无线自组织网络中的多包分离方法.pdf

无线自组织网络中的多包分离方法涉及一种用于无线自组织网络中的多包分离方案，其多包分离的步骤为：a.首先，不同发送用户在各自的发送端对发送数据的数据包进行多项相位调制与发送处理，b.若发送用户的数据包发送给同一接收用户，c.对于观察窗口内的混和数据运用多项相位分离方法进行分离，d.若当前处理的观察窗口中含有某个用户的完整数据包信息，对分离处理后的观察窗口数据进行能量检测与位置参数提取；e.通过得到的位置参数缩小第一次多包分离时的观察窗口的范围，在缩小的观察窗口再次对该用户的数据进行分离即第二次多包分离，从而在较低信噪比下可以得到更好的分离效果。

1、  一种无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于多包分离的步骤为：
a、首先，不同发送用户在各自的发送端对发送数据的数据包进行多项相位调制与发送处理，
b、若发送用户的数据包发送给同一接收用户，在上述情况下，接收用户将同时接收到多个用户的冲突数包，对于这些冲突数据包，接收用户首先通过移动窗口滑动的方式将混和数据以观察窗口的长度为单位进行分段，即接收端观察窗口的移动以及对混和数据进行存储，
c.对于观察窗口内的混和数据运用多项相位分离方法进行分离，
d、若当前处理的观察窗口中含有某个用户的完整数据包信息，对分离处理后的观察窗口数据进行能量检测与位置参数提取；由于该用户数据信息能量一般大于噪声能量，因此可以得到该用户的数据包相对于观察窗口的位置信息，
e、通过得到的位置参数缩小第一次多包分离时的观察窗口的范围，在缩小的观察窗口再次对该用户的数据进行分离即第二次多包分离，从而在较低信噪比下可以得到更好的分离效果。

2、  根据权利要求1所述的无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于在步骤a中，发送端源数据多项相位调制与发送的方法为：
f、用户i的数据：设b_i(k)表示在时刻k用户i的信息数据，
g、多项相位调制：为了能够在接收节点处分离出多个用户的混和数据包，需要对每个用户的数据信息赋予不同的特征信息，采用调制特征信息，即从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取一个特征序列c_i(k)，然后将用户i的信息b_i(k)乘以调制特征信息c_i(k)得到发送序列s_i(k)＝b_i(k)c_i(k)  ，
h、射频发送：最后通过发射机射频将s_i(k)发送。

3、  根据权利要求1所述的无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于在步骤b中，接收端观察窗口的移动以及对混和数据进行存储的方法为：
i.射频接收：不同发送用户的数据包发送后，在接收端可以得到这些用户的混和数据的接收信息，
j.将混合的数据信息以观察窗口长度为单位进行处理：为了能够进行混和数据包信息的分离与处理以及保证每一个用户的数据包信息都可以在特定的观察窗口完整的观察到，将两个数据包长的时间定义为一个观察窗口的宽度，观察窗口的前后移动可以得到不同时间的混和数据包数据的观察值，且规定相邻两个观察窗口的重叠区域为一个数据包长，对混和数据包的分离操作在每一个观察窗口中进行处理，
k.存储当前观察窗口的混和数据：将当前形成的一个观察窗口内的数据进行存储，以备接下来处理使用。

4、  根据权利要求1所述的无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于在步骤c中，对于观察窗口内的混和数据运用多项相位分离方法进行分离的方法为：在观察窗口中，接收节点都会从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取用户调制特征参数，在此基础上计算滤波器的参数，如果当前观察窗口中含有采用这个调制特征参数进行传输的数据包，则可以得到显著不同于噪声特性的能量较大的用户信号，进而可以初步恢复出该用户的数据包信息；否则，恢复出的信号类似于噪声性质，没有显著的有用信号特征。

5、  根据权利要求1所述的无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于在步骤d中，对分离处理后的观察窗口数据进行能量检测与位置参数提取的方法为：
l、能量检测：在当前观察窗口中，对经过多项相位分离方法处理后的信号进行能量检测，由于调制序列分离方法可以较好的抑制其他多址干扰，因此在处理后的观察窗口中能量较高的部分即是该用户的数据包信息，
m、分离出的用户数据包相对于观察窗口的初步位置估计：根据观察窗口中能量较高的部分即是该用户的数据包信息这一特征，计算能量较高点的起始位置与观察窗口起始位置的距离信息，这就是该用户数据包相对于当前观察窗口的初步的相对位置信息。

6、  根据权利要求1所述的无线自组织网络中的多包分离方法，其特征在于在步骤e中，通过得到的位置参数缩小第一次多包分离时的观察窗口的范围，在缩小的观察窗口再次对该用户的数据进行分离即第二次多包分离的方法为：
n、缩小当前观察窗口：根据得到的该用户相对于观察窗口的位置信息缩小当前的观察窗口以减少噪声干扰，并使之长度减少一半，即等于该用户的数据包长度，并且起始位置与能量检测和参数提取过程中得到的该目标用户的数据包起始位置相同，
o、在缩小的观察窗口内进行信号分离：在此基础上对原冲突的数据包再一次利用多项相位分离方法进行数据包的分离。

无线自组织网络中的多包分离方法
                          技术领域
本发明涉及一种用于无线自组织网络中的多包分离方案，属于通信信号处理的技术领域。
                          背景技术
Ad hoc网络是一种没有固定设施，网络拓扑动态改变的自组织网络.与蜂窝网络中的多址接入协议(MAC)类似，传统的ad hoc网络MAC协议假设信道无噪声或噪声对信号的影响较小，信道接入失败是由于不同用户的冲突引起的；如果冲突发生了，所有数据包必须重传。
未来无线多媒体通信的发展要求移动网络能够满足高速率，宽带化的特点，这也为作为第四代无线网络候选方案之一的ad hoc网络的发展提出了挑战；与此同时，信号处理技术的快速发展和新的网络设计思路的出现又为adhoc无线网络性能的提高提供了新的途径，并由此产生了网络研究的一些新热点，其中多包分离就是其一，它的思想是网络中的节点利用信号处理方法可以同时接收和分离多个冲突的数据包，从而避免了上述的数据包重传现象，大大提高网络的传输效率.实现多包接收的关键问题在于网络中的节点能够在物理层利用信号处理方法实现冲突数据包的分离。
基于网络辅助分集实现多包分离的方法基于分集的思想，只不过这里分集是利用网络资源提供分集，这种方法也是最先将信号处理与网络相结合来提高网络性能的方法，但是这种方法仅适用于蜂窝网络。针对ad hoc网络，提出了LSS(Least squares smoothing，最小平方平滑)方法，但是LSS方法只适合同步条件下的多包分离，KMA(Known modulus，已知模)方法虽然考虑了异步条件下的冲突分辨方法来解决多包分离问题。但这种方法需要预先知道目标用户的定时信息。多项相位调制(PPS)方法则既可以适用于异步网络环境，又对目标信号没有已知定时信息的要求，因此是解决多包分离的较完善方法。但目前尚无基于以上方法进行多包分离的设备出现。
                         发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种在较低信噪比下提高冲突数据包分离效果的无线自组织网络中的多包分离方法，从而可以更加有效的实现网络中节点在较差的通信环境下的多包分离能力。
技术方案：本发明的ad hoc网络中的多包分离方法由两次多项相位调制分离方法组成：首先，不同发送用户在各自的发送端对发送数据数据包进行多项相位调制处理，然后通过射频发送给接收用户。假设发送用户的数据包发送给同一接收用户，在上述情况下，接收用户将同时接收到多个用户的冲突数包；对于这些冲突数据包，接收用户首先通过窗口滑动的方式将混和数据以观察窗口的长度为单位进行分段，对于每一个观察窗口内的混和数据运用多项相位分离算法进行分离，假设当前处理的观察窗口中含有某个用户的完整数据包信息，对分离算法处理后的观察窗口的数据进行能量检测。由于该用户数据信息能量一般大于噪声能量，因此可以得到该用户的数据包相对于观察窗口的位置信息；通过获得的大致位置信息对当前观察窗口进行缩小，在缩小后的观察窗口重新利用多项分离方法分离该用户信息，从而在较低信噪比下可以得到更好的分离效果。
发送端不同发送用户的数据包多项相位调制与发送：假设b_i(k)表示在时刻k用户i的信息数据，为了能够在接收节点处分离出多个用户的混和数据包，需要对每个用户的数据信息赋予不同的特征信息，在本方案中采用调制特征信息，即从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取一个特征序列 c i ( k ) = e j [ 2 π f i k 2 + 2 π α i k ] ]]>(这里f_i是T_f的倒数，T_f是一个大于M+Q-2的任意质数，M表示信道的最大阶数，Q表示接收端滤波器的长度； a i = i - 1 2 D , ]]>D为调制信息码集的大小)，然后将用户i的信息b_i(k)乘以调制特征信息c_i(k)得到发送序列s_i(k)＝b_i(k)c_i(k)，最后通过发射机射频将发送序列s_i(k)发送。
接收端混和数据包的接收：不同发送用户的数据包发送后，在接收端可以得到这些用户地混和数据的接收信息。为了能够进行混和数据包信息的分离与处理以及保证每一个用户的数据包信息都可以在特定的观察窗口完整的观察到，我们将两个数据包长的时间(在网络协议中设定所有用户的数据包长是一样的)定义为一个观察窗口的宽度，观察窗口的前后移动可以得到不同时间的混和数据包数据的观察值，且规定相邻两个观察窗口的重叠区域为一个数据包长，对混和数据包的分离操作在每一个观察窗口中进行处理。
基于观察窗口的混和数据包分离：在没一个观察窗口中，接收节点都会从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取用户调制特征参数，在此基础上计算滤波器的参数，如果当前观察窗口中含有采用这个调制特征参数进行传输的数据包，则可以得到显著不同于噪声特性的能量较大的用户信号，进而可以初步恢复出该用户的数据包信息；否则，恢复出的信号类似于噪声性质，没有显著的有用信号特征。
在接收端对初步恢复得到的用户数据信息进行能量检测与位置参数提取：在当前观察窗口中，对经过多项相位分离方法处理后的信号进行能量检测，由于调制序列分离方法可以较好的抑制其他多址干扰，因此在处理后的观察窗口中能量较高的部分即是该用户的数据包信息，根据这一特征，计算能量较高点的起始位置与观察窗口起始位置的距离信息，这就是该用户数据包相对于当前观察窗口的初步的相对位置信息。
缩小当前观察窗口后的的第二次混和数据包分离：根据得到的该用户相对于观察窗口的位置信息缩小当前的观察窗口以减少噪声干扰，并使之长度减少一半，即等于该用户的数据包长度，并且起始位置与能量检测和参数提取过程中得到的该目标用户的数据包起始位置相同。在此基础上对原冲突的数据包再一次利用多项相位分离方法进行数据包的分离，这样由于减少了噪声影响，因此可以获得更好的分离效果。
有益效果：本发明通过使用信号分离方法可以在较低的信噪比条件下对无线网络中多个用户数据信息冲突进行有效的分离，从而提高无线网络的信息传送效率和吞吐量。
本发明根据无线自组织网络和基于多项相位调制的多包分离方法的特点，设计了一种基于位置参数估计的多相位调制分离方法，该方法可以在较低的信噪比下提高多包分离的效果；此外，位置估计和基于位置估计的多项相位调制方法具有大致相同的计算操作，因此在实际应用中只需要一个完成同样操作的硬件即可，从而可以有效的节省硬件资源。
                       附图说明
图1是本发明的模块框图。图1中有：发送端源数据多项相位调制与发送1，接收端观察窗口的移动以及对混和数据进行存储2，在观察窗口内对混和数据进行多项相位分离(第一次多包分离)3，对分离处理后的观察窗口数据进行能量检测与位置参数提取4，通过得到的位置参数缩小第一次多包分离时的观察窗口的范围，在缩小的观察窗口再次对该用户的数据进行分离(第二次多包分离)5。
图2是本发明的详细处理流程图。
图3是本发明接收端滑动窗口操作示意图。
图4是本发明的缩小观察窗口示意图。
图5是本发明的接收机原理框图。其中b_i(k)表示在时刻k用户i的信息数据，c_i(k)为调制特征信息，s_i(k)为发送序列。H_i表示用户i的信道，w_i表示第一次信号分离时的滤波系数；Wi(ti)表示在接收端在获得发送用户相对于观察窗口的相对位置信息t_i后进行第二次多包分离时的滤波系数，y_i(k)表示分离出的结果，z_i(k)表示y_i(k)进行了多项相位补偿后的分离果。
                      具体实施方式
本发明的ad hoc网络中的多包分离方法由两次多项相位调制分离算法组成：发送端源数据多项相位调制与发送1，接收端观察窗口的移动以及对混和数据进行存储2，在每一个观察窗口内对混和数据进行多项相位分离(第一次多包分离)3，对分离处理后的窗口数据进行能量检测与位置参数提取4，通过得到的位置参数缩小第一次多包分离时的观察窗口的范围，在缩小的观察窗口再次对该用户的数据进行分离(第二次多包分离)5。
1发送端源数据多项相位调制与发送
发送端不同发送用户的数据包多项相位调制与发送：假设b_i(k)表示在时刻k用户i的信息数据，为了能够在接收节点处分离出多个用户的混和数据包，需要对每个用户的数据信息赋予不同的特征信息，在本方案中采用调制特征信息，即从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取一个特征序列c_i(k)，然后对用户i的信息b_i(k)乘以调制特征信息c_i(k)得到s_i(k)＝b_i(k)c_i(k)，最后通过发射机射频处理后将s_i(k)发送。
这一部分完成了多项相位调制分离方法中的发送端信号的处理，这实际上是在发送端对数据信息引入了某种结构特性，为接收端对多个冲突数据包分离做准备。
2接收端通过滑动窗口的方式对混和数据包接收
由于发送用户的数据包存在异步发送情况，因此仅仅通过一个长度为数据包长度的观察窗口往往不能够完全观察到所有用户的混合信息。对于这种情况可以采用滑动窗口方式来解决：可以证明当观察窗口的长度为数据包长的两倍，且观察窗口以一个数据包长的长度为单位来移动时可以保证每一个用户数据包的完整信息都可以在特定的观察窗口中得到，这样就可以在该观察窗口对该用户的信息进行分离。此外，由于在接收端还需要在缩小的观察窗口下对混和数据进行第二次信号分离，因此需要保存当前观察窗口的混和数据以备使用。
3接收端第一次混和数据包分离
在特定的一个观察窗口中，接收节点从收发双方预先设定的调制特征信息码集中随机选取用户调制特征参数c_j，在此基础上根据一维调制信号调制参数和解调参数相同时输出结果虚部为零这个准则计算滤波器的参数，如果当前观察窗口中含有采用这个调制特征参数进行传输的数据包，则可以得到显著不同于噪声特性的用户信号，进而可以初步恢复出该用户的数据包大致信息；否则，恢复出的信号类似于噪声性质，没有显著的有用信号特征。
这一过程通过在整个观察窗口计算，得到一个关于目标用户数据包的初步的分离效果。
4接收端能量检测与参数提取
在当前观察窗口中对信号分离处理后的窗口数据进行能量检测，这里可以采用窗口长度为包长的能量检测窗口在观察窗口中逐符号进行滑动，在每一个滑动到的位置计算当前能量检测窗口内数据的能量，由于通过第一次多项分离算法可以较好的抑制其他多址干扰，因此当能量检测窗口中的数据能量最高时即是此用户数据包的大致位置。在此基础上，根据这一特征，计算该数据包的起始位置与观察窗口起始位置的距离信息，这就是该用户数据包相对于当前观察窗口的初步的相对位置信息。
5接收端基于目标用户定时信息的第二次多项相位分离
根据得到的分离出的用户数据包相对于观察窗口的时间信息缩小当前的观察窗口以减少噪声干扰，假设该用户与观察窗口的起始距离相差为d，每个用户的数据包长度为l，则缩小后的观察窗口的大小为l，其起始和终止位置分别在原观察窗口的d和l+d处。取出第2个过程(接收端通过滑动窗口的方式对混和数据包接收)中存储的原观察窗口的d和l+d处之间的数据再次进行多项相位分离，这样就可以得到更好的数据包分离效果。