一種適用於超寬帶的無線接入控制與時隙分配方法
2023-09-12 18:36:55 1
專利名稱：一種適用於超寬帶的無線接入控制與時隙分配方法
技術領域：
本發明屬於無線通信技術領域，尤其涉及ー種適用於超寬帶高速數據傳輸的基於位置信息的無線接入控制與時隙分配方法；
背景技術：
超寬帶(Ultra Wideband, UWB)系統使用持續時間極短的脈衝傳輸信息，功耗小，帶寬寬且具有很強的抗多徑衰落能力，可以實現高速數據傳輸；由於功率譜密度非常低，幾乎被湮沒在各種電磁幹擾和噪聲中，具有隱蔽性好、低截獲率、保密性好等非常突出的優點，能很好的滿足現代通信系統對安全性的要求；UWB技術所擁有的這些獨特優勢使其成為室內密集多徑環境條件下高速大容量無線個域網系統的最佳解決方式；由於無線網絡中頻譜資源有限，傳輸速率和網絡容量受到限制，同時信道衰落也會帶來ー些通信問題；因此，在UWB網絡中，控制信道訪問的媒體接入控制方式(MAC)決定著無線信道的接入使用方式，負責為節點分配無線信道資源，對信道的利用率、網絡吞吐量、網絡時延等網絡性能有重要影響；因此，合理設計媒體接入控制方式，根據網絡業務特性有效地配置信道資源，可以提高無線資源的使用效率；基於分布式接入控制的ECMA-368標準MAC以及IEEE802.15.3的MAC協議均可應用在UWB系統中，但並不能很好地適合於高速無線個域網；針對ECMA-368或者IEEE802.15.3標準的改進很多，都沒能很好地利用脈衝UWB的物理層特性；時分多址方式被證明適合於超寬帶高速數據傳輸，在一定條件下同一個時隙是可以容納多條數據鏈路的，同時脈衝信號的低佔空比和跳時碼使得不同鏈路之間的幹擾非常低，進ー步増加了網絡在同一個時隙裡所容納數據鏈路的數量；目前針對超寬帶資源分配調度的研究，多集中在最大化呑吐量的目標上，通過信幹噪比門限來判斷鏈路幹擾狀況，使每一個時隙容納的鏈路儘可能多；但是這類方法存在不足:沒有根據傳輸的數據量來靈活分配時隙，比如ー個時隙容納了多條鏈路，當有鏈路完成時，各鏈路幹擾情況變化，而時隙分配如果不變就造成了浪費；同時，這些算法多採用分布式計算，複雜度高，反而增加了節點功耗，而且過多的交互信息降低了系統的有效性；
發明內容
本發明的目的是針對背景技術中所描述的目前高速UWB網絡中現有的接入控制與信道資源分配方法中存在的不足，提出ー種適用於UWB高速數據傳輸的基於位置信息的無線接入控制和時隙分配方法；本發明的技術方案如下:根據電源信息選擇中心控制器。本發明的時隙分配算法是由中心控制器計算，因此在選擇中心控制器時，需要加入電源信息(區分功耗敏感節點以及有源節點)。節點開始工作後，其中任意一節點發送掃描脈衝掃描周圍的其他節點，接收到該掃描信號的節點反饋ー個應答幀，應答幀包含該節點是否接有電源以及能耗信息。為了避免衝突，反饋應答幀時採用隨機退避策略，接收到掃描脈衝的節點隨機退避一定時間(納秒級)後發送應答幀，發送掃描脈衝的節點收到應答幀後，選舉出能耗不敏感的節點作為中心控制器並發送通知信息。中心控制器廣播ー個信標幀同步其他節點，定期更新網絡信息，並利用超寬帶良好的測距定位功能獲知各節點位置信息。當有數據鏈路請求時，信源節點向中心控制器發送請求發送(Request ToSend, RTS)幀，中心控制器存儲傳輸數據需求信息、位置信息，井向接收節點轉發RTS幀，接收節點回復清除發送(Clear To Send, CTS)巾貞給中心控制器,中心控制器獲得接收節點存儲空間、位置等信息。中心控制器通過間接握手協議過程確認兩個節點的位置信息及需要傳輸的數據量。時隙分配計算:基於復用的思想使一個時隙可以容納多條數據鏈路，根據每條鏈路需要傳輸的數據量以及鏈路相互幹擾情況，採用近距優先迭代算法為每條數據鏈路分配時隙，使得在滿足需要傳輸的數據量的情況下時隙被充分利用，時延最小。I)要獲得儘量小的延遲，速率要達到最大可傳速率，功率控制能減小功耗但是對呑吐量影響甚小，因此不需要功率控制調節速率在區間內取值，可以假設發送節點要麼不發送數據，要麼以最大發射功率發送。2)無論哪種UWB系統，信幹噪比的計算與信道模型無關。研究發現，超寬帶有ー個特性，高帶寬時速率和信幹噪比(SINR)成線性關係，信幹噪比較低時，通過編碼和調製方式使數據速率適應信道比特誤碼率，可以成功傳輸。為了在每ー個單位時隙中儘可能獲得高的呑吐量，採取近距優先迭代的方法，傳輸距離短的鏈路優先進行共用時隙判斷，滿足條件就將該時隙分配給此鏈路，繼續對下ー個較長距離的鏈路進行判斷。3)因為當距離很近時，幹擾影響會很大，為了減少計算量，根據經驗值人為確定排外區域範圍，這個排外區域的確定與以前的研究中提到的不同，並不是根據網絡拓撲結構嚴格確定的幹擾區域。仿真表明，針對室內(IOmX IOm)範圍隨機分布的鏈路(2 20條)，一般確定排外區域為ー個半徑為2m 4m的圓，這樣大大減少了算法的計算量。4)由節點分布情況以及鏈路幹擾狀況，可以計算信幹噪比，求得每ー時隙中容納哪些數據鏈路，而同一鏈路在不同的時隙速率不同。在速率變化的UWB網絡資源分配中，目標函數是時延最小，條件受傳輸需求、發射功率、信幹噪比限制。將時隙按最小單位劃分，時延最小即等價於總時隙數最小，求出需要的總時隙數量以及每條鏈路分配的時隙數量。min M (1.1) subjectto:
權利要求
1.ー種適用於超寬帶的無線接入控制與時隙分配方法，其特徵在於，所述方法包括: (1)根據電源信息選擇中心控制器；本發明的時隙分配算法是由中心控制器計算，因此在選擇中心控制器時，需要加入電源信息，區分功耗敏感節點以及有源節點；節點開始エ作後，其中任意一節點發送掃描脈衝掃描周圍的其他節點，接收到該掃描信號的節點反饋ー個應答幀，應答幀包含該節點是否接有電源以及能耗信息；為了避免衝突，反饋應答幀時採用隨機退避策略，接收到掃描脈衝的節點隨機退避一定時間(納秒級)後發送應答幀，發送掃描脈衝的節點收到應答幀後，選舉出能耗不敏感的節點作為中心控制器並發送通知信息；中心控制器廣播一個信標幀同步其他節點，定期更新網絡信息，並利用超寬帶良好的測距定位功能獲知各節點位置信息； (2)當有數據鏈路請求時，信源節點向中心控制器發送請求發送幀，中心控制器存儲傳輸數據需求信息、位置信息，井向接收節點轉發RTS幀，接收節點回復清除發送幀給中心控制器，中心控制器獲得接收節點存儲空間、位置等信息；中心控制器通過間接握手協議過程確認兩個節點的位置信息及需要傳輸的數據量； (3)時隙分配計算: 基於復用的思想使一個時隙可以容納多條數據鏈路，根據每條鏈路需要傳輸的數據量以及鏈路相互幹擾情況，採用近距優先迭代算法為每條數據鏈路分配時隙，使得在滿足需要傳輸的數據量的情況下時隙被充分利用，時延最小； 1)要獲得儘量小的延遲，速率要達到最大可傳速率，功率控制能減小功耗但是對吞吐量影響甚小，因此不需要功率控制調節速率在區間內取值，可以假設發送節點要麼不發送數據，要麼以最大發射功率發送； 2)無論哪種UWB系統，信幹噪比的計算與信道模型無關；研究發現，超寬帶有ー個特性，高帶寬時速率和信幹噪比(SINR)成線性關係，信幹噪比較低時，通過編碼和調製方式使數據速率適應信道比特誤碼率，可以成功傳輸；為了在每ー個單位時隙中儘可能獲得高的呑吐量，採取近距優先迭代的方法，傳輸距離短的鏈路優先進行共用時隙判斷，滿足條件就將該時隙分配給此鏈路，繼續對下一個較長距離的鏈路進行判斷； 3)因為當距離很近時，幹擾影響會很大，為了減少計算量，根據經驗值人為確定排外區域範圍，這個排外區域的確定與以前的研究中提到的不同，並不是根據網絡拓撲結構嚴格確定的幹擾區域；仿真表明，針對室內(IOmX IOm)範圍隨機分布的鏈路(2 20條)，一般確定排外區域為ー個半徑為2m 4m的圓，這樣大大減少了算法的計算量； 4)由節點分布情況以及鏈路幹擾狀況，可以計算信幹噪比，求得每ー時隙中容納哪些數據鏈路，而同一鏈路在不同的時隙速率不同；在速率變化的UWB網絡資源分配中，目標函數是時延最小，條件受傳輸需求、發射功率、信幹噪比限制；將時隙按最小單位劃分，時延最小即等價於總時隙數最小，求出需要的總時隙數量以及每條鏈路分配的時隙數量；
全文摘要
本發明屬於無線通信技術領域，尤其涉及一種適用於超寬帶高速數據傳輸的基於位置信息的無線接入控制與時隙分配方法。主要包括如下步驟(1)根據電源信息選擇中心控制器；(2)中心控制器獲得接收節點存儲空間、位置等信息；中心控制器通過間接握手協議過程確認兩個節點的位置信息及需要傳輸的數據量；(3)進行時隙分配計算；(4)當發送節點接收到中心控制器發送的決定發送幀後，下一超幀中按照時隙分配結果進行傳輸，如果沒有收到DTS幀，則等待並根據新的鏈路接入情況重新計算。本發明大大簡化了計算，同時時隙分配更加精細化，減少了時隙浪費。
文檔編號H04W48/16GK103118414SQ201310073790
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月7日 優先權日2013年3月7日
發明者陳月雲, 周賢偉, 陳衝 申請人:北京科技大學