具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于冲突避免的自组织无线宽带网络收发系统，包括多个自组网宽带网络收发器，所述的自组网宽带网络收发器包括主控模块、信号转换模块、信号转换模块前端变压器、功放模块、网络接口模块、通信端口；所述的功放模块、信号转换模块前端变压器、信号转换模块、主控模块依次连接，所述的网络接口模块、通信端口分别与所述的主控模块连接；所述的多个自组网宽带网络收发器之间通信连接。

一种基于权利要求1所述的基于冲突避免的自组织无线宽带网络收发系统的冲突避免的载波监听多路访问方法，包括如下过程：

一个自组网宽带网络收发器为一个节点，通过自组织宽带网络的路由协议在多个节点中建立和维护一个动态的和多跳路由的网络，当一个节点需要发送数据时，首先以一个固定时间间隔的侦听机制对信道可用状态进行空闲评估；若信道状态繁忙，则采取自适应退避机制来避免冲突直至信道空闲；若信道空闲，则节点占用信道，并采用四次握手机制进行数据传输。

所述的侦听机制包括物理载波侦听和虚拟载波侦听，所述的物理载波侦听是使用物理层技术进行空闲信道状态评估，然后将信道状态反馈给MAC层；所述的虚拟载波侦听机制是通过MAC层的网络分配矢量来实现隐藏节点的检测，所述的网络分配矢量NAV是存放媒介预期协议中使用本地维持的NAV变量来实现虚拟载波侦听；协议中的RTS、CTS和DATA 帧的Duration字段存储着该帧的预计传输时间，用于向该节点通信范围内的所有节点通告无线信道将要被占用的持续时间，每个节点维持一个本地的NAV变量，来记录收到的帧中Duration时间并更新本地的NAV，节点根据NAV的值来判断无线信道占用时间，当节点的NAV变量递减为0时，则判定信道处于空闲；当协议层面和物理层面都评估信道为空闲状态时，信道则为空闲。

所述的自适应退避机制为：

退避时长的产生如下式所示：

BT＝Random()*τ

式中，τ表示一个时隙；

自适应对数退避算法采用以网络中竞争节点数目为变量的对数函数，动态调整竞争窗口初始值和窗口退避幅度，竞争窗口的调整包括如下过程：

步骤一，节点发送数据之前，先监听信道，当监听到信道持续空闲一个DIFS间隔后，进入退避阶段，竞争窗口初始化值为CW₁，即

CW₁＝CW_min*log_an

步骤二，节点进入退避阶段后，计算随机退避时长并将其存入退避计数器，即

B_i＝INT(CW_I*Random())

其中INT是取整函数；

步骤三，继续监听信道，信道每持续空闲一个时隙，退避计数器的值自减1，若退避计数器的值B_i减为0，则发送数据，并进入步骤四，否则回到步骤三；若节点在退避过程中，检测到信道忙，则保存B_i的值，直到检测到信道持续空闲时长为DIFS，再重新执行步骤三；

步骤四，如果发送失败且没超过最大重传次数m；，则对竞争窗口CW进行调整，即

CW_i+1＝Min(CW_i*log_an，CW_max)，0≤i<m

竞争窗口更新后回到步骤二进行退避重传；若节点发送数据成功或者已经达到最大重传次数m，则对竞争窗口进行更新，并等待下一次数据发送，即

CW₁＝CW_min*log_an。

所述的四次握手机制为：

在CSMA/CA握手接入方式基础上增加RTS/CTS握手信号，并加入ACK控制报文对链路层进行确认；采用的报文交换顺序是RTS-CTS-DATA-ACK，当有数据报文被发送，发送节点先发送一个RTS，接收节点在收到RTS后回送一个CTS以确定信道，发送节点在正确接收到CTS后，开始发送数据报文DATA，接收节点正确接收到DATA报文后，回送一个ACK 进行确认，完成数据报文传输。

具体的，一种基于冲突避免的自组织无线宽带网络收发系统，其基本组成单元为宽带网络收发器。宽带网络收发器根据不同的场景和路由协议进行实时动态组网，构成系统网络拓扑图。

宽带网络收发器由处理单元、网络单元、通信单元以及电源单元等单元组成。处理单元由微处理器构成，主要负责通信协议实现和相关算法的执行。网络单元主要的作用是网络拓扑结构和路由信息的维护。通信单元则是负责载波侦听及冲突避免退避机制的运行，无线数据的传输，射频信道收发等。电源单元则是为上述各个模块提供电力能源。节点各个模块之间的相互配合使得整个自组织宽带网络得以正常工作。

基于冲突避免的无线通信单元的设计

本发明公开的无线通信单元采用的通信方式是一种带有冲突避免的载波监听多路访问机制。这种机制保证两个或多个自组网宽带网络收发器同时竞争接入同一个信道场景下，动态地避免产生冲突，自适应接入网络并实现数据收发的算法。

其基本思路是当一个节点需要发送数据时，首先以一个固定时间间隔的侦听机制对信道可用状态进行空闲评估。若信道状态繁忙，则采取本发明公布的自适应对数退避算法的方式来避免冲突直至信道空闲。信道空闲时，网络节点占用信道，并采用本发明公布的四次握手机制，保证了传输数据有效性。

这种资源竞争型的通信方式比资源分配型(如TDMA和CDMA)更有效利用频谱资源，动态满足网络节点的通信需要，本发明公开的无线通信单元提出改进的关键机制，所以比较普通的资源竞争型通信方式(如CSMA/CA和DCF)，更能灵活地根据网络情况实时调整竞争机制参数，保证了网络公平性。

帧间间隔

本发明公开的无线通信单元采用的通信方式，每一桢发送成功后，必须随机等待一段空闲时间才能开始下一次发送，这段很短的时间称之为帧间间隔(Inter-frameSpacing，IFS)。一共定义2种类型的IFS：分布式帧帧间隙(Distibuted Inter-frameSpacing，DIFS)，短帧帧间隙(Short Inter-frame Spacing，SIFS)。其间隔大小关系为SIFS<DIFS。

DIFS：在冲突避免机制中，节点发送数据前，需要等待一个特定的时间，即DIFS，且必须保证在这段时间内，信道一直处于空闲状态。

SIFS：接收节点在发送ACK之前需要等待一个长为SIFS的时间间隔，这是为了防止其他正在等待接入信道的节点试图使用该信道，SIFS的长度比DIFS要短。

请求发送帧(Request To Send，RTS)：在RTS/CTS接入模式下，传输数据之前发送的请求传输帧，用于预约信道。

清除发送帧(Clear To Send，CTS)：在RTS/CTS接入模式下，目的节点发送的返回帧，用于确定信道空闲。

载波侦听机制

两种载波侦听机制

协议使用的两种方式检测信道：物理载波侦听和虚拟载波侦听。前者是技术层面的，而后者是协议层面的。其中，物理载波侦听是使用物理层技术直接进行空闲信道状态评估，然后将信道状态反馈给MAC层。隐藏节点不能通过物理载波侦听来检测。

所以为了避免冲突，我们还提出虚拟载波侦听。虚拟载波侦听机制是通过MAC层的网络分配矢量来实现。

网络分配矢量

NAV是个存放媒介预期协议中使用本地维持的NAV变量来实现虚拟载波侦听。协议中的RTS、CTS和DATA帧的Duration字段存储着该帧的预计传输时间，用于向该节点通信范围内的所有节点通告无线信道将要被占用的持续时间，每个节点都需要维持一个本地的NAV变量，来记录自己收到的帧中Duration时间并及时更新本地的NAV，节点根据NAV 的值来判断无线信道占用时间，当节点的NAV变量递减为0时，“虚拟”地判定信道处于空闲，便可以接入信道了。本专利描述的自组网系统依据以上两种载波侦听机制综合判断信道的状态，只有当协议层面和物理层面都评估信道为空闲状态时，才认为信道是空闲的。

四次握手接入机制

本发明公布的节点接入机制对CSMA/CA握手接入方式进行了改进，增加了RTS/CTS握手信号,并加入ACK控制报文对链路层进行确认。采用的报文交换顺序是 RTS-CTS-DATA-ACK，这种方式可以避免隐藏终端的问题。只要有数据报文要被发送,发送节点就会先发送一个RTS。RTS的发送和两次握手方式里报文的发送是一样的,也是为了竞争信道。接收节点在收到RTS后就会回送一个CTS以确定信道。发送节点在正确接收到CTS 后,开始发送数据报文DATA。接收节点正确接收到DATA报文后,回送一个ACK进行确认,完成一次成功的数据传输。RTS/CTS报文包括它要花多长时间来发送下个数据报文的信息。因此,与发送节点相邻的其他节点和与接收节点相邻的隐藏终端在这段时间内将不会传输数据。这种来回的交换对于避免隐藏终端问题是很有必要的。

如图2所示，在本发明公开的节点接入机制中，源节点在传输数据前需要先确定信道为空闲状态，然后等待一个DIFS时长，若是在这DIFS时间间隔内信道一直保持在空闲状态，节点会以广播的形式发送RTS帧。RTS帧中包含的信息主要包括源节点地址、目的节点地址等内容。目的节点收到此RTS帧时，若信道空闲，同样以广播形式发送一个CTS帧，表示允许源节点发送数据。源节点接收到此CTS帧后，表示信道已经预约成功，等待一个SIFS 时间就可以正式传输数据。目的节点正常接收数据之后，返回ACK表示确认接收，当源节点接收到ACK后，表示此次通信过程顺利完成。

自适应退避机制

退避时间的产生如式所示.

BT＝Random()*τ

式中，我们用τ表示一个时隙，节点在接入信道之前需要经过一个随机退避过程，这个退避时长是由若干个时隙组成的，也就是说时隙为退避时长的基本单位。

传统二进制指数退避算法

IEEE802.11中采用二进制指数退避算法，当源节点准备传输数据之前检测到信道忙，或者在等待DIFS的时间范围内，信道变为忙状态，这时当源节点再次检测到信道空闲后要想继续传输数据，则需要先执行随机退避算法。在随机退避算法中，会先随机生成一个退避时间(Backoff Counter,BC)，存储在退避计数器BC中，如果此时退避计数器BC中己经保存了一个非零值，就不会再生成新的退避时间。

Random()在[0,CW]之间呈均勾分布，即表示在区间内的随机值。竞争窗口(Contention Window，CW)：竞争窗口大小是BC的选择范围上限。表示处于由无线网络PHY层所控制的最小竞争窗口CW_min与最大竞争窗口CW_max之间的整数值，即有CW_min≤CW≤CW_max。

在网络节点执行退避算法的过程中，如果监听到信道空闲的时长达到一个时隙，就将退避计数器BC的值减1。假如监听到信道为忙状态，则暂时停止退避过程，退避计数器BC的值被临时冻结，直到检测到信道再次变成空闲状态，退避过程将再次启动，计数器BC的值继续递减。当计数器BC递减为0时，源节点才可以传输数据包。

如上面所描述，每当节点发送成功，将CW缩小为最小值，当节点发送失败，将扩大为当前窗口的两倍。CW的大小将直接影响到节点退避时间的长短，CW越大，节点退避的时间越长，反之，节点退避的时间越短。节点在一次成功发送后，节点的CW降为最小，而其它发送失败的节点会随着重传次数的增加，逐渐变大。因此，在后续的竞争中，发送成功的节点将更加具有竞争优势，而其它发送失败的节点因为竞争不到信道而被“饿死”，即存在“捕获效应”，即算法总有利于前一次成功发送的节点在短时间内再次竞争信道，造成严重的不公平现象。

改进型自适应对数退避算法

目前大部分的研究发明中描述的退避算法均基于二进制指数退避，本发明公布了一种改进的退避算法，自适应对数退避算法。

本发明公开的自适应对数退避算法机制引入了基于网络中竞争节点数目估计的自适应竞争窗口调整因子，以达到根据网络竞争状况动态调整退避窗口的目的。

自适应对数退避算法采用以网络中竞争节点数目为变量的对数函数，动态调整竞争窗口初始值和窗口退避幅度，竞争窗口的调整公式如下描述。

1.节点发送数据之前，需先监听信道，当监听到信道持续空闲一个DIFS间隔后，进入退避阶段。竞争窗口初始化值为CW₁，即

CW₁＝CW_min*log_an

2.节点进入退避阶段后，计算随机退避时间(以时隙为单位)并将其存入退避计数器，即

B_i＝INT(CW_I*Random())

其中INT是取整函数。

3.继续监听信道，信道每持续空闲一个时隙，退避计数器的值自减1，若退避计数器的值B_i减为0，则发送数据，并进入下一步，否则回到上一步。若节点在退避过程中，检测到信道忙，则需保存B_i的值，直到检测到信道持续空闲时长为DIFS，再重新执行这一步。

4.如果发送失败且没超过最大重传次数m；，则对竞争窗口CW进行调整，即

CW_i+1＝Min(CW_i*log_an，CW_max)，0≤i<m

竞争窗口更新后跳到第2步进行退避重传。如果该节点发送数据成功或者已经达到最大重传次数m，也需对竞争窗口进行更新，并等待下一次数据发送，即

CW₁＝CW_min*log_an

当底数a取值合理时，算法在一定程度上改善了网络吞吐量和节点接入信道的公平性，这对于自组织无线宽带网至关重要。

数据帧格式设计

MAC层：接收来自上层的业务数据单元(MSDU)，根据不同类型封装成协议数据单元(MPDU)，将PHY层的信号域参数集(PYPM)添加到MPDU前端，作为发送给PHY的纯业务数据(PSDU)，再加上PHY层的报头(PYHD)，传输给PHY层的PLCP层。

PLCP层：接收来自上层的业务数据单元(PSDU)，根据PYHD中的数据长度进行尾比特填充，达到N个OFDM符号的长度。根据PYPM中的帧类型，选择不同时间长度的OFDM 符合类型。然后经过分块、加扰、编码、调制，组成协议数据单元(PPDU)，传输给PHY层的PMD层。

PMD层：接收来自上层的业务数据单元(PPDU)，按顺序填充到不同的OFDM符合中。同步序列填充到第一个OFDM符号，用于频偏估计和补偿。

MPDU帧格式

表1 MPDU帧格式表

帧发送顺序为低bit在前，高bit在后。

MPDU帧-Frame Control

Frame Control占2个字节，主要完成帧类型的控制。

表2 Frame Control格式表

Protocol

Protocol代表协议版本。

表3字段说明表

Type

Type代表帧类型。

表4字段说明表

SubType

SubType代表帧的子类型。

表5字段说明表

MoreFrag

More Fragments代表长帧分段，是否还有其他帧。

表6字段说明表

Retry

Retry代表是否为重传帧。

表7字段说明表

Protected Frame

Protected Frame代表是否为受保护帧。

表8字段说明表

MPDU帧-Duration

Duration占2个字节，主要完成记载网络分配矢量NAV的值，发送顺序为低bit在前。

表9字段说明表

MPDU帧-Address

表10字段说明表

MPDU帧-Seq-Ctl

Seq-Ctl占2个字节，用来重组帧片段和丢弃重复帧，由4bit的fragment number(片段编码)和12bit的sequence number(顺序编码)组成。发送顺序为低bit在前。

表11字段说明表

MPDU帧-Frame Body

Frame Body为帧主体的数据段，用来传输上层数据。

MPDU帧-FCS

FCS为帧检验序列，通过CRC校验来检查帧的正确性，占4个字节。接收端判断FCS有误，则帧丢弃。若帧无误，则传给上层协议处理，并发送应答帧回应。发送端等候1应答超时，则重传帧。

MPDU控制帧格式

RTS(请求发送)

RTS帧用于取得介质的控制权，以便传输数据帧。

表12帧格式表

Frame Control(帧控制)：Type＝2’b01，Subtype＝4’b1011，其余为默认值。

Duration(持续时间)：RTS帧预定介质使用权，供帧交换程序使用，因此RTS发送者必须计算RTS帧结束后还需要多少时间。

Address1 receiver(目的地址)：接收端地址；

Address2 sender(源地址)：发送端地址；

CTS(允许发送)

CTS帧用于应答RTS帧。

表13帧格式表

Frame Control(帧控制)：Type＝2’b01，Subtype＝4’b1100，其余为默认值。

Duration(持续时间)：以RTS帧的Duration值作为持续时间的技术基准，减去发送CTS 帧及1个SIFS所需时间，将结果至于CTS的Duration中。

Address1 receiver(目的地址)：接收端地址，即RTS发送端的地址。

ACK(应答)

CTS帧用于MAC以及任何数据传输所需的正面应答。

表14帧格式表

Frame Control(帧控制)：Type＝2’b01，Subtype＝4’b1101，其余为默认值。

Duration(持续时间)：以ACK帧在帧交换中的位置决定Duration值。

若在完整的数据帧及一连串帧片段的最后一个片段中，Duration为0。数据发送端将Frame Control(帧控制)的More Fragments设定为0，以表示数据传输已经结束。ACK帧据此判断，设定Duration为0。

若More Fragments为1，表示尚有帧片段在发送中，此时Duration的设定和CTS帧的方法一致。

Address1 receiver(目的地址)：接收端地址，即所要应答帧的发送端地址。

PYPM帧格式

PYPM为MAC层帧传输给PHY层所加的参数信息，用于PHY层处理数据的模式选择，包括OFDM符号类型、OFDM信号带宽、编解码方式、调制方式等。

表15 PYPM帧格式表

TMType

TMType代表OFDM符号时间长度类型，占用4个bit。

表16字段说明表

BWType

BWType代表OFDM信号带宽类型，占用4个bit。

表17字段说明表

CodeType

CodeType代表PHY层的编解码方式，占用4个bit。

表18字段说明表

ModulType

ModulType代表PHY层的调制方式，占用4个bit。

表19字段说明表

FrameLength

FrameLength代表PHY层PSDU数据的总长度，单位为字节，占用2个Byte。

表20字段说明表

PYHD帧格式

PYHD为MAC层帧传输给PHY层所加的报头，用于PHY层识别当前MAC数据帧的整帧数据，将整帧数据处理并发送。

表21 PYHD帧格式表

Head

MAC->PHY的报头，占4个字节，固定值为32’h55aaaa55。

Length

MAC->PHY的数据长度，占4个字节，单位为字节。

射频信道波形体制

本发明描述的系统以OFDM多信道接入技术为基础，可实现高速宽带传输，并且可保证良好的系统性能。

正交频分复用(OFDM)作为日益成熟的技术，是将信道划分成许多正交信道，在每个子信道上使用子载波进行调制，各子载波并行传输，其各个载波的信号频谱是正交的。认知用户可选择使用主用户未使用的子载波，避免对主用户的干扰.在每个共享频谱域内，根据OFDM 调制方式可将频谱域划分为若干个宽度的频段.假设节点通信时占用的基本信道单元为一个子信道，每个子信道由若干个子载波组成，为提高频谱利用率，组成子频道的子载波可以是不连续的。

表22下行波形基本参数表

物理层波形体制拟采用OFDM通信体制。子载波间隔为Δf＝15KHz。信号带宽为20MHz，可用子载波点数为1334个，FFT变换点数为2048点，采样率为30.72MHz。

一次发送的长度为2ms，其中包括前保护时间217us、后保护时间100us、有效数据1.683ms。前保护主要包含同步时钟偏差、时钟漂移、AGC获取时间、换频与功放上升时间等，总和为 217us。后保护主要为传输时延，30公里传输时延大致为100us。

OFDM的子载波间隔为15KHz，一个OFDM符号的长度为66.7us，若采用长度为4.7us的循环前缀(CP)，一个OFDM符号的总长度为71.4us。所以1.683ms内，一共包含23个 OFDM符号。第一个OFDM符号为帧头，用于帧同步和粗频偏估计。因此，有效数据的OFDM 符号为22个。

路由模块设计

自组织宽带网络中各节点之间地位相等，分别具有主机和路由器两方面的功能。节点可以根据网络需要随时可以在网络中添加或删除，导致了自组织宽带网络具有频繁变化的网络拓扑结构。

本发明公开的路由算法旨在多个移动节点中建立和维护一个动态的，自启动的，多跳路由的专属网络。算法使得移动节点能快速获得通向新的目的节点的路由，并且节点仅需要维护通向它信号所及范围内的节点的路由，更远的节点的路由信息则不需要维护。网络中连接的断开和异动会使得网络拓扑结构发生变化，此路由算法使得移动节点能适时对这种变化做出响应，使得该算法在网络拓扑变化时(比如一个节点在网络中移动)能够快速收敛。当一个连接断开时，此路由算法会告知所有受到影响的节点，这些节点会让用到这个连接的路由失效。

本发明公开的自组织宽带网络的路由协议中，采用节点逐跳转发的方式，利用路由发现和路由维护建立和维护一个动态的，自启动的，多跳路由的专属网络。

路由协议格式

路由协议是由路由请求分组(RREQ)、路由应答分组(RREP)和路由出错分组

(RERR)三种消息组成的，在RREP报文中还包括两种消息分别是RREP_ACK和HELLO。

RREQ报文格式

其中：

Type：RREQ分组类型默认为1；

J：组播保留域；

R：组播修复；

G：标志字段，查看中间节点是否有到达目的节点的路由，有就发送RREP分组；

D：标志字段，判断是否为目的节点发的RREP；

Reserved：保留字段；

DestinationAddress：目的节点地址；

DestinationSequence：目的节点序列号；

SourceAddress：源节点地址；

SourceSequence：源节点序列号；

ID；报文分组号；

HopCount：源节点到目的节点的总跳数。

RREP报文格式

其中：

Type：RREQ分组类型默认为2；

R：组播修复；

A：标志字段，判断是否为需要应答回应；

Reserved：保留字段；

ID；报文分组号；

DestinationAddress：目的节点地址；

DestinationSequence：目的节点序列号；

SourceAddress：源节点地址；

SourceSequence：源节点序列号；

HopCount：源节点到目的节点的总跳数。

TTL：路由有效时间。

RERR报文格式

Type：RERR分组类型默认为3；

N：不删除标记；

Reserved：保留字段；

Hopcount：不可达节点数；

ID；报文分组号；

Unreachable DestinationAddress：不可达目的节点地址；

Unreachable DestinationSequence：不可达目的节点序列号；

AddUnreachable DestinationAddress：其它不可达目的节点地址；

AddUnreachable DestinationSequence：目的节点序列号。

HELLO报文格式

Type：HELLO分组类型默认为4；

Reserved：保留字段；

HopCount：设为1，把分组发给一跳内的邻节点。

ID；报文分组号；

DestinationAddress：目的节点地址；

DestinationSequence：目的节点序列号；

SourceAddress：源节点地址；

SourceSequence：源节点序列号；

路由发现

当源节点要向目的节点发送数据时，首先查看源节点路由表中是否有目的节点的路由消息。若存在到达目的节点的路由则直接进行信息发送，反之重新建立发送节点到接收节点的路径消息。本发明公开的路由协议通过中间节点实现对路由表的建立和维护。这通常包含建立正向路由和反向路由两个方面。反向路由是通过目的节点向源节点发送应答分组建立起来的。正向路由是指源节点向邻节点广播RREQ，邻节点收到RREQ后查看是否收到过该分组，收到过就丢弃，反之查看是不是目的节点并且同时跳数加1。节点会收到邻节点发送来的多个RREQ副本，通过对RREQ分析找到我们需要的节点信息。目的节点收到源节点发送的消息后，就发送应答消息，建立一条反向路径。无论是正向路由还是反向路由，路由信息一般都包括源地址、目的地址、广播ID、源序列号和生存时间等分组，其如图4所示。

由于移动无线网络拓扑结构频繁变化的特点，任何一个节点的加入或删除都会对网络产生影响，即旧的已有链路的断开和新的链路生成。

路由维护是通过发送HELLO消息进行链路维护的，其具体过程为：节点周期性地向相邻节点广播“HELLO”消息。在超时重传寄存器设定的时间内还没有收到HELLO分组则认为该链路已经断开。对断开节点进行修复，首先广播一个RREQ给中断的节点，若不可达的节点收到RREQ就会给源节点发送应答消息RREP，不可达中间节点就展开路由重建过程。如果没有收到RREQ视为没有修复好链路，节点向所有的邻节点广播RERR消息，此消息是由中断节点IP与邻居节点IP通过RERR来广播，其它节点便知道链路断开了

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。