專利名稱：采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)和無中心無線網(wǎng)絡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個采用單一擴頻碼的不同相位序列構成的碼集來實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，這種擴譜通信系統(tǒng)可應用于無線網(wǎng)絡，尤其適用于無中心的多個移動節(jié)點組成的無線移動通信網(wǎng)絡。
背景技術：
采用擴頻技術的無線網(wǎng)絡有兩類一類是有中心的無線網(wǎng)絡，如CDMA移動通信系統(tǒng)，各移動站都是由基站負責擴頻碼的動態(tài)分配(即信道分配)，兩移動站即使在一個小區(qū)內，它們之間通信也必須經(jīng)基站轉發(fā)實現(xiàn)；另一類是無中心的無線網(wǎng)絡，如無線自組織網(wǎng)(無線Ad Hoc網(wǎng)絡)和無線傳感網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡的節(jié)點之間不需要經(jīng)過基站或其它管理控制設備就可以直接實現(xiàn)點對點的通信。而且當兩個通信節(jié)點之間由于功率或其它原因導致無法實現(xiàn)鏈路直接連接時，網(wǎng)內其它節(jié)點可以幫助轉發(fā)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡內各節(jié)點的相互通信。由于節(jié)點是在隨時移動著的，因此這種網(wǎng)絡的拓撲結構是動態(tài)變化的。它們之間的通信模式也就無法直接照搬目前現(xiàn)有基礎設施的通信網(wǎng)的通信模式。
擴頻技術用于無線網(wǎng)絡，有許多優(yōu)點，其中很重要的就是抗衰落和實現(xiàn)碼分多址接入，網(wǎng)絡吞吐量大。因此，目前在無中心的無線網(wǎng)絡中，有很多采用擴頻技術實現(xiàn)通信的系統(tǒng)。在直接擴譜通信系統(tǒng)中，合適的擴頻碼是系統(tǒng)的核心，所有關鍵技術都是圍繞擴頻碼展開的。在CDMA移動通信系統(tǒng)中，移動站利用擴頻碼在同步時具有良好的互相關特性實現(xiàn)解擴和消除多址干擾(MAI)的。
但在無中心的無線網(wǎng)中，存在以下兩方面的問題一方面很難實現(xiàn)全網(wǎng)同步，在不同步的情況下，各信道間的多址干擾很大，如采用Walsh碼，其互相關性很差，非同步情況下，彼此干擾很大。采用Gold碼，其最大互相關值有所改善，但隨信道的增多，MAI也會增大，以127位Gold碼為例，其互相關為17/127(歸一化值)，接近1/7，處理增益顯然不夠大。m序列具有單一自相關峰值，即自相關性好，但不同的m序之間的互相關并不好。最好的互相關序列實際上就是優(yōu)選對，其互相關性能與Gold碼的互相關性能相同。正如前面的例子一樣，以127位的序列為例，其最大互相關值為17/127。可見，采用Walsh、Gold碼或不同的m序列，用于無中心通信網(wǎng)絡時，在不同步的情況下，其信道間的多址接入干擾MAI還是很大的。
另一方面，要找到足夠多的擴頻碼構成的碼組，其兩兩之間的互相關性能良好是很困難的。而且無中心無線網(wǎng)絡幾乎不可能實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步，故不可能采用Walsh、Gold和m序列來實現(xiàn)碼分。我們知道，尋找一個擴頻碼，其自相關性良好，即具有單一相關峰值，其線性相關和循環(huán)相關性都比較好，找單個這樣的擴頻碼較之尋找多個兩兩互相關性能良好的碼組要容易。如巴克碼、m序列和特定的具有零相關特性的擴頻碼等都具有良好的自相關性能。如以m序列為例m序列具有很好的自相關性，任意m序列PN(t)與該m序列的移相序列PN(t-kτc)之間的互相關只要kτc大于一個碼片時隙，其值是為-1/N。利用這一特性，可以實現(xiàn)碼分信道。
在現(xiàn)有的采用擴頻技術的無中心無線網(wǎng)絡(如Ad hoc和傳感網(wǎng))中，一種是在物理層采用單擴頻信道，接入層采用802.11DCF協(xié)議，這種系統(tǒng)沒有充分利用擴頻碼分實現(xiàn)多信道的優(yōu)勢，網(wǎng)絡吞吐量不大。還有一種是利用擴頻碼分實現(xiàn)多信道的無中心無線網(wǎng)絡，但其網(wǎng)絡中的節(jié)點都分配一個固定的擴頻碼。目前一種適用于無中心無線網(wǎng)絡的多信道擴譜通信系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1或圖2所示這種適用于無中心無線網(wǎng)絡的多信道擴譜通信系統(tǒng)的接入方法是當一個包含該系統(tǒng)的源節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先在公共信道C1上發(fā)送請求包RTS，所有空閑節(jié)點均在C1信道上守候，即用擴頻碼C1進行解擴處理。目的節(jié)點在C1信道上接收到發(fā)送請求包RTS信息后，同樣在公共信道C1上發(fā)送應答包CTS給源節(jié)點。發(fā)送請求包RTS包含源節(jié)點識別地址(或稱地址)ID、目的節(jié)點識別地址ID、即將用來傳送數(shù)據(jù)包的信道號等信息。應答包CTS包含目的節(jié)點識別地址ID、源節(jié)點識別地址ID、傳送數(shù)據(jù)包的信道號等信息。當源節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送來的應答包CTS后，即轉到所選擇的信道Ci上發(fā)送數(shù)據(jù)包，即用擴頻碼Ci對數(shù)據(jù)進行擴譜調制。同時目的節(jié)點在公共信道上發(fā)送完應答包CTS后，立即按發(fā)送請求包所告之的信道號，轉到信道Ci上進行接收，即用擴頻碼Ci對所接收的信號進行相關解擴處理。目的節(jié)點正確接收到數(shù)據(jù)包后，即在同一信道Ci上發(fā)確認包ACK。源節(jié)點在發(fā)完數(shù)據(jù)包后即在同一信道Ci上接收目的節(jié)點的確認包。所有其它在公共信道上收到發(fā)送請求包RTS或應答包CTS的節(jié)點，自動在相應的信道Ci上進行退避，退避時長由數(shù)據(jù)包的時長和應答包CTS時長、保護時隙等確定，這樣系統(tǒng)即完成了一次接入。該擴譜通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)信道的動態(tài)分配(DCA)。
采用圖2實現(xiàn)的擴譜通信系統(tǒng)應用于無中心無線網(wǎng)絡時，其功能原理同前述系統(tǒng)。圖2所示的擴譜通信系統(tǒng)與圖1所述的擴譜通信系統(tǒng)的區(qū)別在于圖2所述的擴譜通信系統(tǒng)采用m個與C1……Cm擴頻碼分別對應的匹配器來實現(xiàn)解擴。圖2所示的擴譜通信系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)上較復雜龐大。
圖2所示系統(tǒng)中的匹配器如圖3所示。所示系統(tǒng)中的匹配器實際上是完成如下運算R(n)=Σi=0N-1aixi+n]]>其中{ai}(0≤i≤N-1)為本地系數(shù)序列，{xi}(0≤i≤∞)為接收序列，R(n)表示計算所得的相關值。系數(shù)序列{ai}取值為{±1}，接收序列為經(jīng)過A/D變換后的量化數(shù)值序列。
所述的這兩種擴譜通信系統(tǒng)應用于無中心的無線網(wǎng)絡時，其缺點是(1)在網(wǎng)絡不能實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步的情況下，所假設C1……Cm擴頻碼集內，擴頻碼兩兩之間具有良好的互相關性。正如前面所述，這在實際實現(xiàn)上是很困難的。
(2)由于無中心無線網(wǎng)絡的移動性，在公共信道和數(shù)據(jù)信道的碰撞仍是不可避免的。
(3)發(fā)送數(shù)據(jù)的信道的選擇，是由源節(jié)點選定，沒有參考目的節(jié)點的信道狀態(tài)表中各信道的狀態(tài)，即如果源節(jié)點所選信道在目的節(jié)點處為忙時，必然導致出現(xiàn)接入失敗。
(4)仍然未解決隱藏終端和暴露終端問題。
(5)不具備實時監(jiān)測信道狀態(tài)的功能。
還有一種現(xiàn)有通信系統(tǒng)應用于無線無中心網(wǎng)絡，所有節(jié)點的系統(tǒng)時鐘均采用衛(wèi)星發(fā)送的時鐘信號，由衛(wèi)星接收機接收來自衛(wèi)星的無線電信號，并從中提取時鐘信號供各節(jié)點作系統(tǒng)時鐘使用。(見SYN-MACA Distributed Medium Access ControlProtocol for Synchronized Wireless Networkswww.cacs.louisiana.eduHongyi Wu，Anant Vtgikar，and Nian-Feng Tzeng和A Simple Distributed PRMA for MANETs，IEEETransactions on vehicular technology，VOL51，No2 MARCH 2002 P293-P305)見圖4。采用這種方案的系統(tǒng)，其特點是全網(wǎng)內所有節(jié)點均接收來自衛(wèi)星的時鐘信號，可以保證信號的發(fā)送時刻同步。但由于節(jié)點的隨機分布和移動性，并不能保證信號到達目的節(jié)點時不同信道的正交性，因而不能完全消除多址接入干擾。
綜上所述，由于無中心無線網(wǎng)絡中的各節(jié)點是移動的、無中心的，網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，故不可能實現(xiàn)全網(wǎng)同步。所以在這樣的網(wǎng)絡中直接采用現(xiàn)有的擴頻碼分技術實現(xiàn)多址接入是不可行的。在網(wǎng)絡不同步時，信道間的多址接入干擾(MAI)很嚴重。所以目前在無中心的無線網(wǎng)絡中物理層是采用擴頻技術的單信道，接入層采用802.11DCF協(xié)議。若采用多碼的擴頻碼分技術實現(xiàn)多接入信道，由于無中心控制，各移動節(jié)點無法知道整個網(wǎng)絡的信道使用狀態(tài)，故不可能實現(xiàn)動態(tài)碼分配(DCA)機制，極大地限制了擴頻技術在無線網(wǎng)絡中的應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一個用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，使多個移動節(jié)點在無中心控制的情況下，實現(xiàn)碼分多址(即多信道)，即實現(xiàn)任意兩節(jié)點鏈路的建立。多個節(jié)點對(一個節(jié)點對為一對收發(fā)節(jié)點)用相同的擴頻碼的不同相位序列對數(shù)據(jù)信號進行頻譜擴展，并且節(jié)點均使用衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)時鐘，從而在一個節(jié)點的覆蓋區(qū)內，不同節(jié)點一比特信號的發(fā)送時刻基本同步，只要覆蓋區(qū)內節(jié)點到目的節(jié)點的路徑時延差小于相鄰相位序列的時延，則不會導致在目的節(jié)點處出現(xiàn)同信道干擾。從而可實現(xiàn)同時用相同頻帶的無線電信號進行兩兩之間的通信，提高網(wǎng)絡吞吐量，減小多址接入干擾。
本發(fā)明的另一個目的是提供應用擴譜通信系統(tǒng)的無中心無線網(wǎng)絡，由于不同的信道使用的是同一擴頻碼的不同相位序列，使得采用這種擴譜通信系統(tǒng)的無中心網(wǎng)絡中的各節(jié)點能自主地監(jiān)測其覆蓋區(qū)內的信道使用情況，從而能夠自行實現(xiàn)信道動態(tài)分配(即自行選擇空閑的擴頻碼)，避免了碰撞。
為了達到上述目的，本發(fā)明的構思是本發(fā)明就是為減小無中心無線網(wǎng)絡中的多址干擾，實現(xiàn)動態(tài)碼分配(DCA)機制而提出的。其基本思想是所有移動節(jié)點都接收某個衛(wèi)星的無線電信號，從所接收的無線電信號中提取時鐘作為節(jié)點的數(shù)據(jù)時鐘。而采用的擴頻碼集是由單擴頻碼的不同相位序列構成，由于采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)時鐘，在一個節(jié)點的覆蓋區(qū)內的節(jié)點所發(fā)送的擴頻信號的發(fā)時刻是同步的，只要覆蓋區(qū)內節(jié)點到目的節(jié)點的路徑時延差小于相鄰相位序列的時延，則不會導致出現(xiàn)同信道干擾。
由于所有節(jié)點均接收衛(wèi)星的無線電信號并從中提取時鐘作為數(shù)據(jù)時鐘。經(jīng)理論分析可知，衛(wèi)星信號到達任意相距r的兩移動節(jié)點的路徑差d≈r22R,]]>R為衛(wèi)星離地面的高度。以無中心無線網(wǎng)絡的節(jié)點覆蓋區(qū)半徑300米，衛(wèi)星以低軌衛(wèi)星(R＝300Km)為例。d≈0.15米，兩路徑時延τ≈dC=0.5ns.]]>則都在目的節(jié)點覆蓋區(qū)內的任意節(jié)點A和C發(fā)信號到達目的節(jié)點的最大時差不會超過1ns。若數(shù)據(jù)速度為1Mbps，采用63位m序列擴頻碼，則Tc≈16ns，可見路徑時延對一定覆蓋區(qū)內的擴頻信號的延時影響很小，只占一個Chip時隙的1/16。故可以認為在一個無中心的無線網(wǎng)絡中，任意一節(jié)點的覆蓋區(qū)內的兩節(jié)點的擴頻信號發(fā)送時刻是同步的，只要擴頻碼在較小的時延條件下，其互相關值較小(如m序列的相移大于一個碼片的序列之間的互相關值)，彼此造成的多址接入干擾(MAI)較小，不同移動節(jié)點完全可以接收所需的相位序列對應的信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。尤其重要的是，由于所有移動節(jié)點均采用同一個擴頻碼的不同相移序列作為擴頻碼，所以單個節(jié)點即可實現(xiàn)對所有信道的狀態(tài)的檢測，從而實現(xiàn)無中心、動態(tài)碼分配(DCA)機制。
本發(fā)明涉及采用擴頻技術的無線網(wǎng)絡，尤其是無中心的無線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡由多個移動節(jié)點組成，在一個節(jié)點的覆蓋區(qū)內的其他節(jié)點均可與該節(jié)點進行半雙工通信(時分雙工TDD方式)；一個節(jié)點覆蓋區(qū)外的節(jié)點均不可能與該節(jié)點通信，它們之間通信必須由其它節(jié)點轉發(fā)。
圖5是采用本發(fā)明的擴譜通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖。圖中節(jié)點100包含本發(fā)明的擴譜通信系統(tǒng)，即所有節(jié)點具有相同的軟件和硬件。所有節(jié)點間采用本發(fā)明的擴譜通信系統(tǒng)進行通信。
根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案一種采用單一擴頻碼的相位序列實現(xiàn)碼分的擴頻通信系統(tǒng)包括一個用來接收無線電信號的匹配單元，其輸出為多路相關數(shù)據(jù)；一個相關多路選擇單元在控制處理單元的控制下，將指定時隙內的相關數(shù)據(jù)值輸出至解調單元；一個解調單元解調指定時隙的相關數(shù)據(jù)所攜帶的基帶信息；一個雙工器，在控制處理單元的控制下完成收發(fā)轉換；一個擴頻調制單元，將窄帶低速率數(shù)據(jù)信號擴展成寬帶信號；和一個碼多路選擇器，系統(tǒng)發(fā)送控制包時，在控制處理單元的控制下，選擇公共信道所對應的擴頻碼的相位序列輸出；發(fā)送數(shù)據(jù)包時，則選擇收發(fā)雙方約定的擴頻碼相位序列輸出。
一個控制處理單元，控制所述的相關多路選擇單元、解調單元、雙工器和擴頻調制單元。
其特征在于還包含有一個衛(wèi)星接收時鐘提取單元，接收衛(wèi)星發(fā)送的無線信號，并從中提取時鐘作為所述擴譜通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時鐘；一個時鐘同步單元，產(chǎn)生擴頻碼時鐘，擴頻碼長為N，則數(shù)據(jù)時鐘周期Td與擴頻碼碼片(簡稱chip)周期TC之間的關系為Td＝NTC，即保證數(shù)據(jù)與擴頻碼之間的同步關系；一個擴頻碼組發(fā)生器，產(chǎn)生的擴頻碼是巴克碼、m序列或其它具有良好的自相關性能的碼序列。其輸出為所述擴頻碼及其相位序列構成的碼集。
一個時序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與信道(擴頻碼相位序列)對應的時序信號。
上述的控制處理單元，其核心是CPU處理器，讀取指定時隙的指定相關值，指定時隙內相關值的大小代表信道的忙閑；對指定時隙內相關值的大小進行判別，超過一定的門限值，表示相應的信道正忙，低于某一給定門限表示該信道為空閑；并將結果存放在信道表中，并動態(tài)更新結果；同時該單元存儲有媒體接入控制(MAC)協(xié)議；在所述控制處理單元的控制下，使解調單元在空閑時只解調公共信道的信息；一個移動節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，在公共信道上完成雙方協(xié)商后，則在協(xié)商指定的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)信息；發(fā)控制包時選擇公共信道所對應的擴頻碼相位序列；發(fā)數(shù)據(jù)包時則選擇收發(fā)雙方協(xié)商好的擴頻碼相位序列；所述控制處理單元接收解調單元送來的數(shù)據(jù)，并交上層程序處理；該控制處理單元還完成控制雙工器完成收發(fā)轉換、控制擴頻碼的選擇，控制多路相關輸出的選擇。
所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征是使用擴頻碼的不同相位序列集構成擴頻碼集；如擴頻碼PN(t)、PN(t-τ0)……PN(t-kτ0)，其中k的取值應滿足(k+1)τ0＜NTC；N為碼長。
所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其匹配相關單元輸出多路與擴頻碼PN(t)、PN(t-τ0)……PN(t-kτ0)分別匹配的相關值R0，R1，R2......Rk。
所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其擴頻碼碼片(Chip)時鐘與數(shù)據(jù)時鐘同步，且數(shù)據(jù)時鐘周期Td與碼片周期TC之間有如下關系Td＝NTC，N為擴頻碼碼長。
所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，由于系統(tǒng)使用單一擴頻碼，擴頻碼的不同相位序列代表不同的信道，故可用一個匹配單元107接收擴頻信號，其輸出為多路相關值，對不同時隙各路相關峰脈沖值的讀取判別即代表對不同信道的忙閑狀態(tài)的檢測；超過一定門限即表示對應的信道處于忙；低于一定門限表示該信道處于空閑狀態(tài)；一種采用所述擴譜通信系統(tǒng)的無中心無線網(wǎng)絡，有多個移動節(jié)點組成，每個移動節(jié)點設置一個所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)。
所述的無中心無線網(wǎng)絡，其中各移動節(jié)點都接收同一衛(wèi)星的無線電信號并從中提取時鐘作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時鐘。
所述的無中心無線網(wǎng)絡，一個移動節(jié)點的覆蓋區(qū)半徑r與擴頻碼集中兩相鄰相位序列的時延τ0之間有如下關系r＜Cτ0，式中C為光速，τ0為相鄰相位序列的時延。即以r為半徑的覆蓋區(qū)內，各移動節(jié)點可以正確接收該擴譜通信系統(tǒng)發(fā)送的信息。在該覆蓋區(qū)之外則不能正確接收該擴譜通信系統(tǒng)發(fā)送的信息。
所述的無中心無線網(wǎng)絡，每個移動節(jié)點由于可以監(jiān)測所有擴頻信道的使用情況，故多個移動節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡可以在沒有中心站的情況下，動態(tài)分配信道；具體分配機制是有數(shù)據(jù)包要發(fā)送的移動節(jié)點在公共信道上發(fā)送請求發(fā)送包，該包包含發(fā)送節(jié)點的識別地址(以下簡稱ID)，接收節(jié)點的識別地址ID，發(fā)送節(jié)點的信道狀態(tài)表。目的移動節(jié)點在公共信道上收到請求包后，根據(jù)發(fā)送節(jié)點的信道狀態(tài)表，與本節(jié)點信道狀態(tài)表對比，隨機選取一個空閑信道，然后在公共信道上發(fā)響應包，響應包應包含發(fā)送節(jié)點ID，目的節(jié)點識別地址ID及所選的信道號。發(fā)送節(jié)點收到響應包后，在公共信道上發(fā)送一個確認包，確認包應包含發(fā)送節(jié)點識別地址ID，接收節(jié)點識別地址ID，信道號。隨后發(fā)送節(jié)點轉到相應的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包。目的節(jié)點在公共信道上收到確認包后，則轉到相應的信道上接收數(shù)據(jù)包；接收完畢后，目的節(jié)點在同一信道上發(fā)送確認包。
在包含多個移動節(jié)點的采用本發(fā)明的無線網(wǎng)絡中，由于各節(jié)點的數(shù)據(jù)時鐘基本同步，故可采用m序列或其他具有單自相關峰值的擴頻碼的不同相位序列組成一組擴頻碼集供多節(jié)點共享。具體實現(xiàn)辦法如下擴頻碼PN(t)，其不同相位序列組成的碼集為PN(t)，PN(t-τ0)，PN(t-2τ0)……PN(t-Kτ0)。其中kτ0＜NTC。τ0為TC的整數(shù)倍，即τ0＝JTC。故碼集中碼個數(shù)為I＝[N/J]個。J的選擇與單個節(jié)點的覆蓋區(qū)半徑r＜Cτ0(或說與發(fā)射功率)有關。若覆蓋區(qū)域大，J應適當增大，從而確保在一個節(jié)點的覆蓋區(qū)內的任意兩節(jié)點所使的擴頻信號不會因路徑時延而在接收節(jié)點處相同，也就不會造成同道干擾。
本發(fā)明能夠使單個節(jié)點對所有信道進行實時監(jiān)測。因為整個網(wǎng)絡均使用單一擴頻碼，用其不同相移序列代表不同的信道，故用一個匹配網(wǎng)絡，即可輸出多路相關數(shù)據(jù)，指定時隙內相關峰的出現(xiàn)即代表相應的信道(移相序列)忙，當無相關峰或相關峰值低于設定門限，即意味相應信道處于空閑狀態(tài)。同時每個節(jié)點還檢測相關峰的上限值，當大于一門限時，即兩節(jié)點很近，互相進入對方多址干擾區(qū)，此時應避免兩節(jié)點同時出現(xiàn)一個節(jié)點收和一個節(jié)點發(fā)的情況。
本發(fā)明還包括每個節(jié)點均保存有一張信道狀態(tài)表，狀態(tài)表中存儲有各信道的忙閑狀態(tài)。供本節(jié)點進行多址接入時選擇空閑信道。
每節(jié)點還包括一張節(jié)點與鄰節(jié)點的距離表，表中存儲有本節(jié)點監(jiān)測到的鄰節(jié)點信號的相關峰值大小。當相關峰大到于一門限，則意味著兩點相距很近，可能互相進入了對方的MAI干擾區(qū)。這時如果一方正接收信號(通信)，則另一方應回避(退避)，避免出現(xiàn)多址干擾。
各節(jié)點的碼分多址接入方法如下各節(jié)點進行動態(tài)碼分配(DCA)。當某一節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，該節(jié)點先在公共信道(例如用PN(t)進行擴頻)上完成CSMA/CA接入，如果信道忙，則隨機退避，退避時間到，則繼續(xù)檢測，若經(jīng)過一個時隙信道仍忙，則繼續(xù)退避，否則發(fā)送請求包。所有的空閑節(jié)點均在公共信道上守候。請求包包含發(fā)節(jié)點識別地址ID、目的節(jié)點識別地址ID、發(fā)節(jié)點空閑信道號。目的節(jié)點收到發(fā)給自己的請求包后，則檢測出發(fā)送節(jié)點的空閑信道號，根據(jù)本節(jié)點信道狀態(tài)信息，選擇一個收發(fā)雙方都是空閑的信道號，放入目的節(jié)點發(fā)送的響應包中。發(fā)節(jié)點收到目的節(jié)點的響應包后，發(fā)送節(jié)點發(fā)確認包(ACK)，ACK包中包含有所選擇的發(fā)信道的信道號。
如果目的節(jié)點不在發(fā)節(jié)點的覆蓋區(qū)，則收節(jié)點按路由協(xié)議進行路由發(fā)現(xiàn)。發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點的鄰節(jié)點均在空閑信道上守候，檢測發(fā)送請求包RTS，響應包CTS和確認包ACK的信息，并在收發(fā)雙方所選擇的信道上進行退避。
發(fā)節(jié)點在發(fā)完確認包ACK包后轉到所選擇的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點轉到所選擇的信道上接收數(shù)據(jù)包。完成數(shù)據(jù)包的接收后，目的節(jié)點在所選擇的信道發(fā)送確認包并釋放該信道。
本發(fā)明與已有技術相比，有如下顯而易見的突出的實質性特點和顯著優(yōu)點(1)本發(fā)明采用單一擴頻碼，而尋找單個具有良好自相關性的擴頻碼較之尋找多個兩兩互相關性能良好的碼組要容易，實現(xiàn)簡單，信道間接入干擾較小。
(2)容易實現(xiàn)多信道接入，網(wǎng)絡吞吐量高。
(3)節(jié)點具備實時監(jiān)測信道狀態(tài)的功能。
(4)由于不同的信道使用的是同一擴頻碼的不同相位序列，各節(jié)點能夠自行實現(xiàn)信道動態(tài)分配(即自行選擇空閑的擴頻碼)，避免了碰撞。
(5)節(jié)點能實時監(jiān)測信道使用情況，從而解決隱藏終端和暴露終端問題。
圖1表示一種已有的適用于無線多跳網(wǎng)絡的多信道擴譜通信系統(tǒng)組成示意圖。
圖2表示另一種已有的適用于無線多跳網(wǎng)絡的多信道擴譜通信系統(tǒng)組成示意圖。
圖3表示現(xiàn)有系統(tǒng)中的匹配器組成示意圖。
圖4表示采用衛(wèi)星發(fā)時鐘的一種系統(tǒng)組成示意圖。
圖5表示無中心無線網(wǎng)絡組成示意圖。
圖6表示采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分的擴譜通信系統(tǒng)組成示意圖。
圖7表示擴頻碼組發(fā)生器組成示意圖。
圖8表示匹配器的組成結構示意圖。
圖9表示控制時隙產(chǎn)生單元組成示意圖。
圖10表示控制時隙信號示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實例結合附圖詳述如下圖5表示進行單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的一個無中心無線網(wǎng)絡。A與B，C與D互為鄰節(jié)點，相互之間進行通信。H與E是A的鄰節(jié)點，但處于空閑狀態(tài)，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送。除H、B、E、外，其它節(jié)點均在A節(jié)點覆蓋區(qū)之外，不能直接接收節(jié)點A所發(fā)出的數(shù)據(jù)包，只能通過其他節(jié)點轉發(fā)，如圖1的實例中可由B轉發(fā)給O節(jié)點。在一般無中心無線網(wǎng)絡中，圖中E和F是不能同時進行通信的。在本發(fā)明中，E和F可以同時在不同的信道上進行通信。
圖6表示的是一個節(jié)點的擴頻通信系統(tǒng)的組成框圖。系統(tǒng)主要由衛(wèi)星接收時鐘提取單元，Chip時鐘同步單元，PN碼發(fā)生器，時序控制單元，擴頻調制單元，整形電路，高頻前端電路，雙工器，控制處理單元，匹配接收單元和信道檢測單元等組成。
擴頻通訊系統(tǒng)的具體結構說明如下(1)經(jīng)衛(wèi)星接收天線112接收的無線信號送到衛(wèi)星接收時鐘提取單元101，由本單元以所輸入的衛(wèi)星發(fā)送的無線電信號中提取時鐘作為數(shù)據(jù)時鐘。所述時鐘同時送往時鐘同步單元102、控制時序產(chǎn)生單元111、PN碼組發(fā)生器103和控制處理單元110的一個輸入端。
(2)時鐘同步單元102由鑒相器102-1、低通濾波器102-2、壓控振蕩器102-3、1/N分頻器102-4組成，見圖6虛框所示。所述的數(shù)據(jù)時鐘連接至鑒相器102-1的一個輸入端，其輸出送至低通濾波器102-2的輸入。低通濾波器102-1的輸出送至壓控振蕩器102-3。壓控振蕩器102-3的輸出為碼片(chip)時鐘信號，該信號分別送到PN碼組發(fā)生器、控制時序產(chǎn)生單元和控制處理單元的一個輸入端。同時壓控振蕩器102-3的另一個輸送至1/N分頻器102-4的輸入端，其輸出送至鑒相器102-1的一個輸入端。這樣鑒相器102-1、低通濾波器102-2、壓控振蕩器102-3和1/N分頻器102-4構成一個鎖相環(huán)，其輸出碼片時鐘脈沖的周期Tc為輸入數(shù)據(jù)時鐘脈沖周期Td的N分之一。
(3)擴頻碼組發(fā)生器103產(chǎn)生擴頻碼相位序列集{PN(t)，PN(t-τ0)，……PN(t-kτ0)}，其k+1個輸出分別送到碼多路選擇單元的一個輸入端，另一個控制輸入總線與控制處理器110相連。在控制處理器110的控制下，碼多路選擇單元104從所述的擴頻相位序列集中選擇特定的相位序列輸出。
(4)擴頻調制單元105的一個輸入端接控制處理單元110的數(shù)據(jù)輸出，一個輸入端接碼多路選擇單元104的輸出。擴頻調制單元105完成對數(shù)據(jù)的擴頻調制，其輸出為擴頻調制后比數(shù)據(jù)脈沖速率高N倍的脈沖信號。
(5)雙工器106與天線113相連，一個輸入為發(fā)信號，一個輸出為收信號，一個輸入控制與控制處理單元110的一個控制輸出相連。在控制處理單元110的控制下完成TDD方式收發(fā)轉換。
(6)匹配單元107的輸入為接收的模擬信號經(jīng)采樣后的序列信號，其輸出為(k+1)路匹配相關數(shù)據(jù)序列R0……Rk，其(k+1)路輸出分別接相關多路選擇單元108和控制處理單元110的(k+1)個輸入。
(7)相關多路選擇單元108的(k+1)路輸入與匹配單元的(k+1)路相關輸出分別相連，其一個控制輸入端與控制處理單元110的一個輸出控制端相連，另外(k+1)個輸控制端與控制時隙產(chǎn)生單元的(k+1)個控制時隙輸出T0……Tk相連。在控制處理單元110和相應的控制時隙的控制下，相關多路選擇單元選擇指定時隙時的相關輸出。
(8)解調單元109的輸入接相關多路選擇單元的輸出。解調單元109的解調輸出接控制處理單元的數(shù)據(jù)輸入端。
(9)控制時序產(chǎn)生單元111的一個輸入接衛(wèi)星接收時鐘提取單元的數(shù)據(jù)時鐘輸出，一個輸入接時鐘同步單元的碼片時鐘輸出。其輸出為(k+1)個控制時隙信號T0……Tk，分別送到相關多路選擇單元108和控制處理單元110?？刂茣r序產(chǎn)生單元111的詳細描述見后。
(10)控制處理單元110與其它單元的連接如前所述。在該單元的控制下，發(fā)數(shù)據(jù)時，由碼多路選擇單元104從PN碼組發(fā)生器的輸出碼集{PN(t)，PN(t-τ0)，……PN(t-kτ0)}中選擇一個序列輸出至擴頻調制單元105完成擴頻調制。當本系統(tǒng)處接收狀態(tài)時，在控制處理單元110的控制下，由相關多路選擇單元108從匹配單元的k+1個輸出R0……Rk中選擇一路Ri在Ti時隙內的數(shù)據(jù)輸出至解調單元109，由解調單元109完成解調，其解調輸出送至控制單元110。同時控制單元110在一個周期Td內依序讀取R0在T0內的數(shù)據(jù)，R1在T1內的數(shù)據(jù)，……Rk在Tk內的數(shù)據(jù)，并判不同時隙內的數(shù)據(jù)是否超過設定門限。超過設定門限則該信道為忙，否則為閑，并將結果保存在一張信道狀態(tài)表中。如在Ri在Ti時隙內的數(shù)值超過設定門限，則第i信道為忙，否則第i信道為閑。
圖6中所示采用單擴頻碼不同相位序列實現(xiàn)碼分的擴譜通信系統(tǒng)中的擴頻碼組發(fā)生器103的結構示意圖如圖7所示，其實現(xiàn)方法如下圖7為本發(fā)明中擴頻碼組發(fā)生器的結構示意圖。其組成是在一般擴頻碼發(fā)生器的輸出端加了k個J級移位寄存器，其中J(k+1)≤N。經(jīng)每個J級移位寄存器完成時延移位，一個J級移位寄存器的時延為τ0＝JTc，從而各級輸出分別為PN(t)，PN(t-τ0)……PN(t-kτ0)。圖中J級移位寄存器為基本構成單元，見圖7中的虛框。J級移位寄存器由J個D觸發(fā)器組成，其構成是這樣的第一個D觸發(fā)器103-2的輸入端連接擴頻碼發(fā)生器的輸出PN(t)，輸出端接下一級D觸發(fā)器103-3的輸入端，以此類推，第J個D觸發(fā)器103-4的輸出就是擴頻碼PN(t)的一個移相序列PN(t-τ0)。同時D觸發(fā)器103-4輸出PN(t-τ0)接下一個J級移位寄存器的輸入端。其它以此類推。
圖6中所示的匹配器107實現(xiàn)方法如下圖8所示的匹配器的輸入序列為{xi}，其系數(shù)序列為{aN-1，aN-2，…ai…a1，a0，aN-1，aN-2，…aN-JK}，該輸入序列的物理意義為對接收信號進行抽樣量化而得到的二進制比特序列；該序數(shù)序列的物理意義為表示該匹配濾波器的各個抽頭上所乘的固定的系數(shù)，其通常為1比特的二進制序列，即其由0、1組成的序列，當抽頭上所乘的系數(shù)為0時，意味相應的乘法器可以省略，該匹配器實現(xiàn)方法包括如下步驟(1)上述輸入序列在時鐘信號驅動下，從x0開始，依序送入延時單元107-1。
(2)經(jīng)過各級時延單元的各個信號，通過數(shù)據(jù)總線同時送入所有特定系數(shù)乘法器的一個輸入端。
(3)在上述各個乘法器的另一輸入端分別送入該匹配器對應的各個特定系數(shù)。即aN-1送入第一級乘法器107-6的一個輸入端，aN-2送入第二級乘法器107-7的一個輸入端，以此類推，a0送入第N級乘法器107-8的一個輸入端。從第N+1級乘法器開始，其一個輸入端的系數(shù)又為aN-1，aN-2送入第N+2級乘法器的一個輸入端，以此類推，第N+JK級乘法器的一個輸入端即為aN-JK?？梢娚鲜銎ヅ淦鞴灿蠳+JK級延時單元。
(4)經(jīng)過上述各個乘法器的乘法運算，將所得結果同時分別對應地送到加法網(wǎng)絡107-11的一個輸入端，即yN-1，yN-2，…y0，zN-1，zN-2，…zN-JK分別送入加法網(wǎng)絡107-11的一個輸入端。
(5)上述加法網(wǎng)絡有k個輸出端，其求和依次為R0=Σi=1NyN-i]]>R1=Σi=1N-JyN-i-J+Σm=1JZN-m]]>Rj=Σi=1N-jJyN-i-jJ+Σm=1jJZN-m]]>Rk=Σi=1N-kJyN-i-kJ+Σm=1kJZN-m]]>1≤j≤k即R0對應于PN(t)＝{a0，a1…aN-1}的擴頻碼匹配輸出，R1對應于PN(t-T0)＝PN(t-JTc)＝{aN-J，aN-J+1…aN-1，a0，a1…aN-J-1}的匹配輸出，即循環(huán)移動J位，其它依此類推。
所述擴譜通信系統(tǒng)所包含的控制時序產(chǎn)生單元111實現(xiàn)方法如下圖9所示的控制時隙產(chǎn)生單元其輸出碼片時鐘脈沖Tc，其另一輸入為數(shù)據(jù)時鐘脈沖Td。數(shù)據(jù)時鐘Td的上升沿對N進制計數(shù)器111-1進行清零。N進制計數(shù)器111-1對輸入碼片時鐘Tc進行計數(shù)，其輸出為該N進制計數(shù)器的進位端C。該控制時序產(chǎn)生單元的基本構成單元為J級移位寄存器和或電路，見圖8中虛框所示?；緲嫵蓡卧臉嫵墒沁@樣的第一個基本構成單元的輸入接N進制計數(shù)器的進位位C，即第一個D觸發(fā)器111-2的輸入連接N進制的進位位C，其輸出接第2個D觸發(fā)器111-3的輸入端，依此類推，第J個D觸發(fā)器111-4的輸入接J-1級D觸發(fā)器的輸出端，其輸出接下一個基本構成單元的輸入端，依此類推。所有移位寄存器的時鐘輸入端CP均連接碼片時鐘脈沖Tc?？刂茣r隙TS0是這樣產(chǎn)生的或門電路111-5的J個輸入分別接到圖中所示的第一級J級移位寄存器的J個D觸發(fā)器的輸入端T1，T2……TJ。控制時隙TS1……TSk依此類推。由圖8所產(chǎn)生的時隙信號與碼片時鐘脈沖Tc數(shù)據(jù)時隙Td的對應關系見圖9所示。
權利要求
1.一種采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，包括一個用來接收無線電信號的匹配單元(107)，其輸出為多路相關數(shù)據(jù)；一個相關多路選擇單元(108)，在控制處理單元(110)的控制下，將指定時隙內的相關數(shù)據(jù)值輸出至解調單元(09)；一個解調單元(109)，解調指定時隙的相關數(shù)據(jù)所攜帶的基帶信息；一個雙工器(106)，在控制處理單元(110)的控制下完成收發(fā)轉換；一個擴頻調制單元(105)，將窄帶低速率數(shù)據(jù)信號擴展成寬帶信號；和一個碼多路選擇器，系統(tǒng)發(fā)送控制包時，在控制處理單元(110)的控制下，選擇公共信道所對應的擴頻碼的相位序列輸出；發(fā)送數(shù)據(jù)包時，則選擇收發(fā)雙方約定的擴頻碼相位序列輸出。一個控制處理單元(110)，控制所述的相關多路選擇單元(108)、解調單元(109)、雙工器(106)和擴頻調制單元(105)；其特征在于還包含有一個衛(wèi)星接收時鐘提取單元(101)，接收衛(wèi)星發(fā)送的無線信號，并從中提取時鐘作為所述擴譜通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時鐘；一個時鐘同步單元(102)，產(chǎn)生擴頻碼時鐘，擴頻碼長為N，則數(shù)據(jù)時鐘周期Td與擴頻碼碼片(簡稱chip)周期TC之間的關系為Td＝NTC，即保證數(shù)據(jù)與擴頻碼之間的同步關系；一個擴頻碼組發(fā)生器(103)，產(chǎn)生的擴頻碼是巴克碼、m序列或其它具有良好的自相關性能的碼序列。其輸出為所述擴頻碼及其相位序列構成的碼集；一個時序產(chǎn)生單元(111)，產(chǎn)生與信道(擴頻碼相位序列)對應的時序信號；所述的控制處理單元(110)，其核心是CPU處理器，讀取指定時隙的指定相關值，指定時隙內相關值的大小代表信道的忙閑；對指定時隙內相關值的大小進行判別，超過一定的門限值，表示相應的信道正忙，低于某一給定門限表示該信道為空閑；并將結果存放在信道表中，并動態(tài)更新結果；同時該單元存儲有媒體接入控制(MAC)協(xié)議；在所述控制處理單元110的控制下，使解調單元109在空閑時只解調公共信道的信息；一個移動節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，在公共信道上完成雙方協(xié)商后，則在協(xié)商指定的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)信息；發(fā)控制包時選擇公共信道所對應的擴頻碼相位序列；發(fā)數(shù)據(jù)包時則選擇收發(fā)雙方協(xié)商好的擴頻碼相位序列；所述控制處理單元110接收解調單元109送來的數(shù)據(jù)，并交上層程序處理；該控制處理單元110還完成控制雙工器106完成收發(fā)轉換、控制擴頻碼的選擇，控制多路相關輸出的選擇。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征是使用擴頻碼的不同相位序列集構成擴頻碼集；如擴頻碼PN(t)、PN(t-τ0)……PN(t-kτ0)，其中k的取值應滿足(k+1)τ0＜NTC；N為碼長。
3.根據(jù)權利要求1所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征在于所述的匹配相關單元107輸出多路與擴頻碼PN(t)、PN(t-τ0)……PN(t-kτ0)分別匹配的相關值R0，R1，R2……Rk。
4.根據(jù)權利要求1所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征在于擴頻碼碼片(Chip)時鐘與數(shù)據(jù)時鐘同步，且數(shù)據(jù)時鐘周期Td與碼片周期TC之間有如下關系Td＝NTC，N為擴頻碼碼長。
5.根據(jù)權利要求1所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征在于，由于系統(tǒng)使用單一擴頻碼，擴頻碼的不同相位序列代表不同的信道，故可用一個匹配單元(107)接收擴頻信號，其輸出為多路相關值，對不同時隙各路相關峰脈沖值的讀取判別即代表對不同信道的忙閑狀態(tài)的檢測；超過一定門限即表示對應的信道處于忙；低于一定門限表示該信道處于空閑狀態(tài)。
6.根據(jù)權利要求1所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的匹配單元(107)、擴頻碼組發(fā)生器(103)、控制時隙產(chǎn)生單元(111)采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA集成芯片或專用集成電路ASIC實現(xiàn)。
7.一種應用權利要求1所述擴譜通信系統(tǒng)的無中心無線網(wǎng)絡，由多個移動節(jié)點(100)組成，其特征在于每個移動節(jié)點(100)設置一個所述的采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求7所述的無中心無線網(wǎng)絡，其特征在于各移動節(jié)點(100)都接收同一衛(wèi)星的無線電信號并從中提取時鐘作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時鐘。
9.根據(jù)權利要求7所述的無中心無線網(wǎng)絡，其特征在于，一個移動節(jié)點的覆蓋區(qū)半徑r與擴頻碼集中兩相鄰相位序列的時延τ0之間有如下關系r＜Cτ0，式中C為光速，τ0為相鄰相位序列的時延；即以r為半徑的覆蓋區(qū)內，各移動節(jié)點可以正確接收該擴譜通信系統(tǒng)發(fā)送的信息；在該覆蓋區(qū)之外則不能正確接收該擴譜通信系統(tǒng)發(fā)送的信息。
10.根據(jù)權利要求7所述的無中心無線網(wǎng)絡，其特征在于，每個移動節(jié)點(100)由于可以監(jiān)測所有擴頻信道的使用情況，故多個移動節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡可以在沒有中心站的情況下，動態(tài)分配信道；具體分配機制是有數(shù)據(jù)包要發(fā)送的移動節(jié)點在公共信道上發(fā)送請求發(fā)送包，該包包含發(fā)送節(jié)點的識別地址(以下簡稱ID)，接收節(jié)點的識別地址ID，發(fā)送節(jié)點的信道狀態(tài)表；目的移動節(jié)點在公共信道上收到請求包后，根據(jù)發(fā)送節(jié)點的信道狀態(tài)表，與本節(jié)點信道狀態(tài)表對比，隨機選取一個空閑信道，然后在公共信道上發(fā)響應包，響應包應包含發(fā)送節(jié)點ID，目的節(jié)點識別地址ID及所選的信道號；發(fā)送節(jié)點收到響應包后，在公共信道上發(fā)送一個確認包，確認包應包含發(fā)送節(jié)點識別地址ID，接收節(jié)點識別地址ID，信道號；隨后發(fā)送節(jié)點轉到相應的信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包；目的節(jié)點在公共信道上收到確認包后，則轉到相應的信道上接收數(shù)據(jù)包；接收完畢后，目的節(jié)點在同一信道上發(fā)送確認包。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用單擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分多址的擴譜通信系統(tǒng)和無中心無線網(wǎng)絡。該擴譜通信系統(tǒng)包括一個衛(wèi)星接收時鐘提取單元、一個時鐘同步單元、一個控制時隙產(chǎn)生單元、一個匹配單元，一個相關多路選擇單元、一個解調單元、一個控制處理單元，一個PN碼組發(fā)生器、一個碼多路選擇單元、一個擴頻調制單元、一個雙工器。時鐘接收單元接收無線電信號，并從中提取時鐘，供系統(tǒng)使用。時鐘同步單元產(chǎn)生與數(shù)據(jù)時鐘同步的碼片時鐘脈沖。匹配接收單元接收無線電信號，產(chǎn)生多路匹配相關信號，在控制時隙信號的控制下由相關多路選擇單元選定指定時隙內的相關值輸出到解調單元，解調單元完成相關峰攜帶信息的解調?？刂铺幚韱卧诳刂茣r隙的控制下，讀取指定相關峰的指定時隙內的相關數(shù)據(jù)值，對一個周期內的各相關數(shù)據(jù)進行處理，判斷各相關峰脈沖電平大小等情況，根據(jù)信道使用情況，為發(fā)射信號選擇合適的相位序列作為擴頻碼，或根據(jù)通信雙方協(xié)商選擇相位序列作為本地擴頻碼，用于相關接收。由于本擴譜通信系統(tǒng)采用單一擴頻碼的不同相位序列實現(xiàn)碼分，使得移動節(jié)點可以自行實現(xiàn)擴頻碼序列的動態(tài)分配，不需要借助諸如基站的控制中心來實現(xiàn)擴頻碼序列的動態(tài)分配。
文檔編號H04B1/707GK1719741SQ20051002823
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權日2005年7月28日
發(fā)明者陳西豪, 陳惠民 申請人:上海大學