状态（使用或非使用状态）对子载波进行编码，编码后的信息包含协商所需要的所有信息。子载波的使用状态可以通过检测信号的能量快速判断，所以子载波编码的接收能在非常短的时候里完成，而且只需要扫描一次信道的能量即可。子载波编码技术能在短时间内，从多个信道逐个接收信息，通过接收到的序列与预设值的比较进行冲突检测。本发明使得无线通信节点能在更宽的信道下进行扫描，支持多节点向一个节点同时进行协商，而且在协商前的各节点不需要进行同步。

Description

基于子载波编码的无线通信协商机制

技术领域

本发明涉及一种基于子载波编码（Subcarrier Coding）的无线通信协商机制。该机制通过对无线通信网络中的子载波进行编码来实现无线通信节点之间高效快速地协商。本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

在无线通信网络中，两个节点进行通信之前都要对通信的时间与信道进行协商。特别地，接收方必须要知道发送方所使用的信道的中心频率与带宽，或发送方必须知道接收方的同样信息。此协商步骤是所有的无线通信的前提基础。

在收发双方事前都没有进行过任何通信的情况下，收发双方完全不知道对方使用的信道的中心频率与带宽。要进行协商，收发双方就不得不逐个扫描各个信道，此类协商是困难且低效的。特别是当各节点之间需要频频进行协商的情况下，协商效率低下的问题就会更为突出，尤其是当新节点加入一个网络的时候，以及Ad hoc网络中节点进行通信的时候。本发明的目的就是通过子载波编码技术解决协商效率低下的问题。

以下几个因素导致协商效率低下问题难于解决：

1. 收发双方必须切换到同一个信道才能进行协商；

2. 接收方必须完整地接收下发送方发送的所有信号，接收过程中不能发送信号，也不能接收其它信道的信号。

目前，无线通信网络中有以下两种主流技术来应对协商问题：公共控制信道技术、信道动态切换技术。

在公共控制信道技术中，***预先保留了一个固定的公共的控制信道，所有的控制信号（包括协商信号）都在这个固定的控制信道中进行传输。当节点空闲的时候就监听这个公共的控制信道，如果有其他节点向它发协商信号时就能够顺利接收到这个信号并进行协商。目前的手机网络普遍使用公共控制信道技术。公共控制信道技术最大的问题有两个：一是当节点过多使得公共控制信道趋于饱和的时候，所有的协商都无法顺利进行，整个无线通信网络将处于瘫痪状态；二是在许多网络中，特别是在认知无线网络中，任何一个信道都可能被其它通信***占用从而不能使用，所以无法找到一个固定可用的信道，进而无法使用公共控制信道技术。

在信道动态切换技术中，各节点在各个信道上动态地切换，当收发双方在某一时刻同时切换到同一信道的时候，协商就可以顺利进行。现有技术主要通过信道动态切换算法的优化来减少信道切换的次数，进而减少信道切换时所需的时间。信道动态切换技术虽然解决了公共控制信道技术中的以上两个问题，但节点在每次通信之前都要进行多次切换信道，使得通信效率低下。虽然可通过算法来减少切换的次数，但通信效率仍然不高。另外，在现有的信道动态切换技术中，收发双方是同步进行切换的，但在实际情况中，“同步”对于需要进行协商的节点来说较为困难，因此信道动态切换技术并没有大规模的应用。

申请号为200910093382.6，申请日为2009年9月18日的国内发明专利申请公开了一种信道协商方法、***和节点。该发明实现了提前预约数据信道，提高了无线网络中数据信道的使用率和协商效率，并且实现了协商使用控制信道，将控制信道临时复用成数据信道，增大了***的整体资源利用率。本发明中进行协商的各节点不需要事先进行同步，省去了原本很耗时的同步操作，使协商速度大大提高。本发明采用子载波编码技术采取多个发送节点向一个接收节点在不同的信道上同时进行协商的方法，无须提前预约数据信道，也避免了控制信道与数据信道转换的操作。

申请号为201110054796.5，申请日为2011年3月8日的国内发明专利申请公开了一种多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法。该方法采用公共信道分配方式和基于流的信道选择算法收集当前邻居范围内的信道干扰状况，然后为每条新加入的流选择使路径干扰最小的信道，以达到信道资源负载均衡和最大化吞吐量的目的。该方法仍未解决当节点过多使得公共控制信道趋于饱和的时候，所有的协商都无法顺利进行的问题。本发明采用子载波编码技术，其接收消息时间远小于发送时间，使接收方能够在多个信道上检测信号。支持多个发送节点向一个接收节点在不同的信道上同时进行协商，提高多节点之间同步效率，大幅提高网络的吞吐量。

经检索发现，当无线通信收发双方都不知道对方的信道情况时，本发明提出的协商机制具有创新性，将有效地解决无线通信网络中协商问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在无线通信网络中，节点进行通信之前，尤其是当节点收发双方都不知道对方的信道的时候，通过对无线通信网络中的子载波进行编码来实现无线通信节点之间高效快速地协商。

为实现上述目的所采用的技术方案是：通过改变发送信号中各个子载波的使用状态（使用或非使用状态），对子载波进行编码，这个编码后的信息就包含了协商所需要的所有信息。通过检测信号的能量快速判断子载波的使用状态，而且只需要扫描一次信道的能量即可，不需要完整地接收发送方所有的信号，因此子载波编码的接收能在非常短的时间里完成。

本发明采用如下方案将信息编码到信道的子载波的使用状态中：子载波各自独立地处于使用或非使用状态，当处于使用状态时，其能量会比处于非使用状态下的子载波的能量稍高，本发明通过能量检测判别子载波的使用状态。记使用状态为1，非使用状态为0，将各子载波的状态按顺序排列，就能得到一个二进制0/1序列，序列的长度就是子载波的个数（在现有的802.11a/g无线传输技术中是64个），将这个二进制序列作为子载波编码序列（简称编码序列）。发送协商请求时，协商所需的各种信息就是被编码到这个编码序列中，然后根据编码序列判定各子载波的使用状态。

编码序列被分为了五段，各段有不同的长度放置不同的信息：一段用于标识这是一个子载波编码的序列；一段用于标出这个帧所占用的带宽；一段为协商消息；另外两段分别存放发送方、接收方的ID。这个ID是各个节点的唯一标识，作用类似于现有网络的IP地址。通过该方式将协商需要的信息编码到一个子载波编码序列里，然后一次性发射出去。

接收方接收到信号后，通过快速傅立叶变换（FFT）就可以检测到各子载波的使用状态，然后解码出子载波序列，并进一步解码出发送方ID、接收方ID及其它协商信息。

因为接收方接收一帧所需要的时间远小于发送方发送信号所需的时间，使接收方能够在多个信道上快速扫描信号，从而让接收方能在多个信道上监听协商信号。同时，编码形成的序列中1与0的位数预先设定且固定，当两个不同序列叠加时，得到的序列必然是1的位数大于预设值，从而检测出冲突。

本发明采用了一个简单高效的编码方案和冲突检测机制，解决了当多个发送方同时在一个信道上发送消息时，接收方会接收到叠加的信号，从而解码出一个错误的序列的问题。

本发明是一种新型的基于子载波编码的无线通信协商机制，能达到的有益的效果如下：

相比现有的无线技术，在相同时间内，子载波编码技术能在多个信道上同时接收协商信息，使得协商的成功率大大提高；

支持多个发送节点向一个接收节点在不同的信道上同时进行协商，提高多节点之间同步效率；

进行协商的各节点不需要事先进行同步，省去了原本耗时的同步操作，使协商速度大大提高；

实现简单，容易在硬件上实现。

附图说明

图1为发送接收流程图；

图2为快速扫描多个信道的示意图；

图3为多个发送方与同一个接收方进行协商的示意图；

图4为冲突检测问题的示意图；

图5为子载波编码序列的分段示意图；

图6为子载波编码与常规协商技术的对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明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做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。

参见图1，一个发送方要向一个接收方用无线的方式发送协商信息。首先发送方会将要发送的信息编码为二进制的子载波编码序列，这个序列包含了发送方ID、接收方ID以及其它协商信息。简单起见，假设这个序列是如图1所示的10101。

发送方根据10101这个子载波编码序列，决定将发送的帧编为5个子载波，其中第一、三、五个子载波为使用状态（能量较高），第二、四个子载波为非使用状态（能量较低），其在频域上波形为图1中所示的波浪形。将这个波形做反傅立叶变换（IFFT）转化为时域信号后发送出去。

接收方检测到信号后，将收到的原始信号做一次傅立叶变换（FFT）变换就得到波浪形的频域波形并解码出10101这个子载波序列（虽然因为硬件原因接收到的信号在频域上会与发送时的原始信号会有些许偏差（offset），但这不影响解码出序列）。再对10101进行解码得到所需要的协商信息。

根据情况，收到消息后的接收方会向发送方发送一个确认消息。这时接收/发送双方角色互换，流程不变。

图1所示的是一个较理想化的情况下的发送与接收。在实际情况下，发送方与接收方不一定工作在相同的信道上，这时发送方发出的信号就不能够被接收方接收到。图2解释了子载波编码技术如何进一步解决这个问题。

图2所示的是一个具有3个信道的无线环境，t1~t5是不同的时间点。假设用通常的技术收/发一个帧需要经过(t5-t1)的时间，检测一个信道的能量需要(t4-t3)的时间，信道的切换需要(t3-t2)的时间。因为子载波编码技术使用了能量检测，所以它接收一个信道的消息只需要（t4-t3）。如图2所示，假设在发送一个帧的时间内，子载波编码技术能在大于3个信道上分别进行一次接收（扫描），那么不论发送方在哪个信道发送信息，接收方都能在事先不知道发送方任何信息的情况下正确接收。即子载波编码的快速扫描的特性使得发送方与接收方在协商之前不需要进行同步。

以上是单个发送方与单个接收方的情况。在实际中情况中，如果各节点之间没有曾经同步、交流过，很可能出现多个发送方向同一个接收方（多对一）发送协商请求的情况，甚至多个发送方向多个接收方（多对多）发送请求。图3解释了子载波编码技术如何解决多对一的情况。多对多的情况可以等价为多个多对一。

图3所示的是两个发送方向同一个接收方发送协商请求的情况，两个发送方工作在不同的信道上。图3中第一行的能量图是在发送方1看来它发出的信号的能量情况，第二行是发送方2的情况，第三行是接收方实际接收到的能量情况。发送方1发的序列是10100100，发送方2是10001010，接收方实际收到的是两序列叠加后的能量，即10100100000…000010001010，中间有若干连续的0是因为两信道之间的间隔。因为在两个信道上检测到了能量，接收方知道他收到了两个协商请求，解码后，接收方根据情况对发送方分别回复消息。子载波编码技术通过此方式解决多对一的协商问题。

在实际情况中有时会有多个发送方在同一信道上发送，这时发送出的信号会相互叠加为一个错误的信号，这种情况可称为“冲突”。对接收方来讲，它不一定能将叠加后的信号还原，简单的处理方式是将它丢弃，但这里有一个非常重要的问题是如何判断接收到的信号是正确的信号还是叠加的信号。图4所示的就是这样的冲突检测问题。

图4中，第一行是发送方1发送的信号，第二行是发送方2在同一个信道中发送的信号，第三行是接收方接收到的信号。可以看到，接收方收到的是两个发送方的信号叠加后的结果，即接收方收到的序列是两个发送方的序列的每一位对应的进行“逻辑或”运算的结果。

子载波编码技术使用了一个简单而高效的方式来进行冲突检测：在子载波编码中，编码形成的序列中1与0的位数预先设定且固定，当两个不同序列叠加时，得到的序列必然是1的位数大于预设值，从而检测出冲突。这种编码方式不但简单，而且具有很高的效率。

图5则显示了在子载波编码技术中如何将要发送的信息分段编码在序列不同的部位，S1~S5是各个部位的长度。第一段长为S1，用于标识这是一个子载波编码的序列，它是一个固定的二进制序列。第二段标出这个帧所占用的带宽，第三、四段是发送方、接收方的ID，第五段为协商消息。因为协商消息的种类比较少，通常只有“请求发送”、“确认请求”等简单的消息，所以S5通常很短。

图6则对子载波编码技术与常规的协商技术进行了比较。在一个4信道的***中，设定一个发送方每隔1秒随机选择一个信道发送协商消息，发送完之后就在该信道监听是否有返回消息。对于接收方，常规协商技术大体为三种：一种就是选择一个信道然后始终监听那个信道是否有协商消息，二是逐个扫描信道，三是随机扫描信道。不论哪一种，因为在常规机制中接收方接收消息的时间不少于发送方发送的消息时间，所以如果发送方只发送一次消息，接收方就只有一次接收的机会。又因为发送方是随机选信道进行发送，所以接收方正确接收协商消息的概率为N分之一，N为信道个数。图6为N=4的情况，即协商成功率约25%。而使用本发明的子载波技术后，接收消息时间远小于发送时间，使接收方能够在多个信道上检测信号，所以协商成功率接近100%，为常规协商技术的N倍。通常N的值是根据分配给***的资源来定的，是人为预先定好的，比如在802.11g中N固定为13。在现有的802.11g无线传输技术中，传输时将一个信道划分为64个子载波（部分子载波未使用），使用54Mbps速率进行传输时，假设完整地发送/接收一帧需要100微秒(20微秒到1000微秒不等，取决于帧的长度)，而扫描一个信道一次只需要3.2微秒，即这时802.11g技术中在一个信道上接收一帧的时间，本发明的子载波编码技术可以在30多个信道上进行接收，算上信道切换的时间(实验中切换时间小于0.7微秒)也有大于25个信道。换个角度说，以802.11g的信道划分方法，如果发送方发送信号的时间相同，本发明的子载波编码技术可以令接收方“同时”接收25个信道的消息，已经远超过802.11g的信道总数。

假设接收方可以“同时”在N（N>=1）个信道上进行接收，那发送方只需要在这N个信道中的任意一个发送协商请求信号即可。

Claims

1.基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是协商前各节点不进行同步的情况下，通过对无线通信网络中的子载波进行编码来实现节点之间高效快速地协商，即快速扫描各个子载波的能量判断其使用状态后用1和0分别标记使用状态和非使用状态，根据使用状态对子载波进行编码，该编码后的信息即包含协商所需要的所有信息；接收方接收编码后信息所需要的时间远小于接收传统方法中协商信号所需的时间，因此接收方可在多个信道上快速扫描信号，监听协商信号，通过接收到的序列与预设值的比较进行冲突检测，提高协商效率。

2.根据权利要求1所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：由于子载波各自独立地处于使用或非使用状态，当处于使用状态时，其能量会比处于非使用状态下的子载波的能量稍高，因此子载波的使用状态可以通过检测信号的能量快速判断。

3.根据权利要求1所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：子载波各自独立地处于使用或非使用状态，用1、0对两种状态进行分别标记后，将这些状态标记按顺序排列得到子载波编码序列。

4.根据权利要求1所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：子载波编码序列可被分为多段用于表示全部协商信息。

5.根据权利要求4所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：其中一段用于标识这是一个子载波编码的序列，一段用于标出这个帧所占用的带宽，一段为协商消息，另外两段分别是发送方、接收方的ID。

6.根据权利要求1所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：采用冲突检测机制即在子载波编码中，编码形成的序列中1与0的位数预先设定且固定，当两个不同序列叠加时，得到的序列必然是1的位数大于预设值，从而检测出冲突。

7.根据权利要求1所述的基于子载波编码的无线通信协商机制，其特征是：接收方接收一帧所需要的时间远小于发送方发送信号所需的时间，使接收方能够在多个信道上快速扫描信号，从而让接收方能在多个信道上监听协商信号。