CN102571675B - 一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线干扰抵消技术和节点全双工模式，用以解决无线网络中隐藏终端问题的通信方法。本发明基于OFDM调制技术，从无线局域网物理层入手，利用通信干扰技术将无线网络节点信息编码到特殊的干扰信号中，以“附件”的形式叠加到空气中的数据信号中。控制信息和数据信息可以并行分布式传输，节省了控制信息的资源消耗。接收数据信息的节点利用干扰抵消技术消除干扰信号，从而获得原始数据。接收控制信息的节点利用能量检测技术从混合信号中解调出控制信息，获得冲突域内正在传输节点的物理地址，建立相应节点列表。通过查询邻居节点的发送和接收状态，该节点可以得知自己是否是隐藏终端，从而避免发送冲突数据，以此提高信道利用率。

Description

一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线干扰抵消技术和网络节点全双工模式来解决无线网络中隐藏终端问题的通信方法。该方法可以有效地避免无线网络中隐藏终端引起的传输干扰，从而提高信道利用率，增大网络总吞吐量。本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

隐藏终端是无线网络中的经典难题。隐藏终端是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送数据，导致数据在接收节点处冲突。由于冲突后发送节点要重传冲突的数据，这降低了信道的利用率。以往解决隐藏终端的方法是增大监听范围。然而，增大监听范围又会导致另一经典的难题的恶化，即暴露终端问题。暴露终端问题是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节点覆盖范围内的节点。暴露终端因听到发送节点的发送而延迟发送。但实际上该节点在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突，这就引入了不必要的延时。

发生隐藏终端的本质原因是因为接收节点无法声明自己的传输状态，导致其他节点无法获得足够的控制信息进行判断。因此，怎样在不影响原始数据信息带宽的条件下获得足够的控制信息，并令接收节点有效的声明自己的传输状态是本发明要解决的关键问题。

通信干扰技术最早应用于军事领域。运用无线电干扰设备发射适当的干扰电磁波，就可以破坏和扰乱敌方的无线电通信。通信干扰技术按频谱宽度可分为瞄准式干扰和阻塞式干扰。其中瞄准式干扰是压制敌方一个确定信道的通信干扰。干扰频谱宽度仅占一个信道频宽，准确地与信号频谱重合，干扰能量可全部用于压制这一信道，干扰功率利用率高。如果接收方可以获得干扰信号的特征，那么即使在被干扰的情况下也可以恢复出原始信号，这就是干扰抵消技术。假设在接收方可以接收到两种信号，干扰信号y”和被干扰信号的原始信号y’:

y’[t]＝H_A[t]x_A[t]+H_B[t]x_B[t]+w[t]

y”[t]＝H_B[t]x_B[t]+w[t]

其中H_i是相应的信道脉冲响应，x_A[t]表示原始信号，x_B[t]表示干扰信号，而w[t]表示高斯白噪声。那么，在已知y”和y’的情况下，x_A[t]可以表示为：

$x_A\left[t\right]=\frac{y_i^{\′}\left[t\right]-y_i^{\′\′}\left[t\right]}{H_A}$

通过这种干扰抵消技术，我们不仅可以消除干扰，获得原始的数据信息x_A[t]，而且还可以人为的利用干扰信号x_B[t]携带一定量的控制信息。这就是本发明必备的技术，这种技术可以节省控制信息的资源消耗，通过物理层的附加控制信息辅助MAC层协议来解决隐藏终端和暴露终端问题。

全双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息的信息交互方式。全双工的通信模式在有线网络中非常普及，然而，由于无线通信中信号衰减非常严重，全双工通信会导致发送数据的信号强度与接收数据的信号强度截然不同，从而影响正常接收。无线节点的全双工模式通过实施不让自己听自己的声音的信号处理技术解决了该难题。它的基本思想是通过用滤波器，去除进入接收电路中的发送数据，从而使接收节点可以排除自己发送数据的干扰，准确地收到其他节点的数据。通过无线节点的全双工模式，我们可以令接收节点在接收数据的同时声明自己的传输状态，使隐藏终端问题的解决成为可能。

申请号为200710031832.X，申请日期为2007年11月30日的国内发明专利申请公开了一种解决多跳无线自组网隐藏终端和暴露终端问题的方法。该方法规定发送节点有四种状态：空闲、竞争、等待接收CTS和发送数据；接收节点只有两种状态：空闲和等待接收数据。该方法是控制发送节点和接收节点在这些状态之间的转换来避免冲突的发生。该方法并没有节省控制信号所占用的数据信道带宽。并且控制分组的丢失也会导致其他问题。本发明将控制信息编码成干扰信号，可以在不占用数据带宽的情况下传输控制信号，有效地解决隐藏终端和暴露终端问题。

申请号为200810018282.2，申请日期为2008年5月23日的国内发明专利申请公开了一种解决异类点AD HOC网络隐藏终端的方法。该方法通过设计严格的时序最终在MAC层彻底解决了异类点的隐藏终端的问题。在网络层为每个节点都配备两个发射接口，工作在互不干扰的两个信道，通过利用高性能节点的优势使每个节点形成一个较大的感知区域。在MAC层采用跨层设计的方法，应用网络层中感知到的周围节点的拓扑信息，采用最短路径算法求取多跳返回CTS与ACK的路由，并将CTS多播到隐藏终端来阻止其接入信道。该方法依旧没有节省控制信号所占用的数据信道带宽。并且时序的安排影响了AD HOC的传输效率。本发明的控制信号和数据信号不用时序安排，传输、编码、解码灵活。节点可以在在不占用数据带宽的情况下传输控制信号，有效地解决隐藏终端和暴露终端问题。

申请号为200680025803.6，申请日为2006年6月8日的国内发明专利申请公开了一种防止发生隐藏节点问题的方法、装置和计算机程序产品。该产品从源节点接收传输请求CC-RST，包括指示传输预约所需时间长度的预约持续时间值。之后调整定时器，使得其他节点必须制止在信道上传输的周期(NAV)等于传输请求/传输响应握手的时间。当CC-RTS被拒绝时，接收具有为零的预约持续时间值的第二个CC-RTS。当CC-RTS被接受时，将NAV延长到原始CC-RTS帧的预约持续时间的剩余持续时间。该方法也是根据时序安排来避免隐藏终端，并没有节省控制信号所占用的数据信道带宽。本发明的控制信号和数据信号不用时序安排，传输灵活。节点可以在在不占用数据带宽的情况下传输控制信号，有效地解决隐藏终端和暴露终端问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在不影响原始数据信号带宽的情况下，为网络节点获得足够的控制信息，令想要发送数据的节点有能力判断出自己是否为隐藏终端，从而避免隐藏终端节点因发送数据而引起冲突。并且，在解决隐藏终端的同时，可以利用暴露终端节点进行并行连接，以此提高无线网络信道利用率，增大网络总吞吐量。

本发明旨在设计一种可以使节点获得足够控制信息的方法，使节点自己能够判断自己的传输是否为隐藏终端，并且不影响原来的数据带宽。当获知以上信息之后，作为隐藏终端的节点就可以避免向当前的接收节点发送数据，从而避免不必要的冲突。而作为暴露终端的节点可以利用暴露终端进行并发传输，从而增加网络内的并行连接数目，增大网络总吞吐量。

本发明包含的模块为：物理层全双工发送接收模块、干扰附加模块、干扰检测模块、干扰抵消模块、MAC层信道判定模块以及冲突解决模块。

对于隐藏终端问题，解决问题的关键在于接收节点可以声明自己的接收状态。这就要求接收节点在接收数据的同时能够发送一些控制信息，也就是，节点要具有全双工模式。无线干扰技术的迅速发展使无线网络节点的全双工模块成为可能。本发明采用全双工无线网络节点，使接收节点可以在接收数据的同时发送简单的控制信息，以此标明自己是接收节点。

干扰附加模块负责将干扰信息编码成控制信息，并发送到空气中。干扰附加模块利用物理层的正交频分复用(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)技术，可以令正在进行数据传输的节点，或者受害者节点将自己的MAC地址编码到人为的干扰信号中。其中受害者指的是自己并没有进行任何数据传输，却被其他节点的数据传输而覆盖，导致自己无法发送或者接收任何数据。OFDM将整个信道划分为若干子载波，本发明进一步将子载波分组为发送表示频带、接收表示频带以及受害表示频带。每个频带包含m个子载波，自顶向下依次编号为0至m-1。发送者、接收者以及受害者的MAC地址以Hash的方式压缩为一个小于m的整数值h，则相应的发送/接收表示频带中编号为h的子载波携带一个窄带干扰信号表示二进制的“1”。这种特殊调制的干扰信号因包含发送、接收以及受害者节点的MAC地址，而被称为附件控制信息。

为了保证在分布式的网络中，节点可以在任意时间检测到附件控制信号，干扰附加模块采用一种循环干扰的方式，令OFDM每一个符号上携带相同的附件控制信号，这样即使节点并没有在数据传输的起点开始检测，依然可以获得完整的控制信号。循环干扰保证了分布式网络的正常运作，且干扰信号独立于数据信息进行调制和解调，即同一节点分别传输或解调数据信号和控制信号。

在控制信号接收端，干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在附件控制信号中的控制信息。窄带的干扰信号相比宽带数据信号含有较高的能量。当节点检测到某一子载波中包含相对高的信号能量时，该子载波有很大概率上携带了窄带干扰信号。因此可以解出相应的Hash值，从而获得当前传输的节点列表。

干扰抵消模块帮助数据信号接收端消除干扰信号，还原并解调出原始数据信号。OFDM的训练序列含有信道估测符号，根据信号相关性理论，某一子载波的信道估测值可以由其相邻子载波的估测值计算得出。因此该模块仅使用一部分子载波估测信道，剩余子载波则用来记录干扰信号强度。数据信号接收端根据训练序列中记录的干扰信号强度，将干扰信号由接收到的混合信号中抵消，就可以得到原始的数据信号。

节点通过干扰检测模块获得当前的发送节点列表、接收节点列表以及受害节点列表。之后节点利用网络层路由表获得其一跳邻居表。根据传输节点列表和一跳邻居表，节点利用MAC层判定模块来决定自己是否为隐藏终端或暴露终端。其具体步骤具体如下：如果当前所有的邻居都不在接收节点列表之内，那么该节点一定不是隐藏终端。并且，如果该节点的接收节点不在受害节点或者发送节点列表之内，那么即使该节点为暴露终端且信道此时被占用，该节点也可以进行数据传输，而不用担心冲突的产生。

冲突解决模块将信道划分出一小部分，专门为ACK进行传输。这样，ACK的传输和数据传输就可以并行传输，不仅可以提高数据传输和交换的效率，而且避免了在暴露终端的情况下数据和ACK发生冲突。冲突解决模块有效的利用了多载波的优势，提高信道利用率。

本发明基于无线网络节点全双工模式，利用干扰附加和抵消技术和无线节点全双工模式，能达到的有益效果如下：

灵活的并行发送以及接收节点控制信息和数据信号，使数据信号和控制信号可以同时传输而不会相互干扰，不影响原始数据信号的带宽；

有效地将正在传输的节点信息编码，保证监听节点可以在任何时间简单而快速的解码出需要的控制信号；

MAC层协议有效地利用物理层的控制信号进行隐藏终端和暴露终端的判断，从而准确而快速的避免隐藏终端带来的冲突，并且利用暴露终端进行并发传输，减少不必要的冲突和网络延迟，增大信道利用率。

需要说明的是，本发明基于正交频分多路复用平台，但也可相应地扩展到其他无线传输平台。

附图说明

图1为隐藏终端和暴露终端分析示意图。

图2为***示意图。

图3为干扰附加模块示意图。

图4为干扰抵消模块示意图。

其中图3中所示实线波形为原始数据信号，虚线波形为在空气中附加的窄带控制信号。

具体实施方式

如图1所示，隐藏终端是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。暴露终端问题是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节点覆盖范围内的节点。各节点发送和监听范围均为一跳距离，在隐藏终端情况下：当A向B发送数据时，由于C监听不到A和B之间的数据传输，无法得知B此时为接收节点的状态。因此，如果此时C也有数据要发送给B的时候，便会立刻开始发送数据。这样，发送节点A和C的数据便会在接收节点B的位置冲突，导致B无法接收任何信息，由此引起资源浪费。

如图2所示，用户D为发送节点，用户C为接收节点，而用户E为受害节点。用户B在用户D的一跳邻居内，此时想要发送数据给用户E或者用户A。利用本发明的原理，用户B需要判定的是：自己的邻居节点里是否有接收节点，以保证自己的数据传输不会影响到当前的数据传输；并且，自己的接收节点是否为受害节点，以保证自己的数据传输可以顺利进行。

用户D在发送数据时，同时将自己的MAC地址编码到干扰信号的发送表示频段中，与数据信号同时传输。相应的，用户C在接收数据时，同时将自己的MAC地址发送到接收表示频段。而用户E在检测到自己被其他数据信号覆盖时，也将MAC地址发送到受害表示频段中，这样，其他节点就可以通过监听空气中各个频段的控制信息，获得邻居节点活动状态。当用户B需要发送数据时，可以根据用户D的附件控制信号得知当前的发送节点为用户D，而根据用户E的附件控制信号得知当前的受害节点为用户E。因为用户C不在用户B的监听范围之内，用户B监听不到用户C的附件控制信息。而相应的，用户B的传输也不会影响用户C。根据以上信息，用户B利用MAC层信道判定信息判定，给用户E的数据传输不会成功，因为用户E为受害节点；而给用户A的数据传输可以成功，因为用户A既不是受害节点也不是发送节点。

如图3所示，如果节点需要发送附件控制信息，则将自己的MAC地址编码到窄带干扰信号中，并发送到空气中。窄带干扰信号保证在不影响原始数据信号带宽的情况下，尽量携带足够多的控制信号。即使附件控制信息与其他数据信号相叠加，也可以通过干扰抵消模块以及干扰监听模块将干扰信号和数据信号分离并解码出来。

在接收端，节点根据图4所示附件信号记录点来记录空白的干扰信息，以此恢复原始数据。节点在开始接收数据时，先记录包头或者包尾中任意一处的干扰信号。然后在中间的数据信号中，由叠加了数据信号和干扰信号的混合信号中消除记录的干扰信号，从而获得原始数据信号。在进一步解调和解码，接收节点可以获得自己需要的数据信息。

Claims (6)

1.一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：基于正交频分多路复用平台，利用无线干扰抵消技术和网络节点全双工模式，引入物理层全双工发送接收模块、干扰附加模块、干扰检测模块和干扰抵消模块，利用物理层全双工发送接收模块，使接收节点在接收数据的同时发送控制信息，以此标明自己是接收节点，声明自己的接收状态,但并不影响原来的信道带宽，使网络内节点获得足够控制信息，协助MAC层信道判定模块判断自己是否为隐藏终端或者暴露终端；结合冲突解决模块，使得隐藏终端避免向当前的接收节点发送数据，从而避免不必要的冲突，并利用暴露终端进行并发传输，增大网络总吞吐量，减少不必要的时延；其中，节点根据搜集的干扰信号建立发送节点、接收节点和受害节点列表，根据传输节点列表和一跳邻居表，节点利用MAC层判定模块来决定自己是否为隐藏终端或暴露终端，即如果当前邻居没有接收节点，而自己的接收节点既不是发送节点也不是受害节点，则该节点进行当前的数据传输，以此有效避免隐藏终端引发的冲突，并利用暴露终端进行并发链接，从而增加信道利用率。

2.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：干扰附加模块利用OFDM调制技术，通过将节点MAC地址信息编码到干扰信号中来获得正在传输的节点列表，即将OFDM子载波分组为发送表示频带、接收表示频带及受害表示节点，每个频带包含m个子载波，自顶向下依次编号为0至m-1；节点利用干扰附加模块将其MAC地址及其接收端MAC地址以hash的方式压缩为两个小于m的整数值h，则相应的发送及接收节点MAC地址表示为频带中编号为h的子载波携带一个窄带干扰信号并以二进制的“1”表示。

3.根据权利要求2所述的一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：干扰附加模块采用一种循环干扰的方式，令OFDM每一个符号上携带相同的干扰，并且在数据信号的头和尾分别预留出附件信号记录点，保证在分布式无线网络中，干扰检测模块和干扰抵消模块能够正常运作，且干扰信号独立于数据信息进行调制和解调，即同一节点分别传输或解调数据信号和控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：在控制信号接收端，干扰检测模块利用能量检测器来检测和解调包含在干扰信号中的控制信息，即窄带的干扰信号相比宽带数据信号含有较高的能量，以此解码出相应的Hash值，从而获得当前传输的节点列表。

5.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：干扰抵消模块仅使用一部分子载波估测信道，剩余子载波则用来记录干扰信号强度，干扰抵消模块根据训练序列中记录的干扰信号强度，将干扰信号由接收到的混合信号中抵消，解调出原始数据信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于物理层干扰信息的隐藏终端优化方法，其特征是：冲突解决模块将信道划分出一小部分，专门为ACK传输，使ACK和数据并行传输，从而避免了数据传输与ACK传输在暴露终端位置的冲突。