CN113347658B - 一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信网络技术领域，提供了一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，解决现有单一采用无线信号功率或能量检测判定无线信道状态误检的问题。该方法通过利用检测无线信号功率大小结合物理帧的特殊帧头相关运算结果来判断无线信道状态，物理帧的特殊帧头采用两组长度不一样的伪随机序列，第一组用于信号功率大小的辅助检测，第二组做互相关运算得到相关运算的结果，用于有用信号的判断，根据无线信道状态然后竞争生成伪中心，该方法充分利用物理帧帧头信息避免误检，同时可以部分解决自组织网络中存在隐蔽节点的问题。

Description

一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，具体涉及一种适用于自组织网络中伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法。

背景技术

在应急通信场合，无线自组网***正发挥着越来越重要的作用。无线自组网***支持任意网络拓扑结构，网络中的节点设备可以随机接入、退出或重新接入网络，且不影响通信***的传输。但在一个没有调度中心的网络中,采用随机退避的接入技术会存在一定概率的碰撞以及隐藏节点等问题，而基于伪中心的网络设计恰好可以解决这些问题，并同时保证网络的自组织特性。

伪中心节点的竞争生成和消亡一般都是基于无线信道当前的状态来进行决策，实际在设计实现时,会采用检测无线信道中的信号功率大小来判断信道的忙闲状态。而在采用无线信号的功率大小来判断信道状态时，会受到设备射频前端的低噪放以及射频接收电路的噪声等影响，这些影响因素会直接导致在判断无线信道状态时设置的忙闲阈值过大或者过小；忙闲阈值设置过大，会导致节点误检，认为信道处于空闲状态，而与其它节点发生碰撞；忙闲阈值设置过小，则会出现误检认为信道一直处于忙状态，无法竞争生成伪中心。

随机退避接入技术与伪中心设计是目前无线自组网***常用的两种mac组网方式。随机退避接入技术常用的解决信道碰撞方式包括：采用data-ack帧应答结合虚拟载波侦听方式和data-ack帧应答加上RTS-CTS访问方式。该两种方式共有的缺点有：物理帧的传输效率低且传输速率有限，无法完全避免碰撞，无法解决隐藏终端问题。采用伪中心设计的自组网方式，则大幅提高了信道的利用率，传输效率高，能够实现多节点高速率稳定的传输；同时基于伪中心加上动态的TDMA设计可以解决传输中的碰撞问题，将碰撞的出现限制在节点接入网络的过程中，且结合“随机退避接入”机制后接入网络的碰撞概率非常低，接入网络后在固定的分配时隙进行传输时则无碰撞；利用伪中心网络中各个节点的广播信息共享可以实现mac层的虚拟路由，进而解决隐藏终端问题。而对于基于伪中心的自组网设计，伪中心节点的生成与退出、非伪中心节点的接入与退出、mac网络的组网管理就成为了mac层要解决的主要问题。竞争生成伪中心对于mac组网处于首要解决的关键问题，而竞争生成伪中心需要根据信道状态通过程序综合决策来生成，于是信道状态信息的准确性决定了生成的伪中心的可靠性，从而决定了自组网***的稳定性。由于无线信道状态一般会通过检测无线信号的功率或能量来进行判断，受到无线信道以及设备的噪声等因素的影响，无线信号的功率或能量检测通过设置阈值会存在较大的误差，因此迫切需要研究一种适用于伪中心节点生成的信道状态检测方法。

发明内容

为了解决现有单一采用无线信号功率或能量检测判定无线信道状态，由于无线信号功率或能量设置阈值存在误差，导致信道状态判定不准确的技术问题，本发明提供了一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)无线信号功率检测

1.1)计算无线信号的平均功率p_sig；

1.2)对无线信号的平均功率p_sig与阈值p_thd进行比较，若节点检测到平均功率p_sig小于阈值p_thd，且持续时间t1＞0.1s，则执行步骤2)；若否，则返回步骤1.1)；

2)无线信号的辅助功率检测

2.1)将无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+64共64个标准符号为一组信号，与t+65到t+128共64个标准符号的另一组信号进行滑动相关运算，得到滑动相关运算结果R_chu0；

其中，无线信号用{a+bi}表示；

2.2)对滑动相关运算结果R_chu0与阈值R_thd0进行实时比较，若持续128个标准符号的滑动相关运算结果R_chu0大于阈值R_thd0，返回步骤1.1)；若否，执行步骤2.3)；

2.3)利用步骤2.1)和2.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行滑动相关运算和比较，直至检测时间到达设定时间t2，执行步骤3)；

3)无线信号的检测标识

3.1)将无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+512共512个标准符号为一组，与本地存储的chu1序列进行互相关运算，得到互相关运算结果R_chu1；

其中，n＝1,2,...,512；

R_chu1＝r₁ ²，

3.2)对互相关运算结果R_chu1与阈值R_thd1进行实时比较，若互相关运算结果R_chu1大于阈值R_thd1，返回步骤1.1)；若否，执行步骤3.3)；

3.3)利用步骤3.1)和3.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行信号互相关运算和比较，直至检测时间到达设定时间t3，则步骤1.2)的节点为伪中心节点。

进一步地，步骤1.1)具体为，计算I、Q两路正交无线信号的平均功率p_sig，p_sig表达式如下：

进一步地，步骤1.1)中，所述I、Q两路正交无线信号的量化位宽为12；

步骤1.2)中，阈值p_thd＝16384。

进一步地，步骤3)之后还步骤4)伪中心节点的工作与消亡：

伪中心节点周期性发送物理帧，判断伪中心节点所接入的网络中是否存在其它节点，若存在，则网络中其它节点根据收到的伪中心节点信息接入网络开始正常工作；若否，则伪中心节点消亡。

进一步地，步骤2.3)中的t2和步骤3.3)中的t3相等。

进一步地，步骤1.2)中，t1为1s；

步骤2.3)中的t2和步骤3.3)中的t3均为200ms。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过利用检测无线信号功率大小结合物理帧的特殊帧头相关运算结果来判断无线信道状态，物理帧的特殊帧头采用两组长度不一样的伪随机序列，第一组用于信号功率大小的辅助检测，第二组做互相关运算得到相关运算的结果，用于有用信号的判断，相对于单一采用无线信号的功率大小来判断信道状态，本发明采用两者结合，很好的解决了单一方式下阈值设置过大或过小的问题，而无线信道状态结果准确则确保伪中心节点在竞争生成的过程中不会出现误检，增强了无线自组网***的健壮性。

2、本发明中采用的两组长度不一样的伪随机序列，长度较长的一组伪随机序列具备较好的扩频特性以及相关特性，由于该组伪随机序列的检测结果具备较高的灵敏度，在对无线信道的状态判定时相对于单一方式下阈值判定可以更加灵敏的探测到隐藏节点的存在，从而大大降低隐藏节点的出现概率。

3、本发明采用两组长度不一样的伪随机序列作为物理帧帧头，该两组伪随机序列既可以作为无线信道状态的判定标志，也可以在物理帧的传输中作为帧同步、信道估计运算的导频符号，帧头的复用同时也减少了物理帧的开销。

附图说明

图1是本发明实施例伪中心节点的生成与消亡过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，采用无线信号的功率检测以及两组长度不一样的伪随机序列检测，该检测方法包括以下步骤：

1)无线信号功率检测

无线信号的功率检测采用I、Q两路正交信号的平均功率p_sig作为参考与阈值p_thd进行比较得到检测结果，当检测到无线信号的平均功率p_sig小于阈值p_thd且持续时间t1＞0.1s，继续进行长度较短的伪随机序列的检测(即步骤2))，若否，则返回步骤1.1)；

其中，平均功率p_sig计算方式为：(j＝1,2…,256)；阈值p_thd可以根据I、Q两路正交信号的量化位宽进行合理设置。本发明阈值p_thd可设置得较小，由于本发明检测方法结合两组长度不一样的伪随机序列的检测，因此阈值p_thd设置过小也不会出现误检认为信道一直处于忙状态而导致伪中心无法生成。持续时间t1的设置为实际工程中的经验值，根据实际工程中对自组网网络建立时间的要求进行相应的配置，要求建立时间越短则持续时间的设置越小，反之则越大。

本实施例设I、Q两路正交信号的量化位宽为12，则p_thd可以设置为：p_thd＝128²＝16384，其中128＝2^(12-5)。当检测到无线信号的平均功率小于16384且持续时间t1＝1s时，继续进行长度较短的伪随机序列的检测。

2)无线信号的辅助功率检测

采用特殊的伪随机序列作为物理帧的帧头，用来检测信号的能量同时结合相关运算结果准确获取无线信道的状态，在两组长度不一样的伪随机序列中处于帧头最前端位置的是一组长度较短的序列chu0，每一个chu0包含64个物理帧标准符号，物理帧帧头的chu0的个数可以根据实际工程需要进行配置，一般可配置为6—12个，本实施例中选择10个，该序列的主要作用为无线信号的辅助功率检测、AGC、粗同步等。本发明中采用该序列作为无线信号的辅助功率检测来使用，具体过程如下：

2.1)将接收到的无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+64共64个标准符号为一组信号，与t+65到t+128共64个标准符号的另一组信号进行滑动相关运算，得到滑动相关运算结果R_chu0；

chu0序列的定义为：

采用chu0进行滑动相关运算的计算过程为：

假设无线信号用{a+bi}表示，a表示接收无线信号的I路分支，b表示接收无线信号的Q路分支，i表示复信号的虚部，用复信号{a+bi}表示基带信号；

则滑动相关结果为：

2.2)对滑动相关运算结果R_chu0与阈值R_thd0进行实时比较，当持续128个标准符号的滑动相关运算结果R_chu0大于阈值R_thd0，则无线信号的辅助功率检测成功，返回步骤1.1)；若否，则未检测到序列chu0，执行步骤2.3)；

其中，阈值R_thd0的计算实际为经验值，具体为根据接收无线信号在-95dBm(无线链路的灵敏度减去5作为参考值，例如灵敏度为-90dBm，则参考-95dBm)功率情况下测量chu0的滑动相关结果的平均值作为阈值；

2.3)利用步骤2.1)和2.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行滑动相关运算和比较，直至滑动相关运算结果R_chu0小于阈值R_thd0连续满足条件的检测时间到达设定时间t2，则继续进行长度较长的伪随机序列的检测，即执行步骤3)；

其中，t2为实际工程中的经验值，需要根据实际工程中对自组网网络建立时间的要求进行相应的配置，要求建立时间越短则持续时间的设置越小，反之则越大，本实施例t2为200ms。

3)无线信号的检测标识

物理帧中处于帧头紧接着chu0序列的是一组长度较长的序列chu1，每一个chu1包含512个物理帧标准符号，本实施例chu1为2个，刚好满足在物理帧中的所有功能，该序列的主要作用为无线信号的检测标识、细同步、载波频偏计算、信道估计等。本发明中采用该序列作为无线信号的检测标识来使用，具体步骤如下：

3.1)将接收到的无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+512共512个标准符号为一组，与本地存储的chu1序列(512个标准符号)进行互相关运算，得到互相关运算结果R_chu1；

chu1序列的定义为：

采用chu1进行互相关运算的计算过程为：假设无线信号用{a+bi}表示，本地chu1用{x+yi}表示，则互相关结果为：

3.2)对互相关运算结果R_chu1与阈值R_thd1进行实时比较，当互相关运算结果R_chu1大于阈值R_thd1则无线信号检测成功，返回步骤1.1)；反之则未检测到有用的无线信号，执行步骤3.3)；

其中，阈值R_thd1的计算实际为经验值，一种方法为根据接收无线信号在-100dBm(无线链路的灵敏度减去10作为参考值，例如灵敏度为-90dBm，则参考-100dBm)。

3.3)利用步骤3.1)和3.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行信号互相关运算和比较，直至互相关运算结果R_chu1小于阈值R_thd1连续满足条件的检测时间到达设定时间t3，则步骤1.2)的节点为伪中心节点。

t3为实际工程中的经验值，需要根据实际工程中对自组网网络建立时间的要求进行相应的配置，要求建立时间越短则持续时间的设置越小，反之则越大。本实施例中该信号在持续时间t3＝200ms内未检测成功，则伪中心节点生成开始组网。

4)伪中心节点的工作与消亡

伪中心节点周期性发送物理帧，判断伪中心节点所接入的网络中是否存在其它节点，若存在，则网络中其它节点根据收到的伪中心节点信息接入网络开始正常工作；若否，则伪中心节点消亡。

本实施例方法通过利用检测无线信号功率大小结合物理帧的特殊帧头相关运算结果来判断无线信道状态，根据无线信道状态然后竞争生成伪中心，该方法充分利用物理帧帧头信息避免误检，同时可以部分解决自组织网络中存在隐蔽节点的问题。

本实施例伪中心节点的生成与消亡过程可以采用状态机来实现，如图1所示，状态机的工作过程具体为：

(1)初始状态S0，节点处于对无线信道的监测状态，当节点检测到无线信号平均功率p_sig小于阈值p_thd时开始计数，一旦大于阈值p_thd则计数器归零，否则计数器加1直至满足持续时间t1条件时，状态机跳转至S1继续工作；

(2)物理帧检测状态S1，节点对无线信号进入接收机处理后的chu0检测结果进行监测，如果在t2时间内检测到chu0，则状态机返回初始状态，该节点根据接收到的信息判断是否可以接入网络；如果在t2时间内未检测到chu0，则状态机跳转至S2继续工作；

(3)物理帧检测状态S2，节点对无线信号进入接收机处理后的chu1检测结果进行监测，如果在t3时间内检测到chu1，则状态机返回初始状态，该节点根据接收到的信息判断是否可以接入网络；如果在t3时间内未检测到chu1，则该节点成为伪中心节点并且状态机跳转至S3继续工作；

(4)伪中心节点工作状态S3，在该工作状态，伪中心节点开始周期的发送物理帧，在物理帧中包含网络状态信息、时隙分配信息等广播信息，其它节点根据接收到的伪中心节点信息接入网络开始正常工作。对于伪中心节点，如果在t4时间内没有接收到任何非伪中心节点的信号，则表示当前网络中并无其它节点存在，在这种情况下，伪中心节点无法与其它节点通信也就没有存在的必要，伪中心节点消亡，同时状态机返回初始状态S0并继续工作。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)无线信号功率检测

1.1)计算无线信号的平均功率p_sig；

1.2)对无线信号的平均功率p_sig与阈值p_thd进行比较，若节点检测到平均功率p_sig小于阈值p_thd，且持续时间t1＞0.1s，则执行步骤2)；若否，则返回步骤1.1)；

2)无线信号的辅助功率检测

2.1)将无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+64共64个标准符号为一组信号，与t+65到t+128共64个标准符号的另一组信号进行滑动相关运算，得到滑动相关运算结果R_chu0；

其中，设无线信号用{a+bi}表示；

2.2)对滑动相关运算结果R_chu0与阈值R_thd0进行实时比较，若持续128个标准符号的滑动相关运算结果R_chu0大于阈值R_thd0，返回步骤1.1)；若否，执行步骤2.3)；

2.3)利用步骤2.1)和2.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行滑动相关运算和比较，直至检测时间到达设定时间t2，执行步骤3)；

3)无线信号的检测标识

3.1)将无线信号以当前时刻t为标志，以t+1到t+512共512个标准符号为一组，与本地存储的chu1序列进行互相关运算，得到互相关运算结果R_chu1；

其中，chu1用{x+yi}表示；则互相关运算结果R_chu1为：

R_chu1＝r₁ ²，

3.2)对互相关运算结果R_chu1与阈值R_thd1进行实时比较，若互相关运算结果R_chu1大于阈值R_thd1，返回步骤1.1)；若否，执行步骤3.3)；

3.3)利用步骤3.1)和3.2)方法，按照无线信号的符号采样速率依次逐个符号进行信号互相关运算和比较，直至检测时间到达设定时间t3，则步骤1.2)的节点为伪中心节点。

2.根据权利要求1所述伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于：步骤1.1)具体为，计算I、Q两路正交无线信号的平均功率p_sig，p_sig表达式如下：

3.根据权利要求2所述伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于：步骤1.1)中，所述I、Q两路正交无线信号的量化位宽为12；

步骤1.2)中，阈值p_thd＝16384。

4.根据权利要求1至3任一所述伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于，步骤3)之后还步骤4)伪中心节点的工作与消亡：

伪中心节点周期性发送物理帧，判断伪中心节点所接入的网络中是否存在其它节点，若存在，则网络中其它节点根据收到的伪中心节点信息接入网络开始正常工作；若否，则伪中心节点消亡。

5.根据权利要求4所述伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于：步骤2.3)中的t2和步骤3.3)中的t3相等。

6.根据权利要求5所述伪中心节点竞争生成的信道状态检测方法，其特征在于：步骤1.2)中，t1为1s；

步骤2.3)中的t2和步骤3.3)中的t3均为200ms。