無線自組織網絡中的多包分離方法
2023-10-04 02:57:39
專利名稱：無線自組織網絡中的多包分離方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線自組織網絡中的多包分離方案，屬於通信信號處理的技術領域。
背景技術：
Ad hoc網絡是一種沒有固定設施，網絡拓撲動態改變的自組織網絡.與蜂窩網絡中的多址接入協議(MAC)類似，傳統的ad hoc網絡MAC協議假設信道無噪聲或噪聲對信號的影響較小，信道接入失敗是由於不同用戶的衝突引起的；如果衝突發生了，所有數據包必須重傳。
未來無線多媒體通信的發展要求行動網路能夠滿足高速率，寬帶化的特點，這也為作為第四代無線網絡候選方案之一的ad hoc網絡的發展提出了挑戰；與此同時，信號處理技術的快速發展和新的網絡設計思路的出現又為adhoc無線網絡性能的提高提供了新的途徑，並由此產生了網絡研究的一些新熱點，其中多包分離就是其一，它的思想是網絡中的節點利用信號處理方法可以同時接收和分離多個衝突的數據包，從而避免了上述的數據包重傳現象，大大提高網絡的傳輸效率.實現多包接收的關鍵問題在於網絡中的節點能夠在物理層利用信號處理方法實現衝突數據包的分離。
基於網絡輔助分集實現多包分離的方法基於分集的思想，只不過這裡分集是利用網絡資源提供分集，這種方法也是最先將信號處理與網絡相結合來提高網絡性能的方法，但是這種方法僅適用於蜂窩網絡。針對ad hoc網絡，提出了LSS(Least squares smoothing，最小平方平滑)方法，但是LSS方法只適合同步條件下的多包分離，KMA(Known modulus，已知模)方法雖然考慮了異步條件下的衝突分辨方法來解決多包分離問題。但這種方法需要預先知道目標用戶的定時信息。多項相位調製(PPS)方法則既可以適用於異步網絡環境，又對目標信號沒有已知定時信息的要求，因此是解決多包分離的較完善方法。但目前尚無基於以上方法進行多包分離的設備出現。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種在較低信噪比下提高衝突數據包分離效果的無線自組織網絡中的多包分離方法，從而可以更加有效的實現網絡中節點在較差的通信環境下的多包分離能力。
技術方案本發明的ad hoc網絡中的多包分離方法由兩次多項相位調製分離方法組成首先，不同發送用戶在各自的發送端對發送數據數據包進行多項相位調製處理，然後通過射頻發送給接收用戶。假設發送用戶的數據包發送給同一接收用戶，在上述情況下，接收用戶將同時接收到多個用戶的衝突數包；對於這些衝突數據包，接收用戶首先通過窗口滑動的方式將混和數據以觀察窗口的長度為單位進行分段，對於每一個觀察窗口內的混和數據運用多項相位分離算法進行分離，假設當前處理的觀察窗口中含有某個用戶的完整數據包信息，對分離算法處理後的觀察窗口的數據進行能量檢測。由於該用戶數據信息能量一般大於噪聲能量，因此可以得到該用戶的數據包相對於觀察窗口的位置信息；通過獲得的大致位置信息對當前觀察窗口進行縮小，在縮小後的觀察窗口重新利用多項分離方法分離該用戶信息，從而在較低信噪比下可以得到更好的分離效果。
發送端不同發送用戶的數據包多項相位調製與發送假設bi(k)表示在時刻k用戶i的信息數據，為了能夠在接收節點處分離出多個用戶的混和數據包，需要對每個用戶的數據信息賦予不同的特徵信息，在本方案中採用調製特徵信息，即從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取一個特徵序列ci(k)=ej[2fik2+2ik]]]>(這裡fi是Tf的倒數，Tf是一個大於M+Q-2的任意質數，M表示信道的最大階數，Q表示接收端濾波器的長度；ai=i-12D,]]>D為調製信息碼集的大小)，然後將用戶i的信息bi(k)乘以調製特徵信息ci(k)得到發送序列si(k)＝bi(k)ci(k)，最後通過發射機射頻將發送序列si(k)發送。
接收端混和數據包的接收不同發送用戶的數據包發送後，在接收端可以得到這些用戶的混和數據的接收信息。為了能夠進行混和數據包信息的分離與處理以及保證每一個用戶的數據包信息都可以在特定的觀察窗口完整的觀察到，我們將兩個數據包長的時間(在網絡協議中設定所有用戶的數據包長是一樣的)定義為一個觀察窗口的寬度，觀察窗口的前後移動可以得到不同時間的混和數據包數據的觀察值，且規定相鄰兩個觀察窗口的重疊區域為一個數據包長，對混和數據包的分離操作在每一個觀察窗口中進行處理。
基於觀察窗口的混和數據包分離在沒一個觀察窗口中，接收節點都會從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取用戶調製特徵參數，在此基礎上計算濾波器的參數，如果當前觀察窗口中含有採用這個調製特徵參數進行傳輸的數據包，則可以得到顯著不同於噪聲特性的能量較大的用戶信號，進而可以初步恢復出該用戶的數據包信息；否則，恢復出的信號類似於噪聲性質，沒有顯著的有用信號特徵。
在接收端對初步恢復得到的用戶數據信息進行能量檢測與位置參數提取在當前觀察窗口中，對經過多項相位分離方法處理後的信號進行能量檢測，由於調製序列分離方法可以較好的抑制其他多址幹擾，因此在處理後的觀察窗口中能量較高的部分即是該用戶的數據包信息，根據這一特徵，計算能量較高點的起始位置與觀察窗口起始位置的距離信息，這就是該用戶數據包相對於當前觀察窗口的初步的相對位置信息。
縮小當前觀察窗口後的的第二次混和數據包分離根據得到的該用戶相對於觀察窗口的位置信息縮小當前的觀察窗口以減少噪聲幹擾，並使之長度減少一半，即等於該用戶的數據包長度，並且起始位置與能量檢測和參數提取過程中得到的該目標用戶的數據包起始位置相同。在此基礎上對原衝突的數據包再一次利用多項相位分離方法進行數據包的分離，這樣由於減少了噪聲影響，因此可以獲得更好的分離效果。
有益效果本發明通過使用信號分離方法可以在較低的信噪比條件下對無線網絡中多個用戶數據信息衝突進行有效的分離，從而提高無線網絡的信息傳送效率和吞吐量。
本發明根據無線自組織網絡和基於多項相位調製的多包分離方法的特點，設計了一種基於位置參數估計的多相位調製分離方法，該方法可以在較低的信噪比下提高多包分離的效果；此外，位置估計和基於位置估計的多項相位調製方法具有大致相同的計算操作，因此在實際應用中只需要一個完成同樣操作的硬體即可，從而可以有效的節省硬體資源。
圖1是本發明的模塊框圖。圖1中有發送端源數據多項相位調製與發送1，接收端觀察窗口的移動以及對混和數據進行存儲2，在觀察窗口內對混和數據進行多項相位分離(第一次多包分離)3，對分離處理後的觀察窗口數據進行能量檢測與位置參數提取4，通過得到的位置參數縮小第一次多包分離時的觀察窗口的範圍，在縮小的觀察窗口再次對該用戶的數據進行分離(第二次多包分離)5。
圖2是本發明的詳細處理流程圖。
圖3是本發明接收端滑動窗口操作示意圖。
圖4是本發明的縮小觀察窗口示意圖。
圖5是本發明的接收機原理框圖。其中bi(k)表示在時刻k用戶i的信息數據，ci(k)為調製特徵信息，si(k)為發送序列。Hi表示用戶i的信道，wi表示第一次信號分離時的濾波係數；Wi(ti)表示在接收端在獲得發送用戶相對於觀察窗口的相對位置信息ti後進行第二次多包分離時的濾波係數，yi(k)表示分離出的結果，zi(k)表示yi(k)進行了多項相位補償後的分離果。
具體實施例方式
本發明的ad hoc網絡中的多包分離方法由兩次多項相位調製分離算法組成發送端源數據多項相位調製與發送1，接收端觀察窗口的移動以及對混和數據進行存儲2，在每一個觀察窗口內對混和數據進行多項相位分離(第一次多包分離)3，對分離處理後的窗口數據進行能量檢測與位置參數提取4，通過得到的位置參數縮小第一次多包分離時的觀察窗口的範圍，在縮小的觀察窗口再次對該用戶的數據進行分離(第二次多包分離)5。
1發送端源數據多項相位調製與發送發送端不同發送用戶的數據包多項相位調製與發送假設bi(k)表示在時刻k用戶i的信息數據，為了能夠在接收節點處分離出多個用戶的混和數據包，需要對每個用戶的數據信息賦予不同的特徵信息，在本方案中採用調製特徵信息，即從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取一個特徵序列ci(k)，然後對用戶i的信息bi(k)乘以調製特徵信息ci(k)得到si(k)＝bi(k)ci(k)，最後通過發射機射頻處理後將si(k)發送。
這一部分完成了多項相位調製分離方法中的發送端信號的處理，這實際上是在發送端對數據信息引入了某種結構特性，為接收端對多個衝突數據包分離做準備。
2接收端通過滑動窗口的方式對混和數據包接收由於發送用戶的數據包存在異步發送情況，因此僅僅通過一個長度為數據包長度的觀察窗口往往不能夠完全觀察到所有用戶的混合信息。對於這種情況可以採用滑動窗口方式來解決可以證明當觀察窗口的長度為數據包長的兩倍，且觀察窗口以一個數據包長的長度為單位來移動時可以保證每一個用戶數據包的完整信息都可以在特定的觀察窗口中得到，這樣就可以在該觀察窗口對該用戶的信息進行分離。此外，由於在接收端還需要在縮小的觀察窗口下對混和數據進行第二次信號分離，因此需要保存當前觀察窗口的混和數據以備使用。
3接收端第一次混和數據包分離在特定的一個觀察窗口中，接收節點從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取用戶調製特徵參數cj，在此基礎上根據一維調製信號調製參數和解調參數相同時輸出結果虛部為零這個準則計算濾波器的參數，如果當前觀察窗口中含有採用這個調製特徵參數進行傳輸的數據包，則可以得到顯著不同於噪聲特性的用戶信號，進而可以初步恢復出該用戶的數據包大致信息；否則，恢復出的信號類似於噪聲性質，沒有顯著的有用信號特徵。
這一過程通過在整個觀察窗口計算，得到一個關於目標用戶數據包的初步的分離效果。
4接收端能量檢測與參數提取在當前觀察窗口中對信號分離處理後的窗口數據進行能量檢測，這裡可以採用窗口長度為包長的能量檢測窗口在觀察窗口中逐符號進行滑動，在每一個滑動到的位置計算當前能量檢測窗口內數據的能量，由於通過第一次多項分離算法可以較好的抑制其他多址幹擾，因此當能量檢測窗口中的數據能量最高時即是此用戶數據包的大致位置。在此基礎上，根據這一特徵，計算該數據包的起始位置與觀察窗口起始位置的距離信息，這就是該用戶數據包相對於當前觀察窗口的初步的相對位置信息。
5接收端基於目標用戶定時信息的第二次多項相位分離根據得到的分離出的用戶數據包相對於觀察窗口的時間信息縮小當前的觀察窗口以減少噪聲幹擾，假設該用戶與觀察窗口的起始距離相差為d，每個用戶的數據包長度為l，則縮小後的觀察窗口的大小為l，其起始和終止位置分別在原觀察窗口的d和l+d處。取出第2個過程(接收端通過滑動窗口的方式對混和數據包接收)中存儲的原觀察窗口的d和l+d處之間的數據再次進行多項相位分離，這樣就可以得到更好的數據包分離效果。
權利要求
1.一種無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於多包分離的步驟為a、首先，不同發送用戶在各自的發送端對發送數據的數據包進行多項相位調製與發送處理，b、若發送用戶的數據包發送給同一接收用戶，在上述情況下，接收用戶將同時接收到多個用戶的衝突數包，對於這些衝突數據包，接收用戶首先通過移動窗口滑動的方式將混和數據以觀察窗口的長度為單位進行分段，即接收端觀察窗口的移動以及對混和數據進行存儲，c.對於觀察窗口內的混和數據運用多項相位分離方法進行分離，d、若當前處理的觀察窗口中含有某個用戶的完整數據包信息，對分離處理後的觀察窗口數據進行能量檢測與位置參數提取；由於該用戶數據信息能量一般大於噪聲能量，因此可以得到該用戶的數據包相對於觀察窗口的位置信息，e、通過得到的位置參數縮小第一次多包分離時的觀察窗口的範圍，在縮小的觀察窗口再次對該用戶的數據進行分離即第二次多包分離，從而在較低信噪比下可以得到更好的分離效果。
2.根據權利要求1所述的無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於在步驟a中，發送端源數據多項相位調製與發送的方法為f、用戶i的數據設bi(k)表示在時刻k用戶i的信息數據，g、多項相位調製為了能夠在接收節點處分離出多個用戶的混和數據包，需要對每個用戶的數據信息賦予不同的特徵信息，採用調製特徵信息，即從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取一個特徵序列ci(k)，然後將用戶i的信息bi(k)乘以調製特徵信息ci(k)得到發送序列si(k)＝bi(k)ci(k) ，h、射頻發送最後通過發射機射頻將si(k)發送。
3.根據權利要求1所述的無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於在步驟b中，接收端觀察窗口的移動以及對混和數據進行存儲的方法為i.射頻接收不同發送用戶的數據包發送後，在接收端可以得到這些用戶的混和數據的接收信息，j.將混合的數據信息以觀察窗口長度為單位進行處理為了能夠進行混和數據包信息的分離與處理以及保證每一個用戶的數據包信息都可以在特定的觀察窗口完整的觀察到，將兩個數據包長的時間定義為一個觀察窗口的寬度，觀察窗口的前後移動可以得到不同時間的混和數據包數據的觀察值，且規定相鄰兩個觀察窗口的重疊區域為一個數據包長，對混和數據包的分離操作在每一個觀察窗口中進行處理，k.存儲當前觀察窗口的混和數據將當前形成的一個觀察窗口內的數據進行存儲，以備接下來處理使用。
4.根據權利要求1所述的無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於在步驟c中，對於觀察窗口內的混和數據運用多項相位分離方法進行分離的方法為在觀察窗口中，接收節點都會從收發雙方預先設定的調製特徵信息碼集中隨機選取用戶調製特徵參數，在此基礎上計算濾波器的參數，如果當前觀察窗口中含有採用這個調製特徵參數進行傳輸的數據包，則可以得到顯著不同於噪聲特性的能量較大的用戶信號，進而可以初步恢復出該用戶的數據包信息；否則，恢復出的信號類似於噪聲性質，沒有顯著的有用信號特徵。
5.根據權利要求1所述的無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於在步驟d中，對分離處理後的觀察窗口數據進行能量檢測與位置參數提取的方法為l、能量檢測在當前觀察窗口中，對經過多項相位分離方法處理後的信號進行能量檢測，由於調製序列分離方法可以較好的抑制其他多址幹擾，因此在處理後的觀察窗口中能量較高的部分即是該用戶的數據包信息，m、分離出的用戶數據包相對於觀察窗口的初步位置估計根據觀察窗口中能量較高的部分即是該用戶的數據包信息這一特徵，計算能量較高點的起始位置與觀察窗口起始位置的距離信息，這就是該用戶數據包相對於當前觀察窗口的初步的相對位置信息。
6.根據權利要求1所述的無線自組織網絡中的多包分離方法，其特徵在於在步驟e中，通過得到的位置參數縮小第一次多包分離時的觀察窗口的範圍，在縮小的觀察窗口再次對該用戶的數據進行分離即第二次多包分離的方法為n、縮小當前觀察窗口根據得到的該用戶相對於觀察窗口的位置信息縮小當前的觀察窗口以減少噪聲幹擾，並使之長度減少一半，即等於該用戶的數據包長度，並且起始位置與能量檢測和參數提取過程中得到的該目標用戶的數據包起始位置相同，o、在縮小的觀察窗口內進行信號分離在此基礎上對原衝突的數據包再一次利用多項相位分離方法進行數據包的分離。
全文摘要
無線自組織網絡中的多包分離方法涉及一種用於無線自組織網絡中的多包分離方案，其多包分離的步驟為a.首先，不同發送用戶在各自的發送端對發送數據的數據包進行多項相位調製與發送處理，b.若發送用戶的數據包發送給同一接收用戶，c.對於觀察窗口內的混和數據運用多項相位分離方法進行分離，d.若當前處理的觀察窗口中含有某個用戶的完整數據包信息，對分離處理後的觀察窗口數據進行能量檢測與位置參數提取；e.通過得到的位置參數縮小第一次多包分離時的觀察窗口的範圍，在縮小的觀察窗口再次對該用戶的數據進行分離即第二次多包分離，從而在較低信噪比下可以得到更好的分離效果。
文檔編號H04L27/18GK1599365SQ20041004147
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月26日 優先權日2004年7月26日
發明者鄭寶玉, 楊震, 張繼東 申請人:南京郵電學院