锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法与流程

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法。

背景技术：

ALOHA协议，主要分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。

纯ALOHA协议工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功，否则重发。

重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。

时隙ALOHA协议基本思想：用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。

时隙ALOHA协议是把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。

串行干扰删除(SIC)的基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰，SIC检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰(MAI)，按照信号功率大小的顺序来进行操作，功率较大信号先进行操作。这样一直进行循环操作，直至消除所有的多址干扰为止。

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)即带冲突检测的载波监听多路访问技术(载波监听多点接入/碰撞检测)。它具有比ALOHA协议更高的介质利用率。工作原理：发送数据前先侦听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试。

纯ALOHA协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。不过这样会产生冲突从而造成帧的破坏。由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。对于局域网LAN，反馈信息很快就可以得到；而对于卫星网，发送方要在270ms后才能确认数据发送是否成功。通过研究证明，纯ALOHA协议的信道利用率最大不超过18.4％。与纯ALOHA协议相比，时隙ALOHA协议降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8％，是纯ALOHA协议的两倍。但是二者的信道利用率都不是很高不能够满足现在无线通信的要求。并且，对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。

串行干扰删除(SIC)技术是根据信号功率排的用户顺序决定了最佳的接收效果，但是在实际过程中，用户的功率是不断变化的，这就要求SIC接收机不断地对用户功率进行排序。并且，SIC在处理中，每一级都会产生一定的时延，在现实多级处理过程中，产生的时延很大。

使用CSMA/CD介质访问控制的一个缺点就是，当LAN中的互联的每台计算机都只有少量数据需要传输时，网络中每个站点对介质的共享都几乎是公平的；但是如果一个站点需要发送大量的数据时(如一个站点担当高质量视频源的情况下)这是就可能出现一个站点长时间控制整个LAN的情形。

总结现有的ALOHA和CSMA方案，共性为系统吞吐量小于1。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法。

本发明提供了一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法，K个位置彼此分散的单天线用户，由{1,2,…,K}表示，分别传输数据至接收端，接收端装有M个分散分布并且不在同一位置的接收天线，由{1,2,…,M}表示，分散的单天线用户和接收天线使得各路径传输耗时不同，单天线用户k想要发送包含L个调制符号的数据包，用表示，其中x_k,l表示这个数据包中的第l个调制符号，初期考虑二进制相移键控调制，即x_k,l∈{+1,-1}，与DS系统中的信息位s_k,l∈{0,1}区别在于x_k,l可看作s_k,l的调制，假设时隙即一个符号的时长；

假设系统是符号级别同步，即在某一时隙上接收的信号是所有用户完整符号级的叠加，令h_k,m表示从用户k至接收天线m的信道增益，令w_m[t]表示接收天线m在t时隙的加性噪声，接收天线m在t时隙接收到的信号为：

其中表示在t时隙对应有输出的所有用户索引的集合，并且l_s表示X_s中的第几个符号在t时隙被天线m接收，P为发送符号的功率；

令整数τ_ij∈[0,τ_max]表示用户j发送的数据包到达天线i的传输时延，假设以时隙为基本单位，且假设τ_ij为整数，令M×K矩阵T表示这K个用户数据包的传输时延，其第(i,j)个元素为τ_ij，并称该矩阵为时延矩阵，假设接收端可以准确获得h_k,m’s和T，并假设发送端不知道h_k,m和T。

作为本发明的进一步改进，h_k,m’s和T通过直接序列扩频方式获得，每个用户分配一个唯一的伪随机序列并放置到数据包的包头内，接收端收到多个用户的包头叠加后进行相关检测可以获得每个用户的传输时延及信道增益。

本发明的有益效果是：提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法的示意图。

图2是本发明一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法的分布式多址接入接收信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图2所示，一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法，K个位置彼此分散的单天线用户，由{1,2,…,K}表示，分别传输数据至接收端。接收端装有M个分散分布的(不在同一位置)接收天线，由{1,2,…,M}表示。分散的用户和天线使得各路径传输耗时不同。用户k想要发送包含L个调制符号的数据包，用表示，其中x_k,l表示这个数据包中的第l个调制符号。初期考虑二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)调制，即x_k,l∈{+1,-1}(与DS系统中的信息位s_k,l∈{0,1}区别在于x_k,l可看作s_k,l的调制)。假设时隙即一个符号的时长。

假设系统是符号级别同步，即在某一时隙上接收的信号是所有用户完整符号级的叠加。令h_k,m表示从用户k至接收天线m的信道增益，令w_m[t]表示接收天线m在t时隙的加性噪声。接收天线m在t时隙接收到的信号为：

其中表示在t时隙对应有输出的所有用户索引的集合，并且l_s表示X_s中的第几个符号在t时隙被天线m接收，P为发送符号的功率。

令整数τ_ij∈[0,τ_max]表示用户j发送的数据包到达天线i的传输时延(假设以时隙为基本单位)，且假设τ_ij为整数。令M×K矩阵T表示这K个用户数据包的传输时延，其第(i,j)个元素为τ_ij，并称该矩阵为时延矩阵。假设接收端可以准确获得h_k,m’s和T(可以通过直接序列扩频方式获得，每个用户分配一个唯一的伪随机序列并放置到数据包的包头内，接收端收到多个用户的包头叠加后进行相关检测可以获得每个用户的传输时延及信道增益)，并假设发送端不知道h_k,m和T。

拟利用M个天线上接收的数据包Y₁至Y_M进行类似锯齿解码操作，最终得到原始数据。具体解码过程可参考图2所示例子，三个用户传输数据包在BS的三个接收天线上按如图所示错位叠加。从上到下依次代表天线1至3的接收信号。譬如，天线1第4个时隙的接收信号为x_1,4、x_2,3、x_3,1的线性叠加(加权系数为各自信道增益)后加上噪声。其解码顺序如下所述：首先，x_1,1可以从第一个天线估计/判决(去除噪声过程)得到，因其未与任何其他信号进行叠加。然后按箭头带入第二个天线的第四个接收符号中减掉并估计/判决可以得到x_3,4。依此类推，其解码过程一直向右推进，并最终得到解码数据包。注意，此时的锯齿解码为物理层信号的锯齿解码，而非前述DS系统中信息层数据的锯齿解码。二者解码实质一样(锯齿式的代入解码)，区别在于操作的内容属于信息层数据还是物理层信号。

本发明提供的一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法，其潜在应用领域为无线通信中分布式多址接入信道模型，例如Wifi。

本发明提供的一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法的应用方式：多用户同时发送信息给共同的一个接收机时，用户之间会发生碰撞。现有解决方案为AP(access point)接收机直接丢弃碰撞数据包，具体解决措施(包括Aloha，和CSMA)为发送者随机等待一个时间后重传。这些方案的缺点为数据的成功传输要求多用户的正交传输，即同一时刻只有一个用户传输数据，导致的结果为系统吞吐量小于1。

本发明提供的一种锯齿解码在分布式多址接入网中的高系统吞吐量设计方法，利用碰撞数据包进行解码，可以将系统吞吐量提升到远大于1，克服现有技术Aloha或者CSMA/CA的低吞吐量的缺点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。