專利名稱：在包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)中減小功耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地說本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，更具體地說涉及在無線通信網(wǎng)絡(luò)中功率有效的多跳躍數(shù)據(jù)傳輸。
背景技術(shù)：
特別是在無線網(wǎng)絡(luò)中，收發(fā)器或“節(jié)點(diǎn)”設(shè)置成彼此進(jìn)行通信而沒有任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或集中管理機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)置可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)，或者它們的組合。節(jié)點(diǎn)可以是蜂窩電話、便攜式計(jì)算裝置或?qū)Ｓ闷骷热鐐鞲衅?。在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在它們本身之中建立了路由以形成它們自己的網(wǎng)絡(luò)。由于收發(fā)器有限的傳輸范圍，來自源節(jié)點(diǎn)的消息在達(dá)到目的地之前可能必須通過一個(gè)或多個(gè)中間路由節(jié)點(diǎn)。
特別是在無線網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)(如果不是所有的)節(jié)點(diǎn)都是電池供電。因此，使功耗最小是個(gè)基本的問題。一些降低功率的技術(shù)減小了代碼轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜性、使用低功率電路和低收發(fā)信成本的路由協(xié)議。其它的技術(shù)試圖利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪頊p小功率。
Heinzelman等人在“Energy-efficient Communication Protocolfor Wireless Micro-sensor Networks，”(Proc.Of the IEEE Hawaii Int.Conf.On System Sciences，第3005-3014頁，2000年1月)中描述了在無線網(wǎng)絡(luò)中減小功率的通信協(xié)議。它們描述了利用本地簇端頭的隨機(jī)化旋轉(zhuǎn)來均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)中的功率負(fù)載的基于分簇的協(xié)議。他們還指出在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離較短時(shí)直接傳輸比多跳躍傳輸更加有效。
Chang等人在“Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hocNetworks，”(Proc.Of IEEE INFOCOM 2000，2000年3月)中描述了在靜態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)中選擇路由和對應(yīng)的功率級以使功耗降低的方法。
Catovic等人在“A New approach to minimum energy routing fornext generation multi-hop wireless networks，”(Journal ofCommunications and Networks，Special Issue on“Evolving from 3Gdeployment to 4G definition，”2002年12月)中描述了在不同的功率級上在兩個(gè)不同的通道上傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。一種瑞克接收器用于通過組合兩個(gè)所接收的信號重構(gòu)原始數(shù)據(jù)。
Chen等人在“Energy Efficient System Design with OptimumTransmission Range for Wireless Ad-hoc Networks，”(Proc.Of IEEEInt.Conf.On Communications ICC’02，第945-952頁，2002年5月)中確定了尤其是在無線網(wǎng)絡(luò)中的最佳的傳輸范圍和跳躍距離。
已有技術(shù)還沒有解決的問題是通過多跳躍路徑的位錯(cuò)誤傳播。為消除錯(cuò)誤傳播，在多跳躍路徑上必須增加傳輸信號功率級。結(jié)果，在網(wǎng)絡(luò)中的整個(gè)功耗增加。在另一方面，在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)上，對所接收的信號進(jìn)行解碼和再編碼，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的地或下一中間節(jié)點(diǎn)。這可以防止錯(cuò)誤傳播，但這以由于代碼轉(zhuǎn)換過程的復(fù)雜性而引起功耗增加為代價(jià)。
最為重要的是，決定是否簡單地放大和發(fā)送數(shù)據(jù)或再生數(shù)據(jù)取決于中間節(jié)點(diǎn)相對于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置和功率損失的等級。因此，需要一種減小特別是在無線網(wǎng)絡(luò)中的功耗的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法減小了在多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)中的功耗。在源節(jié)點(diǎn)上確定使用放大模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第一功率需求。在源節(jié)點(diǎn)上也確定使用再生模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第二功率需求。將中繼請求消息發(fā)送給中間節(jié)點(diǎn)，該中繼請求消息包括第一和第二功率需求。


附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的無線通信網(wǎng)絡(luò)的方塊圖；附圖2所示為根據(jù)本發(fā)明在多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)中減小功耗的方法的流程圖；附圖3A所示為根據(jù)本發(fā)明的中繼模式操作的流程圖；附圖3B所示為根據(jù)本發(fā)明的再生模式操作的流程圖；和附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的無線節(jié)點(diǎn)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的無線通信網(wǎng)絡(luò)100。網(wǎng)絡(luò)100包括源節(jié)點(diǎn)110、中間節(jié)點(diǎn)130和目的節(jié)點(diǎn)120。源節(jié)點(diǎn)的輸出是信號111。該信號包括中繼請求112、消息113、中繼模式功率需求114和再生模式功率需求115。
功率節(jié)省表現(xiàn)為在間接路徑116和直達(dá)路徑117上發(fā)送消息所要求的功率量之間的差異。
系統(tǒng)操作附圖2所示為根據(jù)本發(fā)明在多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)100上減小功耗的方法200。中間節(jié)點(diǎn)130從源節(jié)點(diǎn)110接收210信號111。
在步驟220中，中間節(jié)點(diǎn)130確定是接收還是拒絕來自源節(jié)點(diǎn)110的將消息113中繼到目的節(jié)點(diǎn)120的請求112。根據(jù)步驟220的決定，中間節(jié)點(diǎn)發(fā)出接受(Ack)或拒絕(Nack)請求的指示221。如果在預(yù)定的時(shí)間量內(nèi)拒絕或不接受該請求，則源節(jié)點(diǎn)110可以搜尋另一節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)，或者源節(jié)點(diǎn)試圖直接將消息113發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)120。
如果指示221是Ack，則中間節(jié)點(diǎn)選擇230將消息113中繼給目的節(jié)點(diǎn)120的模式。所選擇的模式可以是再生模式或中繼模式，下文詳細(xì)地討論這兩種模式。
附圖3A所示為中繼模式的步驟。在此，中間節(jié)點(diǎn)130放大310來自源節(jié)點(diǎn)110的信號111，并將經(jīng)放大的信號321再發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)120。
附圖3B所示為再生模式的步驟。在這種模式中，在中間節(jié)點(diǎn)130上所接收的信號首先解調(diào)330然后解碼340。解碼340過程校正所發(fā)生的任何位錯(cuò)誤。然后對經(jīng)解碼的數(shù)據(jù)341進(jìn)行編碼350、放大360并發(fā)送370給目的節(jié)點(diǎn)120。
再生模式源節(jié)點(diǎn)A 110通過下式(1)確定將信號111直接發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B 120所要求的功率量 這里所要求的功率 滿足誤碼率要求Pre，值γ是路徑損失指數(shù)，值xab是在從源節(jié)點(diǎn)A 110到目的節(jié)點(diǎn)B 120的路徑上的以分貝為單位的陰影損失。值 取決于所使用的比率調(diào)制的類型，例如PAM、QPSK、QAM。
源節(jié)點(diǎn)A 110確定如果中間節(jié)點(diǎn)C 130作為再生器中繼則可以獲得的功率節(jié)省。功率節(jié)省是在中繼路徑A→C→B 116上使用的功率和在直達(dá)路徑A→B 117上使用的功率之間的差值。為得出這個(gè)差值，源節(jié)點(diǎn)A 110確定發(fā)送到中間節(jié)點(diǎn)C 120的功率和在中間節(jié)點(diǎn)上使用的發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B 120的功率。這兩個(gè)功率(由 表示)取決于距離(dac，dcb)和所要求的誤碼率(BRE)Pre。由再生所引起的功率降低由下式(2)確定Δαregen=αteA+αteC-αteAB+Pc.---(2)]]>公式2給出了最佳的功率節(jié)省，忽略了在網(wǎng)絡(luò)100上的陰影損失，在網(wǎng)絡(luò)100上中間節(jié)點(diǎn)起再生器的作用并將信號從源節(jié)點(diǎn)110中繼到目的節(jié)點(diǎn)120。
附圖3A所示為在源節(jié)點(diǎn)A 110和中間節(jié)點(diǎn)C 130上具有計(jì)算的發(fā)射功率 的再生器中繼方法。根據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，功率降低Δαregen可以是正的或負(fù)的。
如果功率降低Δαregen為正，則源節(jié)點(diǎn)不將中繼請求發(fā)送給中間節(jié)點(diǎn)。如果功率降低Δαregen為負(fù)，則源節(jié)點(diǎn)將中繼請求發(fā)送給中間節(jié)點(diǎn)。
中繼模式在中繼模式中，中間節(jié)點(diǎn)130將消息113轉(zhuǎn)送給目的節(jié)點(diǎn)B 120而不校正在從源節(jié)點(diǎn)A 110到中間節(jié)點(diǎn)C 130的傳輸中發(fā)生的任何錯(cuò)誤。在源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)上的發(fā)射功率是 并且在中間節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)上的最佳誤碼率是(*Preac，*Precb)。因?yàn)橹欣^允許位錯(cuò)誤從中間節(jié)點(diǎn)傳播到目的節(jié)點(diǎn)，公式(3)Preac*+Precb*=Pre---(3)]]>通過下式滿足ln(dacr10xac/10dcbr10xcb/10)=ln(Q-1(log2M(1-1/M)(Precb-Preac)))+(erf-1(1-2log2M(1-1/M)(Precb-Preac))2-]]>-(erf-1(1-2log2M4(1-1/M)Preac))2-ln(Q-1(2log2M4(1-1/M)Preac))]]>并且通過Precb*=Pre-Preac*]]>得到*Precb。
從這些最佳誤碼率中，確定最佳發(fā)射功率 。在已知值 之后，源節(jié)點(diǎn)A 110根據(jù)下式確定功率節(jié)省Δαrealy=αteA+αteC-αteAB+Pc.]]>上文描述的方法對于任何矩形M-ary調(diào)制方案都獲得了(*Preac，*Precb， )，然而，相同的分析技術(shù)也可應(yīng)用到其它的調(diào)制方案。
值Δαrelay總是小于值Δαregen，因?yàn)閷τ诠潭ǖ腜re，中繼方法要求附加的功率。
然而，這種附加功率僅是幾分之一分貝。因此，中間節(jié)點(diǎn)130可以根據(jù)本地標(biāo)準(zhǔn)比如處理負(fù)載確定是選擇中繼模式還是再生模式。然后中間節(jié)點(diǎn)130執(zhí)行中繼并且整個(gè)系統(tǒng)仍然實(shí)現(xiàn)功率降低。
節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)附圖4所示根據(jù)本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)400。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括連接到發(fā)射塊410和接收塊450的天線405。發(fā)射和接收塊通過開關(guān)491-492彼此耦合。此外，節(jié)點(diǎn)包括處理器480和模式選擇器490。
發(fā)射塊410包括編碼器440、發(fā)射器420和放大器430。接收塊包括接收器460和解碼器470。
節(jié)點(diǎn)操作發(fā)射塊410編碼、調(diào)制和放大信號111。該信號可以源自本地或其它的節(jié)點(diǎn)。
接收塊鏈450對所接收的信號411進(jìn)行解調(diào)并解碼。接收器塊460的輸出是包括消息113并導(dǎo)入到處理器480的位流，該位流在開關(guān)491處于“0”(切斷)位置時(shí)進(jìn)入發(fā)射器以便中繼或者在開關(guān)491處于“1”(接通)位置時(shí)進(jìn)入解碼器470。解碼器470對位流461進(jìn)行解碼并校正位錯(cuò)誤。
在解碼之后，消息113被重構(gòu)，并且對于再生模式如果開關(guān)492在“0”位置則通過發(fā)射鏈410發(fā)送，或者如果處理單元480確定希望消息113用于本地節(jié)點(diǎn)則將其傳送到本地節(jié)點(diǎn)495。
處理器480連續(xù)地處理所接收的消息并確定該消息是否是中繼控制消息、中繼數(shù)據(jù)或者用于本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。處理器也確定開關(guān)491-492的設(shè)置。如果數(shù)據(jù)是中繼數(shù)據(jù)，則通過模式選擇器490確定轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)的模式，例如再生模式或者中繼模式。這種決定作為節(jié)省的功能進(jìn)行，并且因此設(shè)定了開關(guān)491和492。
雖然通過優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以做出各種其它的修改或改進(jìn)。因此，附加的權(quán)利要求的目的是覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的所有的變型和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)中減小功率消耗的方法，包括在源節(jié)點(diǎn)上確定使用放大模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第一功率需求；在源節(jié)點(diǎn)上確定使用再生模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第二功率需求；和將中繼請求消息發(fā)送給該中間節(jié)點(diǎn)，該中繼請求消息包括第一和第二功率需求。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中源節(jié)點(diǎn)通過下式確定在從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的直達(dá)路徑上所要求的傳輸功率αteAB=αredabγ10xab/10,]]>瓦這里αre滿足誤碼率需求Pre在目的節(jié)點(diǎn)上所要求的接收功率，γ是路徑損失指數(shù)，和xab是以分貝為單位的陰影損失。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中功率節(jié)省是第一或第二功率需求分別和在直達(dá)路徑上所要求的發(fā)射功率(αteA，αteC)之間的差值，并進(jìn)一步包括通過下式確定使用再生模式的功率節(jié)省Δαregen=αteA+αteC-αteAB+Pc.]]>
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中在中間節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)上的最佳誤碼率分別是(*Preac，*Precb)，對于中繼模式的誤碼率需求Preac*+Precb*=Pre]]>滿足ln(dacγ10xac/10dcbγ10xcb/10)=ln(Q-1(log2M(1-1/M)(Preab-Preac)))+(erf-1(1-2log2M(1-1/M)(Preab-Preac))2--(erf-1(1-2log2M4(1-1/M)Preac))2-ln(Q-1(2log2M4(1-1/M)Preac))]]>并且通過Precb*=Pre-Preac*]]>得到*Precb。
全文摘要
本發(fā)明涉及在包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多跳躍無線通信網(wǎng)絡(luò)中減小功耗的方法。在源節(jié)點(diǎn)上確定使用放大模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第一功率需求。在源節(jié)點(diǎn)上也確定使用再生模式通過中間節(jié)點(diǎn)將信號中繼給目的節(jié)點(diǎn)的第二功率需求。將中繼請求消息發(fā)送給中間節(jié)點(diǎn)，該中繼請求消息包括第一和第二功率需求。
文檔編號H04L12/28GK1736071SQ200480000028
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月21日
發(fā)明者菲利普·歐里克, 扎菲爾·薩欣奧格盧, 張錦云 申請人:三菱電機(jī)株式會(huì)社