一种无线多信道MAC的信号编码调制方法与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线Ad Hoc网络(也称移动对等网络、无线自组网络等)节点的收发模块中实现多信道的信号编码调制方法。

背景技术：

无线Ad Hoc网络是由多个带有无线收发功能的终端节点共同组成的，它们之间的通信并不需要固定的网络基础设施(例如基站或热点)的支持，每个终端节点可以和无线射频范围内的其他节点直接通信，并且能够通过节点间信息转发(跳)实现更远距离通信，网络中的节点能够自由移动，网络的无线拓扑结构可以随意变化并且无法预知。一般来说，Ad Hoc网络中节点间的路由包含多跳(多次转发)，因此这种网络也称多跳无线Ad Hoc网络。

无线Ad Hoc网络中节点之间的时间同步的性能及方式受无线MAC(介质访问控制)的工作方式影响极大。MAC层的主要功能是决定一个节点什么时候可以访问共享介质，并解决可能发生在节点之间的潜在竞争冲突。现有的无线自组网MAC层协议根据其控制访问介质的方式可以分为两类：无竞争介质访问协议和基于竞争的介质访问协议。

在无竞争介质访问协议中，各节点唯一地使用所分配的无线介质资源，目前主要采用时分复用(TDMA)方式，节点在通信时不会发生碰撞。但是该MAC要求网络中的节点严格地进行同步，而且必须先同步后系统才能分配时隙，很难适应网络拓扑的变化，给组建多跳网络带来困难。譬如蓝牙系统中在连接不同微微网构成散射网时，一些节点就承担了网关的功能，这些节点分别属于多个微微网，需要同步于不同帧时隙和跳频序列，要在不同的微微网之间切换，开销较大。

基于竞争的介质访问协议提供了一种减少碰撞次数和从碰撞中恢复的机制，允许节点通过竞争来占用访问介质。普遍流行的基于竞争的MAC协议是CSMA(载波监听多路访问)，包括它的变体CSMA/CD(带有冲突检测的)和CSMA/CA(带有冲突避免的)。目前主要应用的是ieee802.11(Wi-Fi)。无线信号不同于有线信号，无线信号的传输受路径及周围环境的影响较大，不同位置的节点的干扰情况的变化有明显差异。这种“先侦听后发送”的机制，只有发送端的节点对载波或信道进行检测，发送端节点的检测结果并不能准确地代表接收端节点周围面对的情况，而接收端节点周围的干扰情况才是判断是否传输数据的条件。因此发送端节点根据侦听结果做出的判断明显有局限性，结果就带来隐藏终端和暴露终端的问题。

在无线Ad Hoc网络中，各节点的地位平等。由于节点上发射的无线信号强度远远大于接收信号的强度，节点在同一频带一般不能同时进行收发信号。所以无线Ad Hoc网络中节点之间通信首先要解决解决了同一节点上信号收、发冲突 问题。第二个问题是节点上的各个接收通道如何能够区分来自不同节点发送的数据。本发明针对无线Ad Hoc网络中节点的特点，设计了一种新的信道编码调制方法，巧妙地解决了上述的两个问题。节点在发送消息前不需要侦听载波或信道是否空闲，直接发送。而且节点收、发信号采用同一无线频带，使得任意两节点之间收发信道无线传播模型特性相同、理论上完全对称，这给节点组网带来很大便利。

技术实现要素：

本发明的系统无线信道的信号格式如图1所示，时间轴被分成连续周期相同的帧，每一帧用流水号(F)来标识，再把每一帧分成P个时隙，本发明的方案要求P必须是素数。用户在每一帧只采用其中一个时隙进行传输信号，即一个信道在每一帧中只占用一个时隙，所以系统信道数量最大值为P。不同于传统的TDMA协议的信道分配方法，本发明的方案中的每个信道在每一帧中不是占用固定的时隙。具体占用的时隙号(Ts)与信道号(S)及帧号(F)相关，信道在每一帧中占用的时隙由下列公式确定：

Ts＝(S*F)Mod P (公式一)

式中：Ts---时隙号，取值范围：0～P-1。

S----信道号，取值范围：0～P-1。

F----帧号，从0开始的流水号，也可采用0～M-1循环号码，M取P的倍数。

P----素数，由它确定了系统的时隙数量及信道数量。

*----乘法运算符。

Mod----取模运算符，取整数除法的余数。

从上述的公式一可以得出，时隙号Ts经过P个帧之后开始重复，循环周期是P。同样通过公式一，只要知道信道号以及当前接收数据时隙所对应的帧号，就可以确定后续各个时隙的时间位置。每个节点的发送通道占用一个信道，也就有一套不同的时隙发送序列。经过证明和仿真，用上述方法产生的任意两个时隙序列在时间上发生冲突的最大几率是确定的，所以每个节点之间的帧信号不必要求同步，只要周期相同即可。

传统的码分多址(CDMA)技术是将信息符号扩展为时间上连续的扩频序列。和传统的CDMA技术不同的是本发明中信道最基本的编码方法如图2所示，每位需要发送的信息符号先经过与扩频序列各位相乘，相乘后的每路信号分配到同一信道连续的不同时隙上，每个时隙上的信号逐位和信道PN(伪随机噪声)码相乘，再进行调制输出到发送单元。若扩频序列长度为K，并且调制方式采用BPSK(二进制相移键控)，则每位信息符号与K位扩频序列的各位相乘后变为K路信号，分配到信道连续的K个时隙上，各个时隙上的信号逐位和信道PN码相乘，再进行BPSK调制输出到发送单元。这可以理解为一种重复编码，即一位信息符号在不同的时隙上重复；或一种扩频处理，每位信息符号用一个扩频序列表示，只是将该扩频序列分布到不同的时隙上。通过将信息符号扩展到信道连续的多个时隙上，降低节点单个收发时隙冲突对信息传输的影响，从而实现接收数据的正确解调恢复。

本发明方案中的信道由于同时采用一种变化了的CDMA技术和一种类似TDMA类型的时分复用，导致了频谱资源利用率不高，庆幸的是在这种情况下每个信道受到的干扰程度也会下降，可以通过下列方法来提升信道有效数据速率：

1)扩频序列的选择。例如可以选32阶的沃尔什(Walsh)序列或32位的CCSK(循环码移位键控)序列，这两个序列都对应5位二进制信息符号，可以明显提高信道有效数据速率。当然这样处理的代价会增加译码的复杂度。

2)调制方式的选择。上述的BPSK调制是一种最简单的调制方法，可以选择QPSK(正交相移键控)，频谱效率提升1倍。也可以选择高阶调制方式，获得更高的频谱效率，但也对噪声和干扰更加敏感。

3)时隙长度的扩展。在无线Ad Hoc网络中，节点通过功率控制只和周围几个最近的节点建立连接，一般数目不大于6。而系统设计的信道最大数量P一般远大于6。如果每个节点采用占空比为1/P的时隙传输信息，那么在每个节点周围的小范围内，节点间传输信号的干扰程度很小，也是无线频谱效率的浪费。可以通过扩展时隙长度来延长节点发送信息的时间，直接提高信道有效数据速率。需要注意的是按上述公式一产生的信道时隙序列中有如下特点：1号信道(S＝1)最小的时隙间隔距离为1，2号信道(S＝2)最小的时隙间隔距离为2，等等；时隙间隔距离单位是标准时隙时间长度。所以采用信道时隙长度扩展时，注意信道号S值较小的信道的影响。

在上述的提升信道有效数据速率的方法中，时隙长度的扩展会增加与周围节点信道时隙的冲突几率，选择合适的时隙扩展长度能够将这种冲突几率控制在不影响接收数据正确恢复的范围之内。另一反面，如果节点间只有很少的信息需要交流，信道时隙的长度可以缩短，以减少对周围其他节点间通信的干扰。

当然还可以采用多载频技术成倍提高节点间通信的数据流量，来满足不同应用的需求。

本发明方案介绍的无线多信道MAC的信号编码调制方法中，每个信道采用不同的时隙发送序列解决了节点上信号收、发冲突问题，同时信道编码采用类似CDMA的技术让节点上的接收通道能够区分来自不同节点发送的数据。每个信道的区别只有两点：不同的时隙发送序列和互相正交特性好的信道PN码。每个节点可以通过软件配置自己的发送通道占用任意一个无线信道。同样，节点的接收通道也可以通过软件配置来接收任意一个无线信道的信号。

附图说明：

图1本发明中定义的帧和时隙的示意图；

图2本发明中信道基本的编码方法示意图；

具体实施例：

下面以一个具体的案例来说明本发明介绍的无线多信道MAC的信号编码调制方法。

在本发明所描述的Ad Hoc网络系统共有31个无线信道，采用了31个不同的金(Gold)码作为信道码来调制不同信道上的数据，每个信道在每一帧中占用的时隙号(Ts)由下列公式确定：

Ts＝(S*F)Mod 31

式中：Ts---时隙号，取值范围：0～30。

S----信道号，取值范围：0～30。

F----基本帧号，方案采用496个基本帧组成复帧，所以F从0～495循环。

扩频序列采用32位二进制CCSK序列，序列中的每一位称为码片(chips)。用CC₀表示32位CCSK序列的初始状态，

CC₀＝01111100111010010000101011101100

通过对CC₀循环左移31次，生成CC₁、CC₂......CC₃₁序列，包括CC₀本身，就生成了32个5位二进制所对应的32位码片序列，从而实现待传输信息5位字符与32个码片序列(CC₀～CC₃₁)的一一对应。信号采用QPSK调制方式，4种相位状态对应2位码片。将待传输信息的每5位字符对应的32位CCSK序列，按每2位一组变为16路信号，分配到信道连续的16个时隙上，各个时隙上的信号逐位和信道PN码相乘，再进行QPSK调制输出到发送单元。

信道PN码采用周期为1023(即2¹⁰-1)个码片的金(Gold)码。电路上由两个十级反馈移位寄存器组成，通过相位选择器选择移位寄存器中不同寄存单元的输出进行异或相加，产生不同的金码。本案例选择其中相互之间正交特性较好31个金码作为信道PN码。

由于信道码为1，2，3，4的4个信道的最小时隙间隔较小，系统禁止节点采用这4个信道作为自己的发送信道，避免在时隙长度扩展时受到影响。所以系统中能够使用的信道数量为27。

本案例系统采用的码片速率为3.844Mcps。按标准时隙时间长度计算，每个节点发送数据的最大速率为38.75Kbit/s。如果同时连接着周围有6个节点，则节点接收数据的最大速率为232.5Kbit/s。本案例的节点信道时隙长度可扩展为标准时隙时间长度的4倍，这样节点发送数据的最大速率可达155Kbit/s。如果还是同时连接着周围有6个节点，则节点接收数据的最大速率能达到930Kbit/s。能够满足一般应用的需求。如果采用多载频技术，节点间通信的数据流量可以进一步提高。

综上所述，本发明介绍的无线多信道MAC的信号编码调制方法，允许节点收发信道的时隙发生冲突，采用一种新的时隙发送序列，控制这种冲突几率在不影响接收数据正确恢复的范围之内。同时采用将信息符号的扩频序列分散到信道连续的多个时隙上，兼有了传统编码的交织功能。这样无线Ad Hoc网络中的节点在发送信号之前不需要先侦听信道状态，可以直接发送。也避免了节点间的同步要求，使得网络的扩展性能得到增强。