CN103118414A - 一种适用于超宽带的无线接入控制与时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于超宽带高速数据传输的基于位置信息的无线接入控制与时隙分配方法。主要包括如下步骤：（1）根据电源信息选择中心控制器；（2）中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息；中心控制器通过间接握手协议过程确认两个节点的位置信息及需要传输的数据量；（3）进行时隙分配计算；（4）当发送节点接收到中心控制器发送的决定发送帧后，下一超帧中按照时隙分配结果进行传输，如果没有收到DTS帧，则等待并根据新的链路接入情况重新计算。本发明大大简化了计算，同时时隙分配更加精细化，减少了时隙浪费。

Description

一种适用于超宽带的无线接入控制与时隙分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于超宽带高速数据传输的基于位置信息的无线接入控制与时隙分配方法；

背景技术

超宽带（Ultra Wideband,UWB）***使用持续时间极短的脉冲传输信息，功耗小，带宽宽且具有很强的抗多径衰落能力，可以实现高速数据传输；由于功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等非常突出的优点，能很好的满足现代通信***对安全性的要求；UWB技术所拥有的这些独特优势使其成为室内密集多径环境条件下高速大容量无线个域网***的最佳解决方式；

由于无线网络中频谱资源有限，传输速率和网络容量受到限制，同时信道衰落也会带来一些通信问题；因此，在UWB网络中，控制信道访问的媒体接入控制方式（MAC）决定着无线信道的接入使用方式，负责为节点分配无线信道资源，对信道的利用率、网络吞吐量、网络时延等网络性能有重要影响；因此，合理设计媒体接入控制方式，根据网络业务特性有效地配置信道资源，可以提高无线资源的使用效率；

基于分布式接入控制的ECMA-368标准MAC以及IEEE802.15.3的MAC协议均可应用在UWB***中，但并不能很好地适合于高速无线个域网；针对ECMA-368或者IEEE802.15.3标准的改进很多，都没能很好地利用脉冲UWB的物理层特性；

时分多址方式被证明适合于超宽带高速数据传输，在一定条件下同一个时隙是可以容纳多条数据链路的，同时脉冲信号的低占空比和跳时码使得不同链路之间的干扰非常低，进一步增加了网络在同一个时隙里所容纳数据链路的数量；

目前针对超宽带资源分配调度的研究，多集中在最大化吞吐量的目标上，通过信干噪比门限来判断链路干扰状况，使每一个时隙容纳的链路尽可能多；但是这类方法存在不足：没有根据传输的数据量来灵活分配时隙，比如一个时隙容纳了多条链路，当有链路完成时，各链路干扰情况变化，而时隙分配如果不变就造成了浪费；同时，这些算法多采用分布式计算，复杂度高，反而增加了节点功耗，而且过多的交互信息降低了***的有效性；

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所描述的目前高速UWB网络中现有的接入控制与信道资源分配方法中存在的不足，提出一种适用于UWB高速数据传输的基于位置信息的无线接入控制和时隙分配方法；

本发明的技术方案如下：

根据电源信息选择中心控制器。本发明的时隙分配算法是由中心控制器计算，因此在选择中心控制器时，需要加入电源信息（区分功耗敏感节点以及有源节点）。节点开始工作后，其中任意一节点发送扫描脉冲扫描周围的其他节点，接收到该扫描信号的节点反馈一个应答帧，应答帧包含该节点是否接有电源以及能耗信息。为了避免冲突，反馈应答帧时采用随机退避策略，接收到扫描脉冲的节点随机退避一定时间（纳秒级）后发送应答帧，发送扫描脉冲的节点收到应答帧后，选举出能耗不敏感的节点作为中心控制器并发送通知信息。中心控制器广播一个信标帧同步其他节点，定期更新网络信息，并利用超宽带良好的测距定位功能获知各节点位置信息。

当有数据链路请求时，信源节点向中心控制器发送请求发送（Request To Send,RTS）帧，中心控制器存储传输数据需求信息、位置信息，并向接收节点转发RTS帧，接收节点回复清除发送（Clear To Send,CTS）帧给中心控制器，中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息。中心控制器通过间接握手协议过程确认两个节点的位置信息及需要传输的数据量。

时隙分配计算：基于复用的思想使一个时隙可以容纳多条数据链路，根据每条链路需要传输的数据量以及链路相互干扰情况，采用近距优先迭代算法为每条数据链路分配时隙，使得在满足需要传输的数据量的情况下时隙被充分利用，时延最小。

1）要获得尽量小的延迟，速率要达到最大可传速率，功率控制能减小功耗但是对吞吐量影响甚小，因此不需要功率控制调节速率在区间内取值，可以假设发送节点要么不发送数据，要么以最大发射功率发送。

2）无论哪种UWB***，信干噪比的计算与信道模型无关。研究发现，超宽带有一个特性，高带宽时速率和信干噪比（SINR）成线性关系，信干噪比较低时，通过编码和调制方式使数据速率适应信道比特误码率，可以成功传输。为了在每一个单位时隙中尽可能获得高的吞吐量，采取近距优先迭代的方法，传输距离短的链路优先进行共用时隙判断，满足条件就将该时隙分配给此链路，继续对下一个较长距离的链路进行判断。

3）因为当距离很近时，干扰影响会很大，为了减少计算量，根据经验值人为确定排外区域范围，这个排外区域的确定与以前的研究中提到的不同，并不是根据网络拓扑结构严格确定的干扰区域。仿真表明，针对室内（10m×10m）范围随机分布的链路（2～20条），一般确定排外区域为一个半径为2m～4m的圆，这样大大减少了算法的计算量。

4）由节点分布情况以及链路干扰状况，可以计算信干噪比，求得每一时隙中容纳哪些数据链路，而同一链路在不同的时隙速率不同。在速率变化的UWB网络资源分配中，目标函数是时延最小，条件受传输需求、发射功率、信干噪比限制。将时隙按最小单位划分，时延最小即等价于总时隙数最小，求出需要的总时隙数量以及每条链路分配的时隙数量。

min M    (1.1)

subjectto:

$x_i^s\underset{j\∈N\left(i\right)}{\mathrm{\Σ}}{x}_j^s=0,i,j\∈[1,L]---\left(1.2\right)$

$y_{\mathrm{ik}}+1_{\{p_i^s>0\}}+1_{\{p_k^s>0\}}\≤2,i,k\∈[1,L],s\∈[1,M]---\left(1.3\right)$

$p_i^s\∈\{0,P\},i\∈[1,L],s\∈[1,M]---\left(1.4\right)$

$r_i^s=K\frac{p_i^s{d}_i^{-\mathrm{\γ}}}{\mathrm{\η}+x_i^s\mathrm{\α}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j^s{d}_{\mathrm{ji}}^{-\mathrm{\γ}}},i\∈[i,L],s\∈[1,M]---\left(1.5\right)$

$\underset{s=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^s{t}^s\≥R_i,i\∈[1,L]---\left(1.6\right)$

1.1式是目标函数，最小化总时隙数M；1.2式中

表示第i条链路在第s时隙中传输，

表示不传输，N(i)表示处于链路i排外区域内的链路集合，

表示第j条链路在第s时隙中传输，

表示不传输，L表示链路总数量；1.3式表示任何一个节点在一个时隙内只能参与一条链路的传输，y_ik=1表示链路i和链路k具有相同节点，反之y_ik=0；1.4式表示采取0-P策略传输，链路或者不传输或者以确定功率传输，

表示第i条链路在第s时隙中的传输功率；1.5式中

表示第i条链路在s时隙中的传输速率，K是一个在高带宽时速率适应信干噪比线性关系的常量，γ是距离衰减因子，η表示背景噪声功率，d_ji表示第j条链路发射节点到第i条链路接收节点的干扰距离，α表示互相关因子，与脉冲形状、周期和调制方式等有关；1.6式中t^s表示s时隙的时长，R_i表示第i条链路需要传输的数据量。

5）迭代过程：在第s时隙中，将还没有满足传输数据量的链路的距离按照由近到远的顺序排序，距离最小的链路优先分配，然后依次判断其他链路能否在当前时隙中与已经安排的链路共存。遍历完成后，当前时隙要传输的链路全部确定，然后计算各链路的信干噪比、链路速率，以及在当前时隙传输的数据量，即链路速率与时隙时长的乘积，这样就知道剩余要传输的数据量，生成第s+1时隙列进行下一次迭代，直至所有链路完成要传输的数据量。

信道时间分配期的时隙分为两部分，数据传输时隙及应答时段。通过上述迭代计算，求出各链路分配的数据传输时隙数量以及传输速率。为了避免应答链路的干扰，应答链路不采用常用的每个分组传输都立即应答的方式，而是多个数据时隙后统一应答一次。应答时段的时间开销很低，根据数据传输时隙分配情况，多个数据传输时隙后统一发送确认帧，对之前数据传输时隙中未应答的数据流进行应答。

当发送节点接收到中心控制器发送的决定发送（DecideToSend，DTS）帧后，下一超帧中按照时隙分配结果进行传输，如果没有收到DTS帧，则等待并根据新的链路接入情况重新计算。全部流程见图1。

有益效果：从上面的过程可以看出，本发明从时延最小且速率调整的角度来对信道资源分配调度，设置排外区域判断干扰情况，按照近距优先迭代算法分配时隙；选取中心控制器时区分电源信息，增强了网络健壮性；通过中转握手协议以及统一应答，减少了***开销；本发明与现有方法比较，大大简化了计算，同时时隙分配更加精细化，减少了时隙浪费；

附图说明

图1是本发明方法的流程框图；

图2是本发明应用场景的示意图（图中示意了2条链路）；

图3是实施例超帧结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明；应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用；

本发明方法适用于室内环境的超宽带高速数据传输，节点数量2～40个，最大同时接入链路数量20，节点通信能力相同，单跳网络，每个节点不能同时参与多条链路的发送或者接收；

图2为本发明实施例应用场景示意图，图中代表性地示意了2条链路的共存；假设在某一时刻，网络中随机分布了21个点（含中心控制器），10个发送节点与10个接收节点一一对应；接入控制与时隙分配流程如下：

a、设备开机组网，选择中心控制器；

b、利用UWB高精度的物理测距能力获取各节点位置信息；

c、其他节点设备定时接收来自中心控制器的信标帧提取网络信息，当有数据发送时，向中心控制器发送请求接入（RTS）帧，中心控制器存储传输数据需求信息、位置信息，并向接收节点转发RTS帧，接收节点回复清除发送帧（CTS）给中心控制器，中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息；

d、中心控制器广播确认各接入链路距离以及路径损耗，并按照距离由近到远排序，如实施例中d=[4.6254,2.0339,4.6559,4.8882,2.6249,7.3355,3.4022,4.9114,8.6019,8.0740]，按序排列后，d=[d₂,d₅,d₇,d₁,d₃,d₄,d₈,d₆,d₁₀,d₉]，假设每条链路要传输相同的数据量R；

e、在第一个单位时隙内，按照近距优先算法，链路2传输，然后借助排外区域依次判断5、7、1、3、4、8、6、10、9链路能否与之前确定传输的链路同时传输；

f、根据时隙内链路共存情况，计算该时隙各链路信干噪比以及链路速率，然后更新需要传输的数据量R_i=R-r_i，进行下一个时隙的迭代计算，直至完成传输；

g、实施例中计算出来完成所需数据量的传输，需要单位时隙数M=72，具体时隙分配情况见表1，表1中1表示将列对应的时隙分配给行对应的链路，0表示不分配；

表1

	1slot	2slot	3～4slot	4～6slot	7～11slot	12～25slot	26～42slot	43～72slot
									链路1	1	1	1	0	0	0	0	0
链路2	1	0	0	0	0	0	0	0
									链路3	1	0	1	1	0	0	0	0
链路4	0	1	1	1	0	0	0	0
									链路5	0	1	0	0	0	0	0	0
链路6	1	1	1	1	1	1	0	0
									链路7	0	0	1	0	0	0	0	0
链路8	0	0	0	0	1	0	0	0
									链路9	0	0	0	0	0	0	1	1
链路10	0	1	0	0	1	1	1	0

h、时隙分配完成后，那么应答时段的分布也相应确定，实施例中在每一列时隙后增加一个应答时段，由于确认帧很短，这个时间可以很短，只要能成功对之前数据传输时隙中未应答的数据流进行应答即可，图3为其超帧结构示意图，BP为信标期，CAP为竞争接入期，CTAP为信道时间分配期，CTA为信道时隙分配，ACK表示应答时隙；每一个CTA时段对应表1中的时隙列；

i、分配完成后，中心控制器广播DTS消息，在下一超帧中，各链路按照分配结果进行传输；若链路发送节点未收到DTS，该链路重新请求接入，加入下一周期的时隙分配；

如上所述，尽管参照特定的实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释对本发明自身的限制；在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (1)

1.一种适用于超宽带的无线接入控制与时隙分配方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）根据电源信息选择中心控制器；本发明的时隙分配算法是由中心控制器计算，因此在选择中心控制器时，需要加入电源信息，区分功耗敏感节点以及有源节点；节点开始工作后，其中任意一节点发送扫描脉冲扫描周围的其他节点，接收到该扫描信号的节点反馈一个应答帧，应答帧包含该节点是否接有电源以及能耗信息；为了避免冲突，反馈应答帧时采用随机退避策略，接收到扫描脉冲的节点随机退避一定时间（纳秒级）后发送应答帧，发送扫描脉冲的节点收到应答帧后，选举出能耗不敏感的节点作为中心控制器并发送通知信息；中心控制器广播一个信标帧同步其他节点，定期更新网络信息，并利用超宽带良好的测距定位功能获知各节点位置信息；

（2）当有数据链路请求时，信源节点向中心控制器发送请求发送帧，中心控制器存储传输数据需求信息、位置信息，并向接收节点转发RTS帧，接收节点回复清除发送帧给中心控制器，中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息；中心控制器通过间接握手协议过程确认两个节点的位置信息及需要传输的数据量；

（3）时隙分配计算：

基于复用的思想使一个时隙可以容纳多条数据链路，根据每条链路需要传输的数据量以及链路相互干扰情况，采用近距优先迭代算法为每条数据链路分配时隙，使得在满足需要传输的数据量的情况下时隙被充分利用，时延最小；

1）要获得尽量小的延迟，速率要达到最大可传速率，功率控制能减小功耗但是对吞吐量影响甚小，因此不需要功率控制调节速率在区间内取值，可以假设发送节点要么不发送数据，要么以最大发射功率发送；

2）无论哪种UWB***，信干噪比的计算与信道模型无关；研究发现，超宽带有一个特性，高带宽时速率和信干噪比（SINR）成线性关系，信干噪比较低时，通过编码和调制方式使数据速率适应信道比特误码率，可以成功传输；为了在每一个单位时隙中尽可能获得高的吞吐量，采取近距优先迭代的方法，传输距离短的链路优先进行共用时隙判断，满足条件就将该时隙分配给此链路，继续对下一个较长距离的链路进行判断；

3）因为当距离很近时，干扰影响会很大，为了减少计算量，根据经验值人为确定排外区域范围，这个排外区域的确定与以前的研究中提到的不同，并不是根据网络拓扑结构严格确定的干扰区域；仿真表明，针对室内（10m×10m）范围随机分布的链路（2～20条），一般确定排外区域为一个半径为2m～4m的圆，这样大大减少了算法的计算量；

4）由节点分布情况以及链路干扰状况，可以计算信干噪比，求得每一时隙中容纳哪些数据链路，而同一链路在不同的时隙速率不同；在速率变化的UWB网络资源分配中，目标函数是时延最小，条件受传输需求、发射功率、信干噪比限制；将时隙按最小单位划分，时延最小即等价于总时隙数最小，求出需要的总时隙数量以及每条链路分配的时隙数量；

minM    (1.1)

subject to:

$x_i^s\underset{j\∈N\left(i\right)}{\mathrm{\Σ}}{x}_j^s=0,i,j\∈[1,L]---\left(1.2\right)$

$y_{\mathrm{ik}}+1_{\{p_i^s>0\}}+1_{\{p_k^s>0\}}\≤2,i,k\∈[1,L],s\∈[1,M]---\left(1.3\right)$

$p_i^s\∈\{0,P\},i\∈[1,L],s\∈[1,M]---\left(1.4\right)$

$r_i^s=K\frac{p_i^s{d}_i^{-\mathrm{\γ}}}{\mathrm{\η}+x_i^s\mathrm{\α}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j^s{d}_{\mathrm{ji}}^{-\mathrm{\γ}}},i\∈[i,L],s\∈[1,M]---\left(1.5\right)$

$\underset{s=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^s{t}^s\≥R_i,i\∈[1,L]---\left(1.6\right)$

1.1式是目标函数，最小化总时隙数M；1.2式中

表示第i条链路在第s时隙中传输，

表示不传输，N(i)表示处于链路i排外区域内的链路集合，

表示第j条链路在第s时隙中传输，

表示不传输，L表示链路总数量；1.3式表示任何一个节点在一个时隙内只能参与一条链路的传输，y_ik=1表示链路i和链路k具有相同节点，反之y_ik=0；1.4式表示采取0-P策略传输，链路或者不传输或者以确定功率传输，表示第i条链路在第s时隙中的传输功率；1.5式中

表示第i条链路在s时隙中的传输速率，K是一个在高带宽时速率适应信干噪比线性关系的常量，γ是距离衰减因子，η表示背景噪声功率，d_ji表示第j条链路发射节点到第i条链路接收节点的干扰距离，α表示互相关因子，与脉冲形状、周期和调制方式等有关；1.6式中t^s表示s时隙的时长，R_i表示第i条链路需要传输的数据量；

5）迭代过程：在第s时隙中，将还没有满足传输数据量的链路的距离按照由近到远的顺序排序，距离最小的链路优先分配，然后依次判断其他链路能否在当前时隙中与已经安排的链路共存；遍历完成后，当前时隙要传输的链路全部确定，然后计算各链路的信干噪比、链路速率，以及在当前时隙传输的数据量，即链路速率与时隙时长的乘积，这样就知道剩余要传输的数据量，生成第s+1时隙列进行下一次迭代，直至所有链路完成要传输的数据量；

信道时间分配期的时隙分为两部分，数据传输时隙及应答时段；通过上述迭代计算，求出各链路分配的数据传输时隙数量以及传输速率；为了避免应答链路的干扰，应答链路不采用常用的每个分组传输都立即应答的方式，而是多个数据时隙后统一应答一次；应答时段的时间开销很低，根据数据传输时隙分配情况，多个数据传输时隙后统一发送确认帧，对之前数据传输时隙中未应答的数据流进行应答；

（4）当发送节点接收到中心控制器发送的决定发送帧后，下一超帧中按照时隙分配结果进行传输，如果没有收到DTS帧，则等待并根据新的链路接入情况重新计算。

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