CN101272343B - 扩频自组织网络随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种扩频自组织网络随机接入方法。在本发明中，网络节点将新到达的分组和需要重传的分组，缓存在等待发送的分组队列中，然后按照预定的发送频率和发射功率向目标节点发送分组，目标节点接收到分组后回复确认分组，如果网络节点接收到确认分组，则从等待发送分组队列中取出新的分组进行发送，否则将该分组放入到等待发送的分组队列中，重传该分组。在本发明中，预定的发送频率由随机数产生器进行控制，预定的发射功率取值取决于具体的网络参数。本发明在保证分组具有较高传输效率的同时，降低了多用户干扰功率，从而允许较多的接入用户数量，进而提高了网络的传输性能。本发明原理简单，易于实现，便于应用于自组织网络通信设备之中。

Description

扩频自组织网络随机接入方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于扩频自组织网络的随机接入方法，具体是一种通过调节网络节点发送分组的频率和发射功率提高网络传输性能的扩频自组织网络随机接入方法，属于自组织网络接入方法的技术领域。

背景技术

自组织网络无需依赖网络基础设施便可实现节点(用户)之间的通信，具有部署迅速、组网灵活、抗毁性强等特点，是无线通信网络演进和发展的重要方向之一。近年来得到广泛关注的无线局域网WLAN(IEEE 802.11系列规范)、无线个人区域网WPAN(IEEE 802.15规范)、无线城域网WMAN(IEEE 802.16系列规范)、无线传感器网络以及网格网络(MESH网)等均把支持自组织方式组网作为重要内容。根据节点信息速率与其占用的系统传输带宽之间的关系，可以将目前广泛研究的自组织网络分为两类：窄带自组织网络和宽带自组织网络。前者每个节点的信息速率与其占用的传输带宽相差不多，在这类网络中，一个正在通信节点的传输范围内不能有其它节点发送数据，否则将发生冲突，导致所有节点发送的数据都接收失败，在这类研究中，大多采用基于时间分配机制的共享信道控制方法，以TDMA或CSMA协议为基础，并且衍生了多种改进版本，这类接入方法不允许多个节点并行随机接入，端到端接入时延较大。后者每个节点占用的传输带宽远大于信息传输速率，这类自组织网络通常以扩频传输为基础。

在扩频自组织网络中，一方面，在用户的传输范围内可以有多个用户同时通信，而不会相互冲突，允许网络节点以随机接入方式共享网络资源。另一方面，当用户的传输范围内没有其它用户通信时，传输范围之外的多个用户干扰功率的叠加却有可能导致该用户通信失败，因此为了使网络性能更优，需要对网络中的接入用户数量和发射功率施以限制。在扩频自组织网络中，节点发送分组的频率直接影响着接入用户的数量，节点发送频率越高通常意味着接入用户数量越多，过多的接入用户数量将带来严重的多用户干扰，降低数据分组成功传输概率，但是过于稀少的接入用户数量无法使网络资源得到充分利用。降低节点的发射功率通常是降低网络中多用户干扰功率的一种方法，但是节点发射功率的降低意味着节点一跳传输距离变短，数据分组需要经过更多的转发次数才能到达目标节点，那么，在此意义上，数据分组传输效率降低。这些相互作用、相互影响的关系表明，网络节点的发送频率和发射功率都会对网络的性能产生影响。

经对现有技术的文献检索发现，M.W.Chandra和B.L.Hughes在《IEEETransactions on Communications》vol.51，pp.22-24，January 2003上发表的“Optimizing information efficiency in a direct-sequence mobile packet radio network”(IEEE通信学报，2003年1月，第51卷，22到24页，直接序列移动分组无线网络中的最优信息效率)，提出了一种基于信息效率的节点发送频率和发射功率调节方法，信息效率尺度综合考虑了节点的吞吐性能和节点采用的调制编码方案的效率，采用这种方法可以使每个节点的信息发送效率达到最优。L.L.Zhang和B.H.Soong在《IEEE Communication Letters》vol.9，pp.985-987，November 2005上发表的“Multi-code multi-packet transmission(MCMPT)in wireless CDMA Ad Hocnetworks under Rayleigh fading channels”(IEEE通信快报，2005年11月，第9卷，985到986页，瑞利衰落信道环境下无线CDMAAd Hoc网络中的多码多包传输)，提出了瑞利衰落信道环境下，使节点吞吐量达到最优的节点发送频率和发射功率优化调节方法，并考虑了多码多包传输技术对自组织网络性能的影响。

上述文献认为，当网络节点的发送频率为p＝0.27时，扩频自组织网络的性能达到最优。然而，在上述现有技术中，节点发送频率和发射功率的调节方法均是从优化网络中单个节点传输性能角度来设计的，采用上述方法整个网络的性能并不能达到最优。自组织网络的传输性能除了与单个节点所能达到的传输性能有关外，还与网络能够允许的并行接入用户数量有关。从单个节点性能优化角度设计节点发送频率和发射功率，限制了网络所能够允许的接入用户数量，进而影响了整个网络的传输性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种扩频自组织网络随机接入方法，用于在不增加节点硬件成本的基础上，提高扩频自组织网络的传输性能。

在本发明中，网络节点将新到达的数据分组和因传输失败需要重新传输的分组，缓存在本节点等待发送的分组队列中，然后让网络节点在每个时隙内，以预定的节点发送频率和节点发射功率发送数据分组，在保证数据分组具有较高传输效率的同时，降低了网络中的多用户干扰功率，从而允许较多的接入用户数量，进而达到提高扩频自组织网络传输性能的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种扩频自组织网络随机接入方法，其主要步骤包括：

第一步：网络节点将数据分组缓存在本节点等待发送的分组队列中，数据分组包括新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组；

第二步：网络节点从本节点等待发送的分组队列中取出一个数据分组，根据数据分组中的目的地址确定该分组将要到达的目标节点；

第三步：网络节点按照预定的节点发送频率p和预定的节点发射功率P_T发送数据分组，网络节点在一个时隙开始时刻，启动随机数产生器，随机均匀产生一个1到1000之间的整数；判断该随机数是否小于等于555，如果小于等于555，则该节点在下一个时隙起始时刻以预定的节点发射功率P_T发送数据分组，进入步骤四；否则在下一个时隙内该节点不发送数据分组，重新执行步骤三；

第四步：目标节点接收到数据分组后回送确认分组，如果网络节点接收到目标节点回送的确认分组，则进入步骤二，否则，网络节点认为该数据分组传输失败需要重新传输，将该分组加入到本节点等待发送的分组队列中，进入步骤一。

在本发明所述的一种扩频自组织网络随机接入方法中，系统时间被划分为多个等长、连续的时隙，每个时隙的长度等于传输一个数据分组所需时间，网络节点在时隙开始时刻通过扩频传输方式发送数据分组。

本发明所述的预定的节点发射功率P_T应该保证在一个节点周围的所有节点中，不需要通过中间节点转发即可直接与该节点进行通信的节点数目N满足下面的关系式：

$N=\frac{\mathrm{\η}{(G_p/b)}^{2/\mathrm{\η}}\sin (2\mathrm{\π}/\mathrm{\η})}{4p\·\mathrm{\π}}$

上述式子中，η为路径衰耗因子，G_p为扩频增益，b为预定的门限信噪比，预定的门限信噪比由网络节点采用的信道编解码方案、调制解调方案、以及收信机能够允许的数据比特传输差错概率确定，p＝0.555为预定的节点发送频率，预定的节点发送频率由随机数产生器进行控制。

本发明所述的预定的节点发射功率P_T取值为：

$P_T=b(W+\frac{1}{G_p}\·\mathrm{\μ}){\left(\frac{N}{\mathrm{\λ\π}}\right)}^{\frac{\mathrm{\η}}{2}}$

式中W为背景噪声功率，μ为到达收信机的多用户干扰功率之和，λ为网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供了一种扩频自组织网络随机接入方法，用于提高自组织网络的传输性能。本发明在现有随机接入方法基础上，通过对网络节点的发送频率和发射功率进行调节，让网络节点以预定的节点发送频率和发射功率发送数据分组，在保证数据分组具有较高传输效率的同时，降低了网络中的多用户干扰功率，从而允许较多的接入用户数量，进而提高了自组织网络的传输性能。本发明原理简单，不增加节点硬件成本，易于实现，便于应用于自组织网络通信设备之中。

附图说明

图1示出了本发明的工作场景。图中，A为网络中任意选定的一个节点，位于虚线圆环内的节点，不需要通过中间节点转发即可与节点A直接进行通信。

图2示出了本发明的执行流程图。

图3示出了本发明与传统随机接入方法的网络传输性能的仿真比较。图中仿真条件为瑞利衰落信道环境，选取的路径衰耗因子η＝4，扩频增益G_p＝128，预定的门限信噪比b＝9.6dB，背景噪声功率W＝-144dB，到达收信机的多用户干扰功率之和μ＝-30dB，网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数λ＝2*10^-3/m²。

具体实施方式：

下面结合附图，具体说明本发明的工作原理。图1所示为本发明的工作场景，图中网络节点按照二维泊松点过程随机分布在网络覆盖区域内。图中，A为网络中任意选定的一个节点，位于虚线圆环内的节点，不需要通过中间节点转发即可与节点A直接进行通信。

本发明提供了一种扩频自组织网络随机接入方法。本发明的核心思想是：网络节点将新到达的数据分组和因传输失败需要重新传输的分组，缓存在本节点等待发送的分组队列中，然后让网络节点在每个时隙内以预定的节点发送频率p和节点发射功率P_T发送数据分组，通过为每个网络节点设定最优的节点发送频率p和发射功率P_T，在保证数据分组传输效率的同时，让网络中允许尽可能多的用户接入网络发送数据分组，从而提高扩频自组织网络的传输性能。

本发明提出的一种扩频自组织网络随机接入方法，其具体的执行流程如图2所示，包括以下主要步骤：

第一步：网络节点将数据分组缓存在本节点等待发送的分组队列中，数据分组包括新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组。将数据分组缓存在本节点等待发送的分组队列中，可以有多种方式，比如可以按照分组到达网络节点的时间先后顺序对分组进行缓存，将最先到达节点的数据分组排在分组队列的首部，此时不区分新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组，因传输失败需要重新传输的分组的到达时间记为该分组再次进入分组队列的时间，而不是该分组首次到达网络节点的时间；也可以区分新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组，将其排列在不同的子队列中，在每个子队列中按照到达网络节点的时间先后顺序对分组进行缓存，将最先到达节点的数据分组排在分组队列的首部。

第二步：网络节点从本节点等待发送的分组队列中取出一个数据分组，根据数据分组中的目的地址确定该分组将要达到的目标节点。如果本节点等待发送的分组队列中没有区分新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组，则从分组队列的首部取出一个分组，根据该分组中的目的地址，确定该分组将要达到的目标节点；如果新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组，被排列在不同的子队列中，则网络节点轮流从两个子队列的首部取出一个分组，即若本次取出的分组来自新到达的分组子队列中，则下次从因传输失败需要重新传输的分组子队列中取出一个分组。

第三步：系统时间被划分为多个等长、连续的时隙，每个时隙的长度等于传输一个数据分组所需时间，网络节点在每个时隙内以预定的节点发送频率p和节点发射功率P_T通过扩频传输方式将步骤二取出的分组发送到目标节点。为了使网络节点以p＝0.555的发送功率发送分组，网络节点中设置随机数产生器，网络节点在一个时隙开始时刻，启动随机数产生器，随机均匀产生一个1到1000之间的整数；判断该随机数是否小于等于555，如果小于等于555，则该节点在下一个时隙起始时刻以预定的节点发射功率P_T通过扩频传输方式发送数据分组，进入步骤四；否则在下一个时隙内该节点不发送数据分组，重新执行步骤三。由于该随机数产生器每次随机均匀产生一个1到1000之间的整数，所以任何一个数被产生的概率为0.001，而该数小于等于555的概率即为0.555，因此网络节点利用该随机数产生器，可以保证在每个时隙内以预定的节点发送频率p＝0.555发送数据分组。

第四步：目标节点接收到数据分组后回送确认分组，如果网络节点接收到目标节点回送的确认分组，则进入步骤二，否则，网络节点认为该数据分组传输失败需要重新传输，将该数据分组加入到本节点等待发送的分组队列中，进入步骤一。网络节点需要按照步骤一中指定的分组队列排列规则将传输失败需要重传的分组加入到本节点等待发送的分组队列中。

在本发明提出的一种扩频自组织网络随机接入方法中，预定的节点发射功率P_T应该保证在一个节点周围的所有节点中，不需要通过中间节点转发即可直接与该节点进行通信的节点数目N满足下面的关系式：

$N=\frac{\mathrm{\η}{(G_p/b)}^{2/\mathrm{\η}}\sin (2\mathrm{\π}/\mathrm{\η})}{4p\·\mathrm{\π}}$

上述式子中，η为路径衰耗因子，由网络工作环境确定；G_p为扩频增益；b为预定的门限信噪比，预定的门限信噪比由网络节点采用的信道编解码方案、调制解调方案、以及收信机能够允许的数据比特传输差错概率确定，网络节点采用BPSK调制，收信机能够允许的数据比特传输差错概率为p_b＝10^-5，在不采用信道编码的情况下，网络预定的门限信噪比应取b＝9.6dB。

为了使在一个节点周围的所有节点中，不需要通过中间节点转发即可直接与该节点进行通信的节点数目达到N，预定的节点发射功率P_T取值应该为：

$P_T=b(W+\frac{1}{G_p}\·\mathrm{\μ}){\left(\frac{N}{\mathrm{\λ\π}}\right)}^{\frac{\mathrm{\η}}{2}}$

式中W为背景噪声功率，μ为到达收信机的多用户干扰功率之和，λ为网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数。

本发明所述的随机数产生器的实现原理如下：采用线性同余算法产生随机数，随机数由等式X_n+1＝(a×X_n+c)mod m+1得到，其中m＝1000称为模数，0≤a＜m称为乘数，0≤c＜m称为增量，0≤X₀＜m称为初始值或种子，mod表示取两个整数相除的余数，将a、c、X₀设置为正整数时，通过这个方程每次可以均匀随机产生[1，1000]之间的一个整数，X_n表示上一次随机数产生器产生的随机数，X_n+1表示当前随机数产生器产生的随机数。根据所述随机数产生器的实现原理，可以采用软件编程的方法实现该随机数产生器。

结合图1给出的一个应用本发明的具体实施例，进一步阐述本发明的工作原理。图中网络节点按照二维泊松点过程随机分布在网络覆盖区域内，网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数λ＝2*10^-3/m²。图中，A为网络中任意选定的一个节点，位于虚线圆环内的节点，不需要通过中间节点转发即可与节点A直接进行通信，在路径衰耗因子η＝4，扩频增益G_p＝128，预定的门限信噪比b＝9.6dB，预定的节点发送频率p＝0.555的条件下，这类节点的数目为

$N=\frac{\mathrm{\η}{(G_p/b)}^{2/\mathrm{\η}}\sin (2\mathrm{\π}/\mathrm{\η})}{4p\·\mathrm{\π}}=2.1486$

在背景噪声功率W＝-144dB，到达收信机的多用户干扰功率之和μ＝-30dB，网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数λ＝2*10^-3/m²情况下，为了使在一个节点周围的所有节点中，不需要通过中间节点转发即可直接与该节点进行通信的节点数目达到N＝2.1486，预定的节点发射功率P_T取值应该为：

$P_T=b(W+\frac{1}{G_p}\·\mathrm{\μ}){\left(\frac{N}{\mathrm{\λ\π}}\right)}^{\frac{\mathrm{\η}}{2}}=8.3321W$

应用本发明提出的扩频自组织网络随机接入方法，网络节点A执行的接入方法分为以下几步：

第一步：网络节点A不区分新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组，按照分组到达网络节点的时间先后顺序对分组进行缓存，将最先到达节点的数据分组排在分组队列的首部，假如按时间先后顺序到达节点A的分组分别为B1，B2，C1，D1，C2，其中，B1，B2分别表示需要发往节点B的第一个和第二分组，C1，C2分别表示需要发往节点C的第一个和第二分组，D1表示需要发往节点D的第一个组，则B1将位于网络节点A等待发送的分组队列首部，C2位于网络节点A等待发送的分组队列尾部。

第二步：网络节点A从本节点等待发送的分组队列首部取出数据分组B1，根据B1中的目的地址确定该分组将要达到的目标节点为B。

第三步：网络节点A在时隙开始时刻，启动随机数产生器产生一个随机数，假如产生的随机数为457，由于该随机数小于等于555，网络节点A在下一个时隙的起始时刻以P_T＝8.3321W的发射功率将数据分组B1发往目标节点B。

第四步：目标节点B接收到数据分组后向网络节点A回送确认分组，如果网络节点A接收到目标节点回送的确认分组，网络节点A认为该数据分组成功发送，网络节点A进入步骤二，否则，网络节点A认为该数据分组传输失败需要重新传输，将该数据分组加入到本节点等待发送的分组队列中，进入步骤一，此时数据分组B1将被放置于网络节点A等待发送的分组队列尾部。

图3示出了本发明与传统随机接入方法的网络传输性能的仿真比较。图3中仿真条件为瑞利衰落信道环境，选取的路径衰耗因子η＝4，扩频处理增益G_p＝128，网络预定的门限信噪比为b＝9.6dB，背景噪声功率W＝-144dB，到达收信机的多用户干扰功率之和μ＝-30dB，网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数λ＝2*10^-3/m²。图中纵坐标为网络传输性能，横坐标为预定的节点发射功率。网络传输性能定义为单位面积内所有接入网络发送分组的节点吞吐量与节点单跳覆盖范围乘积之和，这里，接入网络发送分组的节点吞吐量指每个网络节点在一个时隙内成功发送的数据分组数，节点单跳覆盖范围即节点发射信号的传输半径等于(P_i/(b×(W+μ/G_p)))^1/η，P_t为网络节点使用的发射功率，当网络节点使用预定的节点发射功率P_T＝8.3321W时，节点单跳覆盖范围为18.4923m。如果用β表示接入网络发送分组的节点吞吐量与节点单跳覆盖范围的乘积，而单位面积内接入网络发送分组的网络节点数为λp，由于每个网络节点具有相同的传输性能，则网络传输性能即为λpβ。从图3中可以看出，当网络节点以预定的发送频率p＝0.555和预定的发射功率P_T＝8.3321W发送数据分组，网络的传输性能达到最优，这是由于自组织网络的传输性能除了与单个节点所能达到的传输性能有关外，还与网络能够允许的并行接入用户数量有关，应用本发明降低了网络中的多用户干扰功率，从而允许较多的接入用户数量，进而使网络传输性能获得提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和原则的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种扩频自组织网络随机接入方法，其特征在于：

第一步：网络节点将数据分组缓存在本节点等待发送的分组队列中，数据分组包括新到达的分组和因传输失败需要重新传输的分组；

第二步：网络节点从本节点等待发送的分组队列中取出一个数据分组，根据数据分组中的目的地址确定该分组将要达到的目标节点；

第三步：网络节点按照预定的节点发送频率p和预定的节点发射功率P_T发送数据分组；网络节点在一个时隙开始时刻，启动随机数产生器，随机均匀产生一个1到1000之间的整数；判断该随机数是否小于等于555，如果小于等于555，则该节点在下一个时隙起始时刻以预定的节点发射功率P_T发送数据分组，进入步骤四；否则在下一个时隙内该节点不发送数据分组，重新执行步骤三；预定的节点发射功率P_T取值为：

$R_T=b(W+\mathrm{\μ}){\left(\frac{N}{\mathrm{\λ\π}}\right)}^{\frac{\mathrm{\η}}{2}}$

式中W为背景噪声功率，μ为到达收信机的多用户干扰功率之和，λ为网络覆盖区域单位面积内分布的平均节点数；直接与该节点进行通信的节点数目N满足下面的关系式：

$N=\frac{\mathrm{\η}{(G_p/b)}^{2/\mathrm{\η}}\sin (2\mathrm{\π}/\mathrm{\η})}{4p\·\mathrm{\π}}$

上述式子中，η为路径衰耗因子，G_p为扩频增益，b为预定的门限信噪比，预定的门限信噪比由网络节点采用的信道编解码方案、调制解调方案、以及收信机能够允许的数据比特传输差错概率确定，p＝0.555为预定的节点发送频率，预定的节点发送频率由随机数产生器进行控制，

第四步：目标节点接收到数据分组后回送确认分组，如果网络节点接收到目标节点回送的确认分组，则进入步骤二，否则，网络节点认为该数据分组传输失败需要重新传输，将该分组加入到本节点等待发送的分组队列中，进入步骤一。

2.根据权利要求1所述的一种扩频自组织网络随机接入方法，其特征在于：系统时间被划分为多个等长、连续的时隙，每个时隙的长度等于传输一个数据分组所需时间，网络节点在时隙开始时刻通过扩频传输方式发送数据分组。

Images