CN101013912A - 集中式无线多跳接入网的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种集中式无线多跳接入网的功率控制方法，它根据网络节点的业务速率进行初始发射功率的计算，并根据网络拓扑等信息选择合适的功率作为初始发射功率，随后在此初始功率基础上对每帧内的传输进行分布式功率控制调整，并充分考虑了因信道质量引起的信噪比SIR测量或传输误差、功率控制算法收敛情况等可能出现的多种因素，最后对帧内的传输功率进行统计，并将统计结果作为下一帧的功率调整基础。本方法考虑了无线通信及无线多跳接入网的特点，结合了集中式和分布式网络功率控制各自的优势，能够很好的提高网络吞吐量和降低网络能耗，增强网络性能。

Description

集中式无线多跳接入网的功率控制方法

技术领域

本发明属于通信领域，主要针对无线多跳接入网络的功率控制困难问题，提出了一种基于IEEE 802.16的无线多跳接入网系统(Wireless Mesh Networks)。无线多跳接入网作为一种新型的接入网络，是对无线城域网技术WiMAX(worldwide interoperability formicrowave access)的扩展，是未来无线网络的演进发展趋势之一。

背景技术

无线多跳接入网络是一种高容量高速率的多点到多点的无线多跳网络，每个用户节点在收发业务的同时可以转发来自其它用户节点的信息，与移动Ad hoc网络具有类似网络拓扑结构，具有一定的自配置、自组织与自管理特性，但无线网状(Mesh)网络通常由若干节点提供基站的功能，使Mesh网络和骨干网联接，节点也可以不经过基站和网络中的任意其他点进行通信，可以解决无线接入“最后一英里”的瓶颈问题。

基于Mesh模式的无线多跳接入网采用网状结构，节点通过Ad Hoc的方式组织形成网络，除了产生业务外，节点还需要合作转发邻居节点的数据包。网络中通常由若干节点提供基站(BS)的功能，提供Mesh网络和骨干网的联接，同时，节点也可以不经过BS，而和网络中的任意其他点进行通信。基于Mesh模式的无线城域网可以采用两种调度机制：集中式调度和分布式调度。在集中式调度中，Mesh BS先根据网络中的Mesh SS信息建立相应的调度树，Mesh用户站(SS)则通过调度树向Mesh BS发送自己的资源请求信息。Mesh BS根据自身所收集到的所有资源请求信息，对Mesh SS的请求做出回应，安排相应的时隙给相应的Mesh SS节点。在其集中式调度下，Mesh BS决定在不同时隙内各个节点对信道的共享，这是由于所有的控制包和数据包都需要经过Mesh BS。在分布式调度中，节点根据两跳邻域内的信息采用协议所提供的伪随机算法竞争接入信道，根据节点间的请求-许可-确认三次握手分配数据子帧，分布式调度在连接建立和数据传输方面更为灵活有效。

由于无线多跳接入网采用分布式组网方式，节点之间采用多跳的形式进行传输，因此它也存在分布式多跳网络所固有的问题，其中一个重要的问题就是传输功率的管理问题。由于在实际通信系统中，无线环境是始终变化的。不同的空间环境、地形变化以及传播环境的不同都会引起传输范围的不同，而传输距离的不同也导致了节点的发射功率不同：一方面，较大的传输范围必然导致较高的发送功率，但是这样会降低分布式网络的并发度，同时使网络中的节点能量问题更加突出。另一方面，较小的发射功率可以使得网络中同时有更多的传输同时进行，大幅度的提高系统的吞吐量，但是有可能出现由于传输范围过小导致网络被分割的问题。为了能够在保证原有网络的拓扑结构不变的情况下获得最大的网络吞吐量，因此需要对网络中的节点功率分配及控制提出一个合理的解决方法。

现有分布式网络一般将功率控制分成两类，一类是将功率控制视为一种分布式网络的网络层解决方案，将节省网络的消耗作为功率控制算法所要考虑的首要因素，而将网络吞吐量作为次要因素。该思想是将节点的功率因素作为网络的参数，应用到相应的路由选择算法中(例如节点每数据包所耗费的能量、节点剩余能量等等)。同时，该方案不仅只针对于采用全向天线的分布式网络，同时对采取定向天线的分布式网络同样适用。

而另一种功率控制算法将功率控制看作是MAC层的解决方案，是将网络吞吐量作为功率控制算法所要考虑的首要因素，而将网络的节能作为次要因素。基于该思想提出了一种基于节点自身阶梯阻抗谐振器(SIR)进行功率调整的实时分布式功率控制机制。除此之外，其它的功率控制方法将蜂窝结构引入了分布式网络中，从而采用分簇的思想对网络中的节点进行功率控制，而每一个簇头即相当于蜂窝网络中的基站。

发明内容

本发明的目的在于提高无线多跳接入网的网络性能，从系统吞吐量，网络节能等各方面出发，并根据业务的业务速率要求，针对无线多跳接入网的自身特点，提出一种兼顾节点业务速率、系统吞吐量及网络能耗、适用于无线多跳接入网的全方面功率管理可行性方法，以力图通过该功率管理办法改善无线多跳接入网的网络性能。本发明可直接应用于无线多跳接入网，包括基于IEEE 802.16的无线Mesh网络，因此说明书中的详细说明以基于IEEE 802.16的无线Mesh城域网系统作为实例。

本发明的技术方案在于：第一步，根据无线多跳接入网网络节点业务速率计算业务初始发射功率；第二步，在路由更新周期内，兼顾维护路由树所需要的最小发射功率，采用改进的分布式迭代功率控制算法计算每一帧内的发射功率；第三步，在每一帧传输结束后，对该帧内的发射功率进行统计，并计算下一帧的初始发射功率；第四步，对该超帧内的发射功率进行统计，并计算下一超帧的初始发射功率。重复第二步、第三步和第四步，直至节点传输完成。

本发明的有益效果在于，与传统的分布式功率控制方法相比，该方法能够更好的适应无线多跳接入网的网络特性，并且能够很好的提高网络吞吐量和降低网络能耗，并且保障在信噪比估计错误的情况下实现分布式功率控制算法的快速收敛。通过本方法，可使节点的功率管理机制与传输业务速率相结合，做到更为合理和灵活的功率控制，从而能够更好地解决未来无线多跳接入网移动通信系统中所出现的功率问题。

附图说明

图1 IEEE 802.16无线Mesh网络子帧结构图

图2基于无线多跳接入网的功率管理方法流程图

图3基于无线多跳接入网的功率管理方法框架流程图

具体实施方式

在对本发明的具体实施方式进行说明前，先对几个名词进行解释：

业务持续时间：(TD：traffic duration)网络中节点一次业务的持续时间，该时间是一个随机变量，并且根据业务的不同而有所不同。

路由树更新时间：(RTUT：routing tree update time)集中式无线多跳网络路由树的更新时间，一般为一个或多个超帧的长度(毫秒级)。

最大迭代长度：(MIL：iterative length)该长度为避免由于SIR接收错误而导致功率控制算法不收敛而设置的最大迭代次数。

下面以IEEE 802.16无线Mesh网络为例来详细说明无线多跳接入网的功率管理方法。

图1是IEEE 802.16无线Mesh网络的子帧结构图，如图1所示，一个Mesh帧包含一个控制子帧和一个数据子帧。控制子帧的两个基本功能是：

网络控制(network control)：建立和维护不同系统的结合(cohesion)。

调度控制(schedule control)：协调和调度系统间的数据传输。

从图1可以看出，有的帧由网络控制子帧和数据子帧构成，这样的帧称为控制帧。类似的，由调度控制子帧和数据子帧构成的帧称为调度帧。控制帧按照一定的间隔周期发送，在控制帧的间隔内发送调度帧。在IEEE 802.16d标准中规定，控制子帧的长度是固定的(为MSH_CTRL_LEN×7个ODFM(正交频分复用)符号)。控制子帧的最前一组7个符号用于网络接入，接下来的(MSH_CTRL_LEN-1)×7个符号用于网络配置。网络描述器会指明一个调度子帧里分布调度消息(MSH_DSCH_NUM)的个数：前(MSH_CTRL_LEN-MSH_DSCH_NUM)×7个符号包含MSH_CSCD和MSH_CSCF PDU的传输突发，其余的分配给包含MSH_DSCH PDU的传输突发。在不与控制子帧里的调度消息冲突的前提下，分布调度消息也可能出现在数据子帧里。

图2和图3是基于无线多跳接入网的功率控制方法的具体实现流程：

假设无线多跳接入网的RTUT为T2，IL为v₀，信道带宽为B；网络中某节点i的TD为T1，业务速率为R，接收节点为j，它们之间的信道增益为G_ij：

(1)计算该节点在整个TD内的初始发射功率。已知节点的业务速率R_i，信道带宽B，由仙农公式：

R_i＝Blog₂(1+S/N)    (1)

可得，

$S=(2^{\frac{R_i}{B}}-1)\×N---\left(2\right)$

其中N为背景噪声，S为在保证传输速率R_i下，接收节点j所需要的最小接收功率值。由此可的节点i的发送功率为：

$p_i=S\×G_{\mathrm{ij}}=(2^{\frac{R_i}{B}}-1)\×N\×G_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

同时由于无线Mesh网络的集中式调度是基于已经建立好的路由树，因此传输必须保证路由树的结构在T2时间内不改变，即对于节点i而言，该次业务传输的初始功率为：

$p_{i\_\mathrm{Init}}^0=\max [(2^{\frac{R_i^t}{B}}-1)\×N\×G_{\mathrm{ij}},p_{\mathrm{tree}}]$

其中p_tree＝G_ij×p_{tree_threshold}，p_{tree_threshold}为保证节点间连接的接收门限值，p_tree为节点保证树型路由所需的最小发射功率。

(2)假设路由更新周期T2包括T帧，则在T2内每一帧t内，对于接收节点j，成功接收数据需要保证其收到的信噪比SIR值大于某一个特定的门限值，即：

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_j^r}{I_{\mathrm{all}}+N}>\mathrm{\μ}---\left(5\right)$

其中γ_j为节点j的接收信噪比，P_j ^r为节点j的接收功率，I_all为该节点所收到的干扰，N为背景噪声，μ为接收信噪比门限。

由于无线多跳接入网具有分布式特性，因此可以借鉴现有技术中的分布式功率控制机制，对其做出相应的修改，使其更加符合集中式多跳网络的特点，具体如下：

接收端j根据接收到的SIR值来判断数据是否正确接收，同时将接收到的SIR值和干扰值加入到公共信号信道(CSCH)消息中，并且在CSCH机会时发送给其父节点i。到下一次发送时，发射机i根据接收到的SIR值来调整自己的发射功率，并且同时监视维护路由树所必需的最小功率p_tree，公式如下：

$p_i(k+1)=\max [p_{\mathrm{tree}},\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\γ}}_i\left(k\right)}{p}_i\left(k\right)]---\left(6\right)$

$p_i\left(0\right)=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{i\_\mathrm{Init}}^0& t=0\\ p_{i\_\mathrm{Init}}^t& 0<t\&le;T\end{array}\right.---\left(7\right)$

同时为了避免由于SIR估计误差所造成的迭代算法不收敛，我们设置了迭代算法的最大迭代次数(MIL)v₀，当k＜v₀时，采用由式(6)所定义的功率控制算法；当k≥v₀时，则使用 $p_i\left(k\right)={\left[\underset{j=v_0}{\overset{k}{\mathrm{\&Pi;}}}{p}_i\left(j\right)\right]}^{\frac{1}{k+1-v_0}}$ 式作为k步迭代后的发射功率。

即

$p_i\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\max [p_{\mathrm{tree}},\frac{\mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{\&gamma;}}_i\left(k\right)}{p}_i(k-1)]& k<v_0\\ {\left[\underset{j=v_0}{\overset{k}{\mathrm{\&Pi;}}}{p}_i\left(j\right)\right]}^{\frac{1}{k+1-v_0}}& k\&GreaterEqual;v_0\end{array}\right.---\left(8\right)$

(3)在每一帧传输结束后，对节点i的传输功率进行数学平均，并将此平均发射功率作为下一帧节点i的初始发送功率，以达到功率逼近最佳传输功率和功率控制算法快速收敛的目的。

$p_{i\_\mathrm{Init}}^t=\frac{1}{k}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i^{\left(j\right)}---\left(9\right)$

(4)重复步骤(2)、(3)，直至该超帧结束，并将该超帧最后一帧的平均功率作为下一个超帧的初始发射功率，即

$p_{i\_\mathrm{Init}}^0=p_{i\_\mathrm{Init}}^T---\left(10\right)$

(5)重复(2)、(3)、(4)，直至节点i的传输完成。

Claims (10)

1.一种集中式无线多跳接入网的功率控制方法，它兼顾节点业务速率、系统吞吐量及网络能耗，适用于无线多跳接入网无线通信系统，其特征在于：该方法包括以下步骤，

第一步，根据节点业务速率计算并选择该业务的初始发射功率；

第二步，在路由更新周期内，考虑维护路由树所需要的最小发射功率、信噪比SIR误差、功率控制算法收敛情况，采用分布式迭代功率控制算法计算每一帧内的发射功率；

第三步，在每一帧传输结束后，对该帧内的发射功率进行统计，并计算下一帧的初始发射功率；

第四步，对该超帧内的发射功率进行统计，并计算下一超帧的初始发射功率。

2.根据权利要求1所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

在第一步中，发送端根据业务速率，采用仙农公式估算出该次发业务发送所需的初始发射功率，并根据无线多跳网络中的信令交换信息得到网络的路由树结构以及相应的路由树拓扑结构信息，从所获得的信息和相应的计算结果中选择合适的初始发射功率。

3.根据权利要求1所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

在第二步中，接收端根据接收到的SIR值来判断数据是否正确接收，同时将接收到的SIR值和干扰值等信息加入到公共信道消息中，将其反馈给发送端；发送端根据接收到的相应SIR值来调整自己下一次发送的发射功率，并且监视维护路由树所必需的最小功率；同时为了避免因信噪比SIR测量或传输所引起的误差，发射端监视相应的功率调整迭代次数，若迭代次数大于某一门限值，则发射端采用相应的强制策略来调整下一次发送所需的发射功率，以保证该分布式迭代算法能够迅速收敛。

4.根据权利要求1所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

在第三步中，在每一帧传输结束后，对该帧内的发射功率进行的统计是对节点传输功率进行的数学平均，并将此平均发射功率作为下一帧节点的初始发送功率，以使功率逼近最佳传输功率，并使功率控制算法快速收敛。

5.根据权利要求1所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

在第四步结束后，如果不是超帧尾，则重复第二步和第三步，直至该超帧结束，并将该超帧最后一帧的平均功率作为下一个超帧的初始发射功率。

6.根据权利要求1或5所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

重复第二步、第三步和第四步，直至该次业务传输完毕。

7.根据权利要求1所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

该无线多跳接入网特别适用于无线网状网络(即无线Mesh网络)。

8.根据权利要求7所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

对于无线Mesh网络来说，其帧结构包含一个具有网络控制和调度控制功能的控制子帧和一个数据子帧。

9.根据权利要求8所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

对于无线Mesh网络来说，如果其帧结构是由网络控制子帧和数据子帧构成的，称为控制帧；如果是由调度控制子帧和数据子帧构成的，则称为调度帧。

10.根据权利要求7或8所述的集中式无线多跳接入网的功率控制方法，其特征在于：

控制子帧的最前一组7个符号是用于网络接入的符号，接下来的7个符号是用于网络配置的符号。

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