專利名稱：集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，主要針對無線多跳接入網(wǎng)絡(luò)的功率控制困難問題，提出了一種基于IEEE 802.16的無線多跳接入網(wǎng)系統(tǒng)(Wireless Mesh Networks)。無線多跳接入網(wǎng)作為一種新型的接入網(wǎng)絡(luò)，是對無線城域網(wǎng)技術(shù)WiMAX(worldwide interoperability formicrowave access)的擴展，是未來無線網(wǎng)絡(luò)的演進發(fā)展趨勢之一。
背景技術(shù)：
無線多跳接入網(wǎng)絡(luò)是一種高容量高速率的多點到多點的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，每個用戶節(jié)點在收發(fā)業(yè)務(wù)的同時可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其它用戶節(jié)點的信息，與移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有類似網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，具有一定的自配置、自組織與自管理特性，但無線網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)通常由若干節(jié)點提供基站的功能，使Mesh網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)聯(lián)接，節(jié)點也可以不經(jīng)過基站和網(wǎng)絡(luò)中的任意其他點進行通信，可以解決無線接入“最后一英里”的瓶頸問題。
基于Mesh模式的無線多跳接入網(wǎng)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點通過Ad Hoc的方式組織形成網(wǎng)絡(luò)，除了產(chǎn)生業(yè)務(wù)外，節(jié)點還需要合作轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)中通常由若干節(jié)點提供基站(BS)的功能，提供Mesh網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)的聯(lián)接，同時，節(jié)點也可以不經(jīng)過BS，而和網(wǎng)絡(luò)中的任意其他點進行通信。基于Mesh模式的無線城域網(wǎng)可以采用兩種調(diào)度機制集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。在集中式調(diào)度中，Mesh BS先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的Mesh SS信息建立相應的調(diào)度樹，Mesh用戶站(SS)則通過調(diào)度樹向Mesh BS發(fā)送自己的資源請求信息。Mesh BS根據(jù)自身所收集到的所有資源請求信息，對Mesh SS的請求做出回應，安排相應的時隙給相應的Mesh SS節(jié)點。在其集中式調(diào)度下，Mesh BS決定在不同時隙內(nèi)各個節(jié)點對信道的共享，這是由于所有的控制包和數(shù)據(jù)包都需要經(jīng)過Mesh BS。在分布式調(diào)度中，節(jié)點根據(jù)兩跳鄰域內(nèi)的信息采用協(xié)議所提供的偽隨機算法競爭接入信道，根據(jù)節(jié)點間的請求-許可-確認三次握手分配數(shù)據(jù)子幀，分布式調(diào)度在連接建立和數(shù)據(jù)傳輸方面更為靈活有效。
由于無線多跳接入網(wǎng)采用分布式組網(wǎng)方式，節(jié)點之間采用多跳的形式進行傳輸，因此它也存在分布式多跳網(wǎng)絡(luò)所固有的問題，其中一個重要的問題就是傳輸功率的管理問題。由于在實際通信系統(tǒng)中，無線環(huán)境是始終變化的。不同的空間環(huán)境、地形變化以及傳播環(huán)境的不同都會引起傳輸范圍的不同，而傳輸距離的不同也導致了節(jié)點的發(fā)射功率不同一方面，較大的傳輸范圍必然導致較高的發(fā)送功率，但是這樣會降低分布式網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)度，同時使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能量問題更加突出。另一方面，較小的發(fā)射功率可以使得網(wǎng)絡(luò)中同時有更多的傳輸同時進行，大幅度的提高系統(tǒng)的吞吐量，但是有可能出現(xiàn)由于傳輸范圍過小導致網(wǎng)絡(luò)被分割的問題。為了能夠在保證原有網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不變的情況下獲得最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因此需要對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點功率分配及控制提出一個合理的解決方法。
現(xiàn)有分布式網(wǎng)絡(luò)一般將功率控制分成兩類，一類是將功率控制視為一種分布式網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層解決方案，將節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的消耗作為功率控制算法所要考慮的首要因素，而將網(wǎng)絡(luò)吞吐量作為次要因素。該思想是將節(jié)點的功率因素作為網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，應用到相應的路由選擇算法中(例如節(jié)點每數(shù)據(jù)包所耗費的能量、節(jié)點剩余能量等等)。同時，該方案不僅只針對于采用全向天線的分布式網(wǎng)絡(luò)，同時對采取定向天線的分布式網(wǎng)絡(luò)同樣適用。
而另一種功率控制算法將功率控制看作是MAC層的解決方案，是將網(wǎng)絡(luò)吞吐量作為功率控制算法所要考慮的首要因素，而將網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能作為次要因素?；谠撍枷胩岢隽艘环N基于節(jié)點自身階梯阻抗諧振器(SIR)進行功率調(diào)整的實時分布式功率控制機制。除此之外，其它的功率控制方法將蜂窩結(jié)構(gòu)引入了分布式網(wǎng)絡(luò)中，從而采用分簇的思想對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行功率控制，而每一個簇頭即相當于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提高無線多跳接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，從系統(tǒng)吞吐量，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能等各方面出發(fā)，并根據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)速率要求，針對無線多跳接入網(wǎng)的自身特點，提出一種兼顧節(jié)點業(yè)務(wù)速率、系統(tǒng)吞吐量及網(wǎng)絡(luò)能耗、適用于無線多跳接入網(wǎng)的全方面功率管理可行性方法，以力圖通過該功率管理辦法改善無線多跳接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明可直接應用于無線多跳接入網(wǎng)，包括基于IEEE 802.16的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，因此說明書中的詳細說明以基于IEEE 802.16的無線Mesh城域網(wǎng)系統(tǒng)作為實例。
本發(fā)明的技術(shù)方案在于第一步，根據(jù)無線多跳接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點業(yè)務(wù)速率計算業(yè)務(wù)初始發(fā)射功率；第二步，在路由更新周期內(nèi)，兼顧維護路由樹所需要的最小發(fā)射功率，采用改進的分布式迭代功率控制算法計算每一幀內(nèi)的發(fā)射功率；第三步，在每一幀傳輸結(jié)束后，對該幀內(nèi)的發(fā)射功率進行統(tǒng)計，并計算下一幀的初始發(fā)射功率；第四步，對該超幀內(nèi)的發(fā)射功率進行統(tǒng)計，并計算下一超幀的初始發(fā)射功率。重復第二步、第三步和第四步，直至節(jié)點傳輸完成。
本發(fā)明的有益效果在于，與傳統(tǒng)的分布式功率控制方法相比，該方法能夠更好的適應無線多跳接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性，并且能夠很好的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低網(wǎng)絡(luò)能耗，并且保障在信噪比估計錯誤的情況下實現(xiàn)分布式功率控制算法的快速收斂。通過本方法，可使節(jié)點的功率管理機制與傳輸業(yè)務(wù)速率相結(jié)合，做到更為合理和靈活的功率控制，從而能夠更好地解決未來無線多跳接入網(wǎng)移動通信系統(tǒng)中所出現(xiàn)的功率問題。


圖1 IEEE 802.16無線Mesh網(wǎng)絡(luò)子幀結(jié)構(gòu)2基于無線多跳接入網(wǎng)的功率管理方法流程3基于無線多跳接入網(wǎng)的功率管理方法框架流程圖具體實施方式
在對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明前，先對幾個名詞進行解釋業(yè)務(wù)持續(xù)時間(TDtraffic duration)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點一次業(yè)務(wù)的持續(xù)時間，該時間是一個隨機變量，并且根據(jù)業(yè)務(wù)的不同而有所不同。
路由樹更新時間(RTUTrouting tree update time)集中式無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由樹的更新時間，一般為一個或多個超幀的長度(毫秒級)。
最大迭代長度(MILiterative length)該長度為避免由于SIR接收錯誤而導致功率控制算法不收斂而設(shè)置的最大迭代次數(shù)。
下面以IEEE 802.16無線Mesh網(wǎng)絡(luò)為例來詳細說明無線多跳接入網(wǎng)的功率管理方法。
圖1是IEEE 802.16無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的子幀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，一個Mesh幀包含一個控制子幀和一個數(shù)據(jù)子幀?？刂谱訋膬蓚€基本功能是網(wǎng)絡(luò)控制(network control)建立和維護不同系統(tǒng)的結(jié)合(cohesion)。
調(diào)度控制(schedule control)協(xié)調(diào)和調(diào)度系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。
從圖1可以看出，有的幀由網(wǎng)絡(luò)控制子幀和數(shù)據(jù)子幀構(gòu)成，這樣的幀稱為控制幀。類似的，由調(diào)度控制子幀和數(shù)據(jù)子幀構(gòu)成的幀稱為調(diào)度幀?？刂茙凑找欢ǖ拈g隔周期發(fā)送，在控制幀的間隔內(nèi)發(fā)送調(diào)度幀。在IEEE 802.16d標準中規(guī)定，控制子幀的長度是固定的(為MSH_CTRL_LEN×7個ODFM(正交頻分復用)符號)?？刂谱訋淖钋耙唤M7個符號用于網(wǎng)絡(luò)接入，接下來的(MSH_CTRL_LEN-1)×7個符號用于網(wǎng)絡(luò)配置。網(wǎng)絡(luò)描述器會指明一個調(diào)度子幀里分布調(diào)度消息(MSH_DSCH_NUM)的個數(shù)前(MSH_CTRL_LEN-MSH_DSCH_NUM)×7個符號包含MSH_CSCD和MSH_CSCF PDU的傳輸突發(fā)，其余的分配給包含MSH_DSCH PDU的傳輸突發(fā)。在不與控制子幀里的調(diào)度消息沖突的前提下，分布調(diào)度消息也可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)子幀里。
圖2和圖3是基于無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法的具體實現(xiàn)流程
假設(shè)無線多跳接入網(wǎng)的RTUT為T2，IL為v0，信道帶寬為B；網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點i的TD為T1，業(yè)務(wù)速率為R，接收節(jié)點為j，它們之間的信道增益為Gij(1)計算該節(jié)點在整個TD內(nèi)的初始發(fā)射功率。已知節(jié)點的業(yè)務(wù)速率Ri，信道帶寬B，由仙農(nóng)公式Ri＝Blog2(1+S/N)(1)可得，S=(2RiB-1)×N---(2)]]>其中N為背景噪聲，S為在保證傳輸速率Ri下，接收節(jié)點j所需要的最小接收功率值。由此可的節(jié)點i的發(fā)送功率為pi=S×Gij=(2RiB-1)×N×Gij---(3)]]>同時由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的集中式調(diào)度是基于已經(jīng)建立好的路由樹，因此傳輸必須保證路由樹的結(jié)構(gòu)在T2時間內(nèi)不改變，即對于節(jié)點i而言，該次業(yè)務(wù)傳輸?shù)某跏脊β蕿閜i_Init0=max[(2RitB-1)×N×Gij,ptree]]]>其中ptree＝Gij×ptree_threshold，ptree_threshold為保證節(jié)點間連接的接收門限值，ptree為節(jié)點保證樹型路由所需的最小發(fā)射功率。
(2)假設(shè)路由更新周期T2包括T幀，則在T2內(nèi)每一幀t內(nèi)，對于接收節(jié)點j，成功接收數(shù)據(jù)需要保證其收到的信噪比SIR值大于某一個特定的門限值，即γj=PjrIall+N>μ---(5)]]>其中γj為節(jié)點j的接收信噪比，Pjr為節(jié)點j的接收功率，Iall為該節(jié)點所收到的干擾，N為背景噪聲，μ為接收信噪比門限。
由于無線多跳接入網(wǎng)具有分布式特性，因此可以借鑒現(xiàn)有技術(shù)中的分布式功率控制機制，對其做出相應的修改，使其更加符合集中式多跳網(wǎng)絡(luò)的特點，具體如下接收端j根據(jù)接收到的SIR值來判斷數(shù)據(jù)是否正確接收，同時將接收到的SIR值和干擾值加入到公共信號信道(CSCH)消息中，并且在CSCH機會時發(fā)送給其父節(jié)點i。到下一次發(fā)送時，發(fā)射機i根據(jù)接收到的SIR值來調(diào)整自己的發(fā)射功率，并且同時監(jiān)視維護路由樹所必需的最小功率ptree，公式如下pi(k+1)=max[ptree,βγi(k)pi(k)]---(6)]]>pi(0)=pi_Init0t=0pi_Initt0<t≤T---(7)]]>同時為了避免由于SIR估計誤差所造成的迭代算法不收斂，我們設(shè)置了迭代算法的最大迭代次數(shù)(MIL)v0，當k＜v0時，采用由式(6)所定義的功率控制算法；當k≥v0時，則使用pi(k)=[Πj=v0kpi(j)]1k+1-v0]]>式作為k步迭代后的發(fā)射功率。
即pi(k)=max[ptree,βγi(k)pi(k-1)]k<v0[Πj=v0kpi(j)]1k+1-v0k≥v0---(8)]]>(3)在每一幀傳輸結(jié)束后，對節(jié)點i的傳輸功率進行數(shù)學平均，并將此平均發(fā)射功率作為下一幀節(jié)點i的初始發(fā)送功率，以達到功率逼近最佳傳輸功率和功率控制算法快速收斂的目的。
pi_Initt=1kΣj=0kpi(j)---(9)]]>(4)重復步驟(2)、(3)，直至該超幀結(jié)束，并將該超幀最后一幀的平均功率作為下一個超幀的初始發(fā)射功率，即pi_Init0=pi_InitT---(10)]]>(5)重復(2)、(3)、(4)，直至節(jié)點i的傳輸完成。
權(quán)利要求
1.一種集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，它兼顧節(jié)點業(yè)務(wù)速率、系統(tǒng)吞吐量及網(wǎng)絡(luò)能耗，適用于無線多跳接入網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，其特征在于該方法包括以下步驟，第一步，根據(jù)節(jié)點業(yè)務(wù)速率計算并選擇該業(yè)務(wù)的初始發(fā)射功率；第二步，在路由更新周期內(nèi)，考慮維護路由樹所需要的最小發(fā)射功率、信噪比SIR誤差、功率控制算法收斂情況，采用分布式迭代功率控制算法計算每一幀內(nèi)的發(fā)射功率；第三步，在每一幀傳輸結(jié)束后，對該幀內(nèi)的發(fā)射功率進行統(tǒng)計，并計算下一幀的初始發(fā)射功率；第四步，對該超幀內(nèi)的發(fā)射功率進行統(tǒng)計，并計算下一超幀的初始發(fā)射功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于在第一步中，發(fā)送端根據(jù)業(yè)務(wù)速率，采用仙農(nóng)公式估算出該次發(fā)業(yè)務(wù)發(fā)送所需的初始發(fā)射功率，并根據(jù)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的信令交換信息得到網(wǎng)絡(luò)的路由樹結(jié)構(gòu)以及相應的路由樹拓撲結(jié)構(gòu)信息，從所獲得的信息和相應的計算結(jié)果中選擇合適的初始發(fā)射功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于在第二步中，接收端根據(jù)接收到的SIR值來判斷數(shù)據(jù)是否正確接收，同時將接收到的SIR值和干擾值等信息加入到公共信道消息中，將其反饋給發(fā)送端；發(fā)送端根據(jù)接收到的相應SIR值來調(diào)整自己下一次發(fā)送的發(fā)射功率，并且監(jiān)視維護路由樹所必需的最小功率；同時為了避免因信噪比SIR測量或傳輸所引起的誤差，發(fā)射端監(jiān)視相應的功率調(diào)整迭代次數(shù)，若迭代次數(shù)大于某一門限值，則發(fā)射端采用相應的強制策略來調(diào)整下一次發(fā)送所需的發(fā)射功率，以保證該分布式迭代算法能夠迅速收斂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于在第三步中，在每一幀傳輸結(jié)束后，對該幀內(nèi)的發(fā)射功率進行的統(tǒng)計是對節(jié)點傳輸功率進行的數(shù)學平均，并將此平均發(fā)射功率作為下一幀節(jié)點的初始發(fā)送功率，以使功率逼近最佳傳輸功率，并使功率控制算法快速收斂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于在第四步結(jié)束后，如果不是超幀尾，則重復第二步和第三步，直至該超幀結(jié)束，并將該超幀最后一幀的平均功率作為下一個超幀的初始發(fā)射功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于重復第二步、第三步和第四步，直至該次業(yè)務(wù)傳輸完畢。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于該無線多跳接入網(wǎng)特別適用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(即無線Mesh網(wǎng)絡(luò))。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于對于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)來說，其幀結(jié)構(gòu)包含一個具有網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)度控制功能的控制子幀和一個數(shù)據(jù)子幀。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于對于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)來說，如果其幀結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)控制子幀和數(shù)據(jù)子幀構(gòu)成的，稱為控制幀；如果是由調(diào)度控制子幀和數(shù)據(jù)子幀構(gòu)成的，則稱為調(diào)度幀。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，其特征在于控制子幀的最前一組7個符號是用于網(wǎng)絡(luò)接入的符號，接下來的7個符號是用于網(wǎng)絡(luò)配置的符號。
全文摘要
提出了一種集中式無線多跳接入網(wǎng)的功率控制方法，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的業(yè)務(wù)速率進行初始發(fā)射功率的計算，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲等信息選擇合適的功率作為初始發(fā)射功率，隨后在此初始功率基礎(chǔ)上對每幀內(nèi)的傳輸進行分布式功率控制調(diào)整，并充分考慮了因信道質(zhì)量引起的信噪比SIR測量或傳輸誤差、功率控制算法收斂情況等可能出現(xiàn)的多種因素，最后對幀內(nèi)的傳輸功率進行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結(jié)果作為下一幀的功率調(diào)整基礎(chǔ)。本方法考慮了無線通信及無線多跳接入網(wǎng)的特點，結(jié)合了集中式和分布式網(wǎng)絡(luò)功率控制各自的優(yōu)勢，能夠很好的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低網(wǎng)絡(luò)能耗，增強網(wǎng)絡(luò)性能。
文檔編號H04L12/56GK101013912SQ20071006355
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月5日
發(fā)明者吳振華, 彭木根, 王文博 申請人:北京郵電大學