CN102572963A

CN102572963A - 一种适用于ofdm-uwb系统的协作速率自适应传输方法

Info

Publication number: CN102572963A
Application number: CN2012100067271A
Authority: CN
Inventors: 王捷; 曹凯; 蒋良成; 杜永强; 韩乔乔; 许斌; 徐铭; 宋建永; 陈佰儒
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: CN102572963B

Abstract

一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，包括如下步骤：1)设备在每个超帧的信标期发送自己的信标帧并监听邻居的信标，获得与邻居的信道信息；2)设备根据上层业务类型的数据速率与误帧率要求，计算能否满足该要求，若能达到要求，则选择直接传输，若不能达到要求，请求邻居设备进行协作；3)源设备请求协作后，邻居设备计算自身如果参与协作，能获得的吞吐量，若大于直传传输的吞吐量，则在自身的信标帧中公布协作信息；4)各个设备监听其它设备的协作信息，获得吞吐量最大的设备成为协作设备，若无设备满足条件，则仍使用直接传输。本发明具有动态调整传输速率的特点，动态利用邻居设备的资源，提高系统性能。

Description

一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法

技术领域

本发明属于无线通信资源管理技术领域，涉及超宽带UWB通信技术，为一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法。

背景技术

超宽带UWB是一种短距离无线通信技术，具有数据速率高、功率谱密度低、抗多径能力强以及定位精度高等特点。欧洲ECMA标准化组织制定了高速超宽带的物理层和媒体接入层MAC标准ECMA368，其中MAC层负责对接入同一无线媒体的多个用户进行协调。ECMA368标准中规定了两种信道接入协议，分布式预约协议DRP和优先级竞争访问PCA。本发明为在DRP协议下的协作速率自适应方案。

帧交换的基本时间结构为超帧，持续时间为65536us。超帧由256个媒体接入时隙MAS组成，每个MAS持续时间为256us。每个超帧由信标期BP开始，持续1到几个MAS。超帧的结构如图2所示。

MAC信标帧希望被所有的设备接收和监听，因而信标帧的负载使用规定的信标帧速率传输。其它类型的帧使用尽可能高的速率传输，帧头总是使用物理层提供的最低速率传输。负载的传输速率依赖的参数如表1所示。

表1负载传输速率参数

ECMA368标准定义的物理层支持帧的多种速率的传输，由于设备之间的信道条件不断变化，为了满足不同业务的QoS要求，需要MAC协议支持帧的自适应速率传输。目前的研究主要集中在基于竞争的信道接入方案下的速率自适应方案，并不适用于ECMA标准中的基于预留的DRP接入协议。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的速率自适应方法不适用于ECMA标准中的基于预留的DRP接入协议，一种新的速率自适应方法，适用于DRP接入协议，并能获得更好的系统性能。

本发明的技术方案为：一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，在超宽带UWB通信系统中，基于分布式预约协议DRP进行信道接入，源设备与目的设备进行通信时，根据设备间的信道条件，动态的选择传输方式以及传输速率，包括以下步骤：

1)源设备在每个超帧的信标期发送自己的信标帧并监听邻居设备的信标帧，源设备通过监听邻居设备的信标帧，获得与邻居设备间的信道信息，每个超帧更新一次与邻居设备间的信道信息；

2)源设备根据上层业务类型的数据速率与误帧率要求，以及源设备与目的设备之间的信道情况，查找存储在本地的数据速率、信道情况、误帧率的关系表，判断自身直接传输能否达到数据速率与误帧率要求，若能达到要求，则选择直接传输，使用达到最高吞吐量的速率进行传输，若不能达到要求，则采用协作通信技术，向邻居设备请求进行协作传输；所述协作传输分为协作预约和协作数据传输，在信标期进行协作预约，在数据传送期按照协作预约的结果进行协作数据传输。

步骤2)中所述协作预约为：在源设备的信标期发送包含协作请求信息的信标帧，协作请求信息包括目的设备、业务速率与误帧率要求，邻居设备查找存储在本地的协作情形下设备间信道情况、传输速率、误帧率的关系表，计算自身参与协作可获得的吞吐量，作为协作信息在自己的信标帧中公布，源设备监听所有邻居设备公布的协作信息，获得吞吐量最大的邻居设备作为协作节点，若无邻居设备满足条件，则仍使用直接传输。

所述协作数据传输为：所述协作数据传输为：采用三点协作模型，进行协作的邻居设备作为协作设备；源设备发送数据帧，协作设备采用解码转发方案，解码校验接收到的数据帧，采用CRC校验，如果校验正确，则将接收的数据帧转发至目的设备，目的设备对接收到的源设备与协作的邻居设备的数据帧进行合并，得到完整的数据；如果校验错误，则协作设备不进行转发。

所述上层业务类型包括音频、视频和数据业务。

协作通信技术使具有单根天线的设备获得类似于MIMO系统中的某些增益，其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的设备可以按照一定的方式来共享彼此的天线从而产生一个虚拟MIMO系统，从而获得分集增益。本发明中，当源设备与目的设备之间信道条件较差时，请求邻居设备进行协作，提高系统吞吐量。本发明将协作通信技术与速率自适应方法相结合，能够获得更好的系统性能。

本发明所述的适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应方法，基于ECMA368标准中制定的DRP协议，引入协作通信后，只需在现有标准的信息元素IE(InformationElement)中增加协作DRP IE。ECMA368协议中定义的IE用来传递控制和管理信息，出现于信标帧和控制帧中，其中IE格式中的元素ID字段用于标记识别不同的IE，元素ID号25-249为预留，因此可将协作DRP IE的元素ID设置为25。协作DRP IE与DRPIE相比，增加了业务速率要求、误帧率要求以及协作节点吞吐量信息，使得协作节点能够计算吞吐量并公布自身的吞吐量信息。

本发明根据设备间的信道条件，动态的选择传输方式以及传输速率，方法实施流程如图1，其特点在于将速率自适应技术与协作通信技术相结合。当信道条件较好时，速率自适应技术能够有效的提高系统吞吐量，然而速率自适应技术的局限性在于信道条件较差时，无法保证帧的正确传输。协作通信技术能够利用邻居设备的资源进行协作传输，从而在直传信道条件差时，能够显著提高吞吐量，但会带来协议开销以及邻居资源的耗费。本发明将两种技术的结合，能够在信道条件较好与信道条件差时，均能较好的保证系统的吞吐量性能。本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明的方法具有动态调整传输速率的特点，同时能够动态利用邻居设备的资源，如实施例仿真结果图4所示，能够显著提高系统的吞吐量。

附图说明

图1为本发明协作速率自适应方法流程图。

图2为MAC超帧结构图。

图3为本发明实施例仿真场景中设备的位置关系。

图4为本发明实施例仿真结果。

具体实施方式

本发明的协作速率自适应传输方法基于分布式预约协议DRP，根据设备间的信道条件，动态的选择传输方式以及传输速率，如图1，具体包括如下步骤：

2)源设备根据上层业务类型的数据速率与误帧率要求，以及源设备与目的设备之间的信道情况，查找存储在本地的数据速率、信道情况、误帧率的关系表，判断自身直接传输能否达到数据速率与误帧率要求，也就是是否满足服务质量QoS(Quality ofService)，若能达到要求，则选择直接传输，使用达到最高吞吐量的速率进行传输，若不能达到要求，则采用协作通信技术，向邻居设备请求进行协作传输；所述协作传输分为协作预约和协作数据传输，在信标期进行协作预约，在数据传送期按照协作预约的结果进行协作数据传输。所述上层业务类型包括音频、视频和数据业务等。

所述协作数据传输采用协作通信技术，具体为：所述协作数据传输为：采用三点协作模型，进行协作的邻居设备作为协作设备；源设备发送数据帧，协作设备采用解码转发方案，解码校验接收到的数据帧，采用CRC校验，如果校验正确，则将接收的数据帧转发至目的设备，目的设备对接收到的源设备与协作的邻居设备的数据帧进行合并，得到完整的数据；如果校验错误，则协作设备不进行转发。这里CRC校验为现有技术，与判断正常帧的接受正确与否的方法一致。

本发明基于ECMA368标准中制定的DRP协议，引入协作通信后，只需在现有标准的信息元素IE(Information Element)中增加协作DRP IE。源设备以及邻居设备发出的信标帧中包含了DRP协议下的DRP IE，另外增加了记录协作信息的协作DRP IE，IE格式中的元素ID字段用于标记识别不同的IE，现有的DRP协议中，元素ID号25-249为预留，因此可将协作DRP IE的元素ID设置为25，协作DRP IE与DRP IE相比，增加了业务速率要求、误帧率要求以及协作节点吞吐量信息，使得协作设备能够计算吞吐量并公布自身的吞吐量信息。

下面结合附图，通过最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：如图3，实施例的仿真场景中有四个设备Dev1，Dev2，Dev3，Dev4，坐标分别为：(1.5，-1,5)，(0，0)，(1，2)，(3，0)，坐标单位为米，其中Dev1为源设备，Dev4为目的设备，Dev2与Dev3作为邻居设备，源设备Dev1以1m/s的速度水平向左运动，每个超帧Dev1可预约的MAS数位50，上层业务要求的传输速率为200Mb/s，误帧率不高于8％。

仿真中采用超宽带的CM1模型，噪声功率为-80dBm，超宽带系统中信道增益随路径损耗的模型为H＝H₀/D^γ，D为两点间的距离，γ为功率衰减指数，CM1模型中取γ＝4.3，

表示距离D＝1m时的参考功率增益，A₀＝20lg(4πf_c/c)(dB)表示参考距离D＝1m时的参考路径损耗。每帧负载的大小为4095字节，每个帧的传输时间T_frame＝(N_sync+N_hdr+N_frame)*T_sym，其中T_sym为采样间隔，N_sync为前导符的符号数，N_hdr为物理层汇聚协议(PLCP)头的符号数，N_frame为物理层服务数据单元(PSDU)的符号数。吞吐量计算公式Throughput＝(1-fer)*N_frame/t_frame，其中fer为误帧率，t_frame为帧的传输时间，设备根据当前信噪比查找存储在本地的信噪比与误帧率对照表，确定当前的误帧率。

仿真持续时间设置为4s，分别仿真了固定速率传输、现有的速率自适应传输、以及本发明的协作速率自适应传输三种情况。本发明协作速率自适应传输时，每个设备在超帧开始的信标期发布自己的信标帧。源设备在移动的过程中，源设备与其它设备的信道条件也随之改变，源设备根据信道条件动态选择合适的传输速率。当源设备与目的设备的距离增大到一定程度时，将不能满足传输速率与误帧率条件，源设备发出协作请求，邻居设备Dev2与Dev3计算协作吞吐量并与直传吞吐量相比较，通过协作来提高系统的吞吐量。三种情况的仿真结果如图4，由仿真结果可以看出，仿真开始时，源设备与目的设备距离较近，速率自适应与本发明的协作速率自适应传输均能自适应调整速率，吞吐量高于固定速率传输；当源设备与目的设备距离越来越大时，现有的固定速率传输及速率自适应传输方式都不能满足传输速率与误帧率要求，而本发明的协作自适应方案利用邻居设备进行协作，提高吞吐量，基本维持在原传输状态，满足传输速率与误帧率的要求。

Claims

1.一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，其特征是在超宽带UWB通信系统中，基于分布式预约协议DRP进行信道接入，源设备与目的设备进行通信时，根据设备间的信道条件，动态的选择传输方式以及传输速率，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，其特征是步骤2)中所述协作预约为：在源设备的信标期发送包含协作请求信息的信标帧，协作请求信息包括目的设备、业务速率与误帧率要求，邻居设备查找存储在本地的协作情形下设备间信道情况、传输速率、误帧率的关系表，计算自身参与协作可获得的吞吐量，作为协作信息在自己的信标帧中公布，源设备监听所有邻居设备公布的协作信息，获得吞吐量最大的邻居设备作为协作节点，若无邻居设备满足条件，则仍使用直接传输。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，其特征是所述协作数据传输为：采用三点协作模型，进行协作的邻居设备作为协作设备；源设备发送数据帧，协作设备采用解码转发方案，解码校验接收到的数据帧，采用CRC校验，如果校验正确，则将接收的数据帧转发至目的设备，目的设备对接收到的源设备与协作的邻居设备的数据帧进行合并，得到完整的数据；如果校验错误，则协作设备不进行转发。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，其特征是所述上层业务类型包括音频、视频和数据业务。

5.根据权利要求3所述的一种适用于OFDM-UWB系统的协作速率自适应传输方法，其特征是所述上层业务类型包括音频、视频和数据业务。