一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法技术方案

本发明专利技术公开了属于卫星通信技术领域的一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法。该方法包括首先建立时隙ALOHA的接收模型，其次是该ALOHA系统接收模型的信号发送与接收的方法；其中，时隙ALOHA的接收模型的信号在发送过程中每个消息在一帧内随机选择多个时隙重复发送，不同消息随机选择不同训练序列用于接收端同步，在接收端通过相关运算估计各个消息的到达时延；最后，利用接收模型进行干扰消除，从而实现在消息发生碰撞的情况下恢复各用户消息；该方法适用于时隙ALOHA系统，如甚高频数据交换系统VDES、卫星船舶自动识别系统SAT‑AIS、卫星物联网等，可以显著提高时隙ALOHA系统的容量。

A method of sending and receiving time slot ALOHA system based on interference cancellation

The invention discloses a signal sending and receiving method for a time slot ALOHA system based on interference elimination in the field of satellite communication technology. The method includes receiving a model of slotted ALOHA, followed by the sending and receiving signal model of the ALOHA system and receiving method; the signal receiving model of slotted ALOHA each in the sending process messages in a frame randomly selected time slots send the same message to repeat, do not randomly select different training sequences for the receiving end synchronization at the receiving end through the correlation estimation of each message arrival delay; finally, by receiving the model to eliminate the interference, so as to realize the recovery of each user message in the message collision case; this method is applicable to the slotted ALOHA system, such as VHF VDES satellite data exchange system, automatic identification system, AIS satellite SAT the Internet of things, can significantly improve the capacity of slotted ALOHA system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法
本专利技术属于卫星通信
，特别涉及一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法。具体是一种时隙ALOHA系统的时隙干扰消除算法。
技术介绍
在以船舶自动识别系统(AIS)、卫星甚高频数据交换系统(VDES)和卫星互联网为代表的卫星数据交换系统中应用了时隙ALOHA协议；ALOHA协议属于随机存储协议的一种，分为纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议。其中纯ALOHA协议规定不同用户的多址方式为时分复用(TDMA)方式，各个用户有发射消息需求时即发射信号，如果成功接收信号，接收端返回给用户确认字符(ACK)，表示消息成功接收；如果接收端在同一时间接收到来自两个不同用户的信号，则认为发生消息碰撞，会导致消息不能正确接收，接收端无反馈或返回NACK信号，表示消息接收失败，这时发生消息碰撞的各个用户等待一定时间重新进行发送，直至消息接收成功为止。这种接入方法在用户数量较多时发生消息碰撞的概率很大，会导致消息堵塞。时隙ALOHA是对纯ALOHA协议的一种改进，在时隙ALOHA协议中，利用统一的时钟规定了各个用户发送时间，当用户有发送消息需求时，需要等待下一个时隙开始发送信号，通过时钟的统一，可以将消息碰撞概率降低为纯ALOHA协议的一半。时隙ALOHA协议的消息发送示意图如图1。时隙ALOHA协议广泛应用于手机移动网、WIFI、船舶自动识别系统(AIS)以及卫星甚高频数据交换系统(VDES)等系统中，在地面网络中经常利用载波侦听(CSTDMA)和自组织(SOTDMA)的方式降低消息碰撞概率提高系统容量。然而在卫星系统中，系统延时较高，不同用户相距较远甚至不在视距范围，各个用户之间无法通过侦听载波以及预约时隙的方式合理分配时隙并消除消息碰撞带来的干扰。因此有必要在卫星接收机对多用户碰撞信号进行有效地消除干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法；其特征在于，该方法包括首先建立时隙ALOHA的接收模型，其次是该ALOHA系统接收模型的信号发送与接收的方法；其中，具体时隙ALOHA的接收装置组成为存储器与相关器、干扰消除、解调串联；存储器再和干扰消除连接以及本地训练序列与相关器连接；时隙ALOHA的接收模型的信号在发送过程中随机使用不同训练序列用作接收端同步，在接收端通过训练序列的同步估计各个消息在时隙中的分布；最后通过干扰消除解出每个消息，从而在已发生消息碰撞的情况下恢复各个用户的消息。所述时隙ALOHA接收模型的建立，假设ALOHA协议中一帧长度为N个时隙，在一帧中有L个用户发送信号，时隙ALOHA系统模型如下：用户发送的消息形式：s[i,n]＝[strain[i],spayload[i],sguard]其中s[i,n]表示第i个消息在时隙n的发射信号，在一帧内同一用户发送信号相同，因此对于均有s[i,m]＝s[i,n]＝s[i]；strain[i]表示第i个消息的训练序列，训练序列的码型在T1,T2,…TM中随机选择；spayload[i]表示第i个用户需要发送的数据信息，sguard为保护间隔，sguard＝[0,0,…,0]。接收模型在第n个时隙的接收信号波形：其中δ[n]为第n个时隙的窗函数，即其中slotn表示第n个时隙，others表示其他时隙，Ak[i,n]为第i个消息在时隙n中信号的幅度，D[i,n]为信号传播时延，φ[i,n]为相位偏移，Δω[i,n]为信号的频偏，w(n)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为σw2/2；利用矩阵形式描述接收模型r＝Hs+w其中r为接收信号矢量，是N×1的矩阵r＝[r[1],r[2],…r[N]]T：s为发送信号矢量其中H为N×L的矩阵，表示通信系统的信道，H的第i行第j列元素Hij＝h[i,j]表示在第i个时隙接收到来及第j个用户消息的信道，如果第j个用户没有在第i个时隙下发送信号则Hij为0。w为大小为N×1的高斯白噪声矢量上式反应了在高斯信道下时隙ALOHA的接收模型。基于上述ALOHA系统接收模型，所述基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法包括：所述信号发送方法的步骤如下：步骤一：完成消息包的封装，使消息长度控制在一个时隙内，超过一个时隙的消息将分多次发送；步骤二：训练序列许用码组为Ti,i＝1,2,…M，每个训练序列许用码型为长度为M的PN码或Walsh码；每个消息随机在训练序列许用码组里选择训练序列用作接收端同步；步骤三：消息选择发送时隙发送信号，并等待接收端回应；步骤四：当发送端在规定时间内未收到接收端回应时，随机选择时隙继续发送同一消息；直到收到接收端回应信号为止。所述信号接收方法的步骤如下：步骤一：对各个时隙的接收信号进行突发解调，若循环冗余校验(CRC)校验正确，则回应确认字符；当发生碰撞时循环冗余校验会校验失败，则不给发送端反馈信号；与此同时存储一帧长度内的所有数据r；步骤二：设定初始条件训练序列标号i＝1；步骤三：利用训练序列Ti对信号进行滑动相关，找出相关峰位置，存储相关峰个数、峰值位置、峰值大小；步骤四：相关峰位置有以下几种情况，如果仅有一个相关峰，则该时隙存在一个信号；如果存在多个相关峰且多个相关峰在相同时隙出现，则认为是由多个不同用户同时在当前时隙发射的信号；如果相关峰的位置在不同时隙，则将这几个时隙的信号做互相关，若出现峰值，则认为是同一用户在不同时隙重复发送的信号，否则认为是不同用户在不同时隙发送的信号；根据上述几种情况可以确定使用当前训练序列用户个数Li和每个用户发射信号的时隙位置n；步骤五：当i<M时，i＝i+1，返回步骤三，当i＝M时，转到步骤六；步骤六：通过步骤三中相关峰的峰值高度估计用户发送的信号相关峰能量，通过相关峰的位置、幅度和相位信息计算消息的信道h[i,n]；再利用步骤四得到的各个信号的发射时隙位置。可以得到信道H中各个非零元素的值；步骤七：利用接收信号矢量r和信道H通过下式估计原始信号s，步骤八：对矢量中每行的信号进行解调，将解调结果满足循环冗余校验的数据留下，并向发送端反馈确认字符(ACK)，若CRC校验失败，该时隙数据丢弃，等待用户下一次发送；步骤九：存储下一帧数据返回步骤二。本专利技术的有益效果是本算法针对系统中多用户上行中发生时隙碰撞的现象提出ALOHA系统信号的发送与接收方法。适用于稀疏的时隙ALOHA信道，如卫星网络、卫星船舶自动识别系统(AIS)，星载甚高频数据交换系统(VDES)等一些卫星数据交换系统。可以有效地降低消息碰撞对接收性能的影响。附图说明图1为时隙ALOHA接收消息在有限时隙分布的示意图。图2为基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法的接收装置的结构示意图。图3为基于时隙ALOHA的干扰消除算法的流程图。图4以64种训练序列、训练序列码型为PN码为例，估计信道的流程示意图。具体实施方式本专利技术提供一种时隙ALOHA系统的信号发送与接收的方法，该算法包括时隙ALOHA的接收模型的建立和该ALOHA系统模型的信号发送与接收的方法；其中，信号在发送过程中随机使用不同训练序列用作接收端同步，在接收端通过训练序列的同步估计各个消息在时隙中的分布；最后通过干扰消除本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法,其特征在于，该算法包括首先建立时隙ALOHA的接收模型，其次是该ALOHA系统接收模型的信号发送与接收的方法；其中，具体时隙ALOHA的接收装置组成为存储器与相关器、干扰消除、解调串联；存储器再和干扰消除连接以及本地训练序列与相关器连接；时隙ALOHA的接收模型的信号在发送过程中随机使用不同训练序列用作接收端同步，在接收端通过训练序列的同步估计各个消息在时隙中的分布；最后通过干扰消除解出每个消息，从而在已发生消息碰撞的情况下恢复各个用户的消息。

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法,其特征在于，该算法包括首先建立时隙ALOHA的接收模型，其次是该ALOHA系统接收模型的信号发送与接收的方法；其中，具体时隙ALOHA的接收装置组成为存储器与相关器、干扰消除、解调串联；存储器再和干扰消除连接以及本地训练序列与相关器连接；时隙ALOHA的接收模型的信号在发送过程中随机使用不同训练序列用作接收端同步，在接收端通过训练序列的同步估计各个消息在时隙中的分布；最后通过干扰消除解出每个消息，从而在已发生消息碰撞的情况下恢复各个用户的消息。2.根据权利要求1所述一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法,其特征在于，所述时隙ALOHA的接收模型的建立，假设ALOHA协议中一帧长度为N个时隙，在一帧中有L个用户发送信号，建立时隙ALOHA系统接收模型的过程如下：用户发送的消息形式：s[i,n]＝[strain[i],spayload[i],sguard]其中s[i,n]表示第i个消息在时隙n的发射信号，在一帧内同一用户发送信号相同，因此对于均有s[i,m]＝s[i,n]＝s[i]；strain[i]表示第i个消息的训练序列，训练序列的码型在T1,T2,…TM中随机选择；spayload[i]表示第i个用户需要发送的数据信息，sguard为保护间隔，sguard＝[0,0,…,0]；接收模型在第n个时隙的接收信号波形：其中δ[n]为第n个时隙的窗函数，即其中slotn表示第n个时隙，others表示其他时隙，Ak[i,n]为第i个消息在时隙n中的信号幅度，D[i,n]为信号传播时延，φ[i,n]为相位偏移，Δω[i,n]为信号的频偏，w(n)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为σw2/2；利用矩阵形式描述接收模型r＝Hs+w其中r为接收信号矢量，是N×1的矩阵r＝[r[1],r[2],…r[N]]T：s为发送信号矢量其中H为N×L的矩阵，表示通信系统的信道，H的第i行第j列元素Hij...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪祖耀，梁煜，吴胜，匡麟玲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11