專利名稱：超短波自組網中電臺協同通信方法
技術領域：
本發明屬于無線網絡通信技術，特別是一種超短波自組網中電臺協同通信方法。 二
背景技術：
超短波電臺可采用直擴和跳頻兩種抗干擾機制，但實際中，為兼顧抗干擾與通信 速率需求，以跳頻機制為主。超短波跳頻電臺存在的較大問題是同步和建鏈時間較
長，組網時更是如此。因此，在超短波高速數傳電臺組網時，媒體接入控制(MAC)
技術選擇需要謹慎地考慮這一點。
目前，可實際應用的MAC方案有兩個載波偵聽多址(CSMA)和時分多址 (TDMA)。 CSMA支持突發業務和非實時業務，在網絡輕業務負荷情況下具有較好的 性能。TDMA支持連續業務和實時業務，各電臺不存在競爭關系，組網簡單，在網絡 中等或重業務負荷情況下具有較好性能。
TDMA方式最大特點是電臺周期發送數據，導致數據傳輸時延較大。另外，超短 波信道最大特點是傳輸距離遠和誤碼率高。高誤碼率導致高誤幀率，進而增加重傳次 數和傳輸時延。雖然可以通過改善物理層的信道編碼、均衡和同步等關鍵技術降低誤 碼率，但性能提升有限。
TDMA方式下，各電臺發送數據機會寶貴，因此常采用捎帶(piggyback)技術解 決發送短幀(如網絡層路由請求和應答短幀、拓撲信息短幀、鄰居信息短幀以及數據 鏈路層的應答短幀)時信道利用率低下的問題。TDMA網中數據鏈路層可采用應答機 制，但無法實現實時應答，這也同樣制約了網絡傳輸性能。
協同自動重傳請求(ARQ)技術通過協同電臺(例如鄰居電臺)轉發源數據信息 的冗余信息，可以實現數據信息的預重傳和重傳，進而降低重傳時延和誤碼率，直接 提升TDMA接入方式下的網絡傳輸性能。
三
發明內容
針對現有超短波TDMA網在傳輸質量、傳輸效率和傳輸時延等性能方面的不足， 本發明提供一種能夠提高傳輸質量、減少重傳次數和傳輸時延的超短波自組網中電臺協同通信方法。
實現本發明目的的技術解決方案包括以下步驟
一種超短波自組網中電臺協同通信方法，第n臺電臺在所分配的時隙f中發送第n 臺電臺的信息幀，其它電臺W在時隙f中接收第"臺電臺發送的信息幀，發送信息幀周 期為一個時幀，其中，w，"e{l，2,...,7V} ， w-"，7V為入網電臺個數'Z e {l,2，...，r} ' r
為一個時幀包含的時隙數，r取正整數，iV2rsi28，剩余r-w個時隙備用，其特
征在于
所述的第"臺電臺在所分配的時隙/中發送第w臺電臺的信息幀，信息幀長度等于 一個時隙長度，時隙長度不超過2秒，信息幀由物理層幀頭、MAC層幀頭、信息載荷 和幀尾組成，所述的信息載荷至少由數據信息分組、中繼信息分組和短幀分組中的一 個或多個組成，所述的數據信息分組指的是第n臺電臺發送的數據信息，所述的中繼 信息分組指的是第"臺電臺為接收到的電臺"ll,2,…,W,A:^"的數據信息分組轉發
的冗余信息，中繼信息分組的目的電臺是電臺A的數據信息分組的接收電臺，此時， 稱電臺A為中繼信息分組的源電臺，中繼信息分組由源電臺地址、目的電臺地址，分 組類型，分組長度、中繼信息內容和校驗等部分構成，所述的短幀分組至少為網絡層 路由請求和應答短幀、拓撲信息短幀、鄰居信息短幀以及數據鏈路層的應答短幀中的 一種，實現路由尋址和維護、拓撲維護、鄰居管理以及應答反饋功能，
所述其它電臺m在時隙^中接收到第w臺電臺發送的信息幀后，對第"臺電臺發送 的信息幀進行如下處理
步驟l，解析信息幀參數，
步驟2;如果信息載荷中不存在發送給電臺m的中繼信息分組，轉步驟3;如果信 息載荷中存在發送給電臺W的中繼信息分組，做如下處理
步驟2.1，若該中繼信息分組被正確接收，則送往物理層，與對應的之前接收并緩 存在物理層中的有誤的數據信息分組根據選擇性自動重傳請求(ARQ)技術進行聯合 檢測譯碼，
步驟2.2，若該中繼信息分組存在錯誤，則拋棄中繼信息分組，步驟3，如果信息載荷中不存在發送給電臺w的短幀分組，轉步驟4;如果信息載 荷中存在發送給電臺m的短幀分組，做如下處理
歩驟3.1，若該短幀分組被正確接收，則送往上層， 步驟3.2，若該短幀分組存在錯誤，則拋棄短幀分組，
步驟4，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的數據信息分組，轉步驟5;如果信 息載荷中存在發送給電臺m的數據信息分組，做如下處理 步驟4.1，若該數據信息分組被正確接收，則送往上層， 步驟4.2,若該數據信息分組存在錯誤，則緩存在物理層，
歩驟5，如果信息載荷中不存在發送給電臺w的鄰居電臺的數據信息分組，轉步
驟6;如果信息載荷中存在發送給電臺W的鄰居電臺的數據信息分組，做如下處理
步驟5.1，若下述條件a)、 b)、 c)和d)同時成立
a) 該數據信息分組被正確接收，
b) 沒有收到該鄰居電臺成功接收該數據信息分組的確認信息，
c) 沒有其它電臺發送過該數據信息分組的中繼信息分組，
d) 電臺w將要發送的信息幀中的信息載荷除去數據信息分組和短幀分組外，有剩 余空間捎帶中繼信息分組，
則電臺W允許中繼并生成中繼信息分組，所述的中繼信息分組分為兩類 一是重傳中
繼信息分組；二是預重傳中繼信息分組，具體操作如下-
步驟5丄1，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺m之前，則生成重傳中繼信息分 組，重傳中繼信息分組的內容與該數據信息分組一樣，
步驟5丄2，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺m之后，則生成預重傳中繼信息 分組，預重傳中繼信息分組的內容是該數據信息分組的部分冗余信息，可釆用選擇性 自動重傳請求(ARQ)技術得到，
步驟5.2，若所述條件a)、 b)、 c)和d)不能同時成立，則不允許中繼并拋棄該數據 信息分組，
步驟6，拋棄信息幀的信息載荷中所有其它沒有被處理過的分組， 步驟7，更新鄰居狀態表。
6本發明顯著的優點是1)不改變現有超短波電臺硬件結構，支持現有電臺可能采 用的信道編碼(RS碼、巻積碼和Turbo碼等)、數字調制、同步、均衡等所有物理層 通信技術，稍做修改即可支持CSMA方案以及所有路由技術；2)不需要設計特殊的 信息幀格式，只要在常規信息幀中增加中繼信息分組即可；3)通過簡單的協同通信開 關設置，打開或關閉協同通信方式，在協同通信方式和常規通信方式之間自由切換；4) 可直接通過軟件方式升級現有已裝超短波電臺，或改進在研超短波電臺，推出具有較 高組網能力的新一代超短波電臺。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
四
圖1是本發明的時幀結構和時隙結構圖。
圖2是本發明的信息幀結構圖。
圖3是本發明的中繼信息分組結構圖。
圖4是本發明的信息幀發送和接收流程圖。
圖5是本發明的信息幀接收流程圖。
圖6是點對點傳輸情況下不同方案的誤碼率性能比較圖。
圖7是不同媒體接入控制方案的吞吐量性能比較圖。
圖8是不同媒體接入控制方案的時延性能比較圖。
五
具體實施例方式
實施例1
一種超短波自組網中電臺協同通信方法，如圖1和圖2所示，采用時分多址接入 方式，第w臺電臺在所分配的時隙/中發送第w臺電臺的信息幀，其它電臺m在時隙Z中 接收第M臺電臺發送的信息幀，發送信息幀周期為一個時幀，其中，w,"e(l,2,…,A^，
m^",w為入網電臺個數，/e{i，2,-.,r}， r為一個時幀包含的時隙數，r取正整數， A^rsi28， r的典型值為32，剩余r-iv個時隙備用，所述的第《臺電臺在所分配的時隙f中發送第"臺電臺的信息幀，信息幀長度等于 一個時隙長度，時隙長度不超過2秒，典型值為32ms，信息幀格式如圖3所示，信息 幀由物理層幀頭、MAC層幀頭、信息載荷和幀尾組成，物理層幀頭包括同歩頭信息和 幀長指示信息，MAC層幀頭包括幀控制信息和地址信息，幀尾是幀檢驗比特，
所述的信息載荷至少由數據信息分組、中繼信息分組和短幀分組中的一個或多個 組成，所述的數據信息分組指的是第n臺電臺發送的數據信息，所述的中繼信息分組 指的是第"臺電臺為接收到的電臺A:e仏2,…，A^,A:^"的數據信息分組轉發的冗余信
息，中繼信息分組的目的電臺是電臺^的數據信息分組的接收電臺，此時，稱電臺/t為 中繼信息分組的源電臺，
如圖4所示，中繼信息分組由源電臺地址、目的電臺地址，分組類型，分組長度、 中繼信息內容和校驗等部分構成，所述的短幀分組至少為網絡層路由請求和應答短幀、 拓撲信息短幀、鄰居信息短幀以及數據鏈路層的應答短幀中的一種，實現路由尋址和 維護、拓撲維護、鄰居管理以及應答反饋功能，
所述其它電臺附在時隙,中接收到第w臺電臺發送的信息幀后，如圖5所示，對第 臺電臺發送的信息幀進行如下處理
步驟l，解析信息幀參數，判斷各個分組類型、數量、長度及是否正確接收，
步驟2;如果信息載荷中不存在發送給電臺w的中繼信息分組，轉步驟3;如果信 息載荷中存在發送給電臺m的中繼信息分組，做如下處理-
步驟2.1，若該中繼信息分組被正確接收，則送往物理層，與對應的之前接收并緩 存在物理層中的有誤的數據信息分組根據選擇性自動重傳請求(ARQ)技術進行聯合 檢測譯碼，
步驟2.2，若該中繼信息分組存在錯誤，則拋棄中繼信息分組， 步驟3，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的短幀分組，轉步驟4;如果信息載 荷中存在發送給電臺m的短幀分組，做如下處理
步驟3.1，若該短幀分組被正確接收，則送往上層， 步驟3.2，若該短幀分組存在錯誤，則拋棄短幀分組，
8步驟4，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的數據信息分組，轉步驟5;如果信 息載荷中存在發送給電臺m的數據信息分組，做如下處理 步驟4.1，若該數據信息分組被正確接收，則送往上層，
步驟4.2，若該數據信息分組存在錯誤，則緩存在物理層，等待其它電臺發送重傳
中繼信息分組，
步驟5，如果信息載荷中不存在發送給電臺附的鄰居電臺的數據信息分組，轉步
驟6;如果信息載荷中存在發送給電臺W的鄰居電臺的數據信息分組，做如下處理
步驟5.1'若下述條件a)、 b)、 c)和d)同時成立
a) 該數據信息分組被正確接收，
b) 沒有收到該鄰居電臺成功接收該數據信息分組的確認信息，包括收到該鄰居電 臺未成功接收該數據信息分組的確認信息，
c) 沒有其它電臺發送過該數據信息分組的中繼信息分組，
d) 電臺《將要發送的信息幀中的信息載荷除去數據信息分組和短幀分組外，有剩 余空間捎帶中繼信息分組，
則電臺m允許中繼并生成中繼信息分組，所述的中繼信息分組分為兩類 一是重傳中 繼信息分組；二是預重傳中繼信息分組，具體操作如下
步驟5丄1，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺w之前，則生成重傳中繼信息分 組，重傳中繼信息分組的內容與該數據信息分組一樣，例如采用重復編碼技術，
步驟5丄2，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺w之后，則生成預重傳中繼信息 分組，預重傳中繼信息分組的內容是該數據信息分組的部分冗余信息，可采用選擇性 ARQ技術得到，
步驟5.2，若條件a)、 b)、 c)和d)不能同時成立，則不允許中繼并拋棄該數據信息 分組，
步驟6，拋棄信息幀的信息載荷中所有其它沒有被處理過的分組， 步驟7，更新鄰居狀態表，以重新確定電臺之間的鄰居關系。
實施例2這里以r-4和7V:4為例，詳細說明電臺信息幀的發送和接收流程，其它數目的r
和W類似。
記4臺電臺為電臺1、電臺2、電臺3和電臺4，分配的時隙分別為時隙l、時隙2、 時隙3和時隙4。首先，電臺l在時隙l發送信息幀l，電臺2、電臺3和電臺4在時 隙1內接收電臺1發送的信息幀1，假設
1) 信息幀1中包含發給電臺2和電臺3的數據信息分組
2) 電臺3和電臺2是鄰居電臺，
電臺2接收信息幀1的流程如下
步驟l:解析幀參數，
步驟2:發現有發給自己的數據信息分組，如果正確接收，則送往上層，否則緩存
在物理層，
步驟3:同時發現有發給鄰居電臺3的數據信息分組，如果正確接收，且自己將在
時隙2發送的信息幀中有剩余空間，因為電臺2發送順序在電臺3的前面，則根據選 擇性ARQ技術產生冗余信息，即產生預重傳中繼信息分組，如果接收有誤或信息幀中 沒有剩余空間，則拋棄該數據信息分組，
電臺2在時隙2發送信息幀流程如下-
步驟l:反饋電臺1發送來的數據信息分組的接收結果，若成功接收，信息幀中包
括ACK短幀，否則包括NACK短幀，
步驟2:若生成了電臺3的預重傳中繼信息分組，則在信息幀中增加中繼信息分組，
電臺3在時隙1內接收流程 步驟l:解析幀參數，
步驟2:發現有發給自己的數據信息分組，如果正確接收，則送往上層，否則緩存 在物理層，
步驟3:同時發現有發給鄰居電臺2的數據信息分組，如果正確接收，且自己將在時隙3發送的信息幀中有剩余空間，則緩存該數據信息分組，待定，如果接收有誤或 信息幀中沒有剩余空間，則拋棄該數據信息分組，
電臺3在時隙2內接收流程 步驟l:解析幀參數，
步驟2:若發現電臺2沒有成功接收電臺l發給電臺2的數據信息分組，即接收到
NACK短幀，如果電臺3緩存中有電臺1發給電臺2的數據信息分組，則生成重傳中 繼信息分組，即全部轉發，
步驟3:若發現電臺2發送給自己關于電臺1發送給自己的數據信息分組的預重傳
中繼信息分組，如果該預重傳中繼信息分組成功接收，但數據信息分組沒有正確接收， 則聯合數據信息分組和預重傳中繼信息分組再次進行譯碼，
電臺3在時隙3的發送流程以及電臺4在時隙1、時隙2和時隙3的接收流程以及 在時隙4的發送流程與電臺2和3相似。
由上述過程可以看出，電臺1發送給電臺2和電臺3的數據信息分組通過電臺2 和電臺3可能發送的預重傳中繼信息分組和重傳中繼信息分組增加了成功接收的概率， 在常規通信模式下，若電臺2接收電臺1的數據信息分組有誤，則重傳時延至少是4 個時隙，這里通過電臺3的重傳中繼信息分組，時延可能減少至2個時隙。
實施例3
這里考察本發明方法的點對點誤碼率傳輸性能以及系統吞吐量性能和時延性能。 圖6給出了本發明方法點對點傳輸的誤碼率性能，作為比較，同時考察了常規通 信模式下的誤碼率性能，調制方式為QPSK，信道編碼方式為(2,1，7)巻積碼，電臺之
間假設為瑞利衰落信道，
從圖6中可以看出，采用協同通信技術后，即采用協同ARQ技術，通過轉發預重 傳中繼信息分組或重傳中繼信息分組，可有效提高數據信息分組傳輸質量，例如在信 噪比(SNR)為10dB的情況下，常規通信誤碼率為尸￡=3.5><10—3，而協同通信的誤碼率僅為《=8><10—5，這里SNR定義為電臺發送功率與電臺噪聲之比的均值。
圖7和圖8給出了本發明方法的系統吞吐量性能以及時延性能，作為比較，這里 同時考察時隙ALOHA接入協議，時分多址接入協議以及載波偵聽多址接入協議。假 設所有電臺具有獨立同分布的業務到達率，則常規時隙ALOHA的吞吐量公式為
Au)HA&) = ^"(l-C，其中義為總的歸一化業務到達率(包/時隙)，丄為信息幀中
所有數據信息分組總長度，時分多址吞吐量為i TDMA^) = "(l-《f ，其中
"=min(/i,i),本發明方法吞吐量為/ 本發明(;i卜;i'(1-《)\載波偵聽吞吐量由計算機
仿真得到。
圖7縱坐標為單位時隙內平均成功接收信息幀個數，這里信息幀被成功接收指的 是信息幀中所有數據信息分組被成功接收，Z = 320， &Vi = 10dB，從圖中可以看出， 由于采用協同通信，本發明方法提高了數據信息分組的成功接收概率，因此吞吐量最 大，尤其在高業務負荷情況下，吞吐量穩定在0.975。 '
圖8橫坐標為吞吐量(包/時隙)，縱坐標為業務時延(時隙數)，￡ = 320， <S*A^ = 10dB，從圖中可以看出，當系統逼近最大吞吐量時，時延將趨于無窮大。本發 明方法的吞吐量最大，因此時延特性最好，可支持高密度業務(較高的包達到速率) 傳輸。
1權利要求
1、一種超短波自組網中電臺協同通信方法，第n臺電臺在所分配的時隙t中發送第n臺電臺的信息幀，其它電臺m在時隙t中接收第n臺電臺發送的信息幀，發送信息幀周期為一個時幀，其中，m，n∈{1，2，…，N}，m≠n，N為入網電臺個數，t∈{1，2，…，T}，T為一個時幀包含的時隙數，T取正整數，N≤T≤128，剩余T-N個時隙備用，其特征在于所述的第n臺電臺在所分配的時隙t中發送第n臺電臺的信息幀，信息幀長度等于一個時隙長度，時隙長度不超過2秒，信息幀由物理層幀頭、MAC層幀頭、信息載荷和幀尾組成，所述的信息載荷至少由數據信息分組、中繼信息分組和短幀分組中的一個或多個組成，所述的數據信息分組指的是第n臺電臺發送的數據信息，所述的中繼信息分組指的是第n臺電臺為接收到的電臺k∈{1，2，…，N}，k≠n的數據信息分組轉發的冗余信息，中繼信息分組的目的電臺是電臺k的數據信息分組的接收電臺，此時，稱電臺k為中繼信息分組的源電臺，中繼信息分組由源電臺地址、目的電臺地址，分組類型，分組長度、中繼信息內容和校驗部分構成，所述的短幀分組至少為網絡層路由請求和應答短幀、拓撲信息短幀、鄰居信息短幀以及數據鏈路層的應答短幀中的一種，實現路由尋址和維護、拓撲維護、鄰居管理以及應答反饋功能，所述其它電臺m在時隙t中接收到第n臺電臺發送的信息幀后，對第n臺電臺發送的信息幀進行如下處理步驟1，解析信息幀參數，步驟2；如果信息載荷中不存在發送給電臺m的中繼信息分組，轉步驟3；如果信息載荷中存在發送給電臺m的中繼信息分組，做如下處理步驟2. 1，若該中繼信息分組被正確接收，則送往物理層，與對應的之前接收并緩存在物理層中的有誤的數據信息分組根據選擇性自動重傳請求(ARQ)技術進行聯合檢測譯碼，步驟2. 2，若該中繼信息分組存在錯誤，則拋棄中繼信息分組，步驟3，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的短幀分組，轉步驟4；如果信息載荷中存在發送給電臺m的短幀分組，做如下處理步驟3. 1，若該短幀分組被正確接收，則送往上層，步驟3. 2，若該短幀分組存在錯誤，則拋棄短幀分組，步驟4，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的數據信息分組，轉步驟5；如果信息載荷中存在發送給電臺m的數據信息分組，做如下處理步驟4. 1，若該數據信息分組被正確接收，則送往上層，步驟4. 2，若該數據信息分組存在錯誤，則緩存在物理層，步驟5，如果信息載荷中不存在發送給電臺m的鄰居電臺的數據信息分組，轉步驟6；如果信息載荷中存在發送給電臺m的鄰居電臺的數據信息分組，做如下處理步驟5. 1，若下述條件a)、b)、c)和d)同時成立，a)該數據信息分組被正確接收，b)沒有收到該鄰居電臺成功接收該數據信息分組的確認信息，c)沒有其它電臺發送過該數據信息分組的中繼信息分組，d)電臺m將要發送的信息幀中的信息載荷除去數據信息分組和短幀分組外，有剩余空間捎帶中繼信息分組，則電臺m允許中繼并生成中繼信息分組，所述的中繼信息分組分為兩類一是重傳中繼信息分組；二是預重傳中繼信息分組，具體操作如下步驟5. 1.1，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺m之前，則生成重傳中繼信息分組，重傳中繼信息分組的內容與該數據信息分組一樣，步驟5. 1.2，若該鄰居電臺發送信息幀順序在電臺m之后，則生成預重傳中繼信息分組，預重傳中繼信息分組的內容是該數據信息分組的部分冗余信息，采用選擇性自動重傳請求(ARQ)技術得到，步驟5. 2，若條件a)、b)、c)和d)不能同時成立，則不允許中繼并拋棄該數據信息分組，步驟6，拋棄信息幀的信息載荷中所有其它沒有被處理過的分組，步驟7，更新鄰居狀態表。
全文摘要
本發明公開了一種超短波自組網中電臺協同通信方法，第n臺電臺在所分配的時隙t中發送第n臺電臺的信息幀，其它電臺m在時隙t中接收第n臺電臺發送的信息幀，其它電臺m在時隙t中接收到第n臺電臺發送的信息幀后，對第n臺電臺發送的信息幀進行處理；解析信息幀參數，根據信息載荷中是否存在發送給電臺m的中繼信息分組、短幀分組或數據信息分組，對接收信息幀作出相應的處理，如果信息載荷中存在發送給電臺m的鄰居電臺的數據信息分組且允許中繼，則電臺m允許中繼并生成中繼信息分組，所述的中繼信息分組分為重傳中繼信息分組及預重傳中繼信息分組，更新鄰居狀態表。
文檔編號H04B1/00GK101478318SQ20091002814
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者徐友云, 楊煒偉, 潘成康, 胡映波, 蔡躍明 申請人:中國人民解放軍理工大學