CN102740496A - 一种系统能效优化的上行链路协作mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种系统能效优化的上行链路协作MAC(媒体访问控制)协议，通过信源与候选协作站点数量建立系统能耗模型，利用最优化理论配置各候选协作站点的协作请求应答概率，改善传统单中继协作系统上行链路的能效。所述协议采用基于竞争的多址方式进行信道接入，并使用信源请求发送(RTS)、协作站点清除发送(HTS)和信宿清除发送(CTS)握手实现协作传输的建立。本发明提供一种复合式协作站点选择方法，即在信源对协作站点选择的基础上，协作站点依据协作请求应答概率设置判断是否参与协作，通过缓解传统协作模式下协作站点能耗进行系统能效优化。本发明在准静态室内环境下，尤其是在能量受限场景中的应用，具有很大的实用价值。

Description

一种系统能效优化的上行链路协作MAC协议

技术领域

本发明涉及在协作通信中考虑在上行链路中各支持协作的站点协作概率配置，采用一种复合式协作站点选择方式，以缓解协作站点能量过快消耗而导致系统能效过低问题，提供了一种系统能效优化的上行链路协作MAC方案。

背景技术

协作通信技术(cooperative technology)作为下一代移动通信的关键技术，通过利用系统中空闲终端的天线构建虚拟多输入多输出系统，实现空间分集增益，进而在不需要增加额外系统硬件条件的基础上提高系统吞吐量、降低数据包时延。

IEEE 802.11系列标准作为目前工业界已广泛接受的局域网行业标准，其制定的MAC协议也成为室内通信领域的事实MAC标准。因此，应用于室内的协作技术需要重点考虑基于IEEE 802.11标准支持的多速率自适应网络，才能在现有的设备中获得最大的推广利用。由于室内环境中信道的复杂性，通信链路极易由于阻挡导致通信中断，通过协作技术寻找中继支持的终端实现协作传输就成为一种增强链路稳定性的良好机制。

在协作无线网络中，为了获取最佳的协作效果以实现最大的空间分集增益，信源通常选择那些与自身信道条件及与信宿信道条件综合最佳的协作支持站点，即具有最大协作效率的终端作为候选协作站点集的元素。从而，信源终端是否能够采用协作传输依赖于是否存在非空的候选协作站点集。由于上行链路中协作支持站点除自身数据传输外，还需要承担来自对应协作信源数据的转发，因此，在具有接入公平性保证系统中的协作站点，由于过快的能量消耗而极易导致成为整体系统生存周期的瓶颈。解决或缓解此瓶颈问题就需要对原有的协作MAC进行重新设计，从各协作站点的角度进行协作参与的再判断。

系统能效常被用作系统性能的典型评价指标，特别是在能量受限的无线通信环境中。通常，系统能效被定义为系统平均单位比特数据传输的能耗(单位：比特/焦耳)，协作通信已被证明在增强系统容量的基础上可实现该定义下的能效优化。但是，由于移动设备往往都是配置便携式式电源，即都是能量受限的。如前所述，由于支持协作的站点容易成为整体系统生存的瓶颈，所以对于能量受限系统中单纯以实际消耗能量为参考的能效度量意义不大，需要进一步考虑系统的生存周期。因此，在本发明中以实际系统总体提供能量为参考，重新定义系统能效为：

本发明以此系统能效为指标，将最大化系统能效转化为最小化耗能最大终端能耗为目标，对各协作站点的协作概率进行合理规划，进而获得既定场景下的最大系统能效。

发明内容

本发明的目的在于针对协作MAC中协作站点支持终端由于协作传输引起的能量过快消耗而引起的系统能效降低问题，提供一种新的复合式协作站点选择方式来平衡信源终端与协作站点之间的能量消耗速度，提高系统能效。

为了考虑由正被使用的物理层支配的收发机收发切换时延及系统处理时延，采用SIFS实现各数据帧的帧间间隔，并在单次发送结束后采用DIFS确认信道空闲状态。此外，所有其它非参与传输的终端根据所接收的控制帧(即RTS和CTS)中所包含的“持续时长”字段更新网络分配矢量(NAV)，使之进入睡眠阶段、推迟信道的竞争，以降低能量消耗。

为了能在现有的IEEE 802.11局域网络中进行协作通信，除IEEE802.11定义的RTS控制帧外，信源维持一种修改的RTS帧用以尝试与协作站点实现数据包的协作传输，该RTS帧在IEEE 802.11RTS帧基础上加入了协作站点地址、信源与协作站点速率、信源与信宿速率及候选协作站点数量四个信息。

为了优化协作概率配置以提升系统能效，在本发明的技术方案中，首先针对任意特定场景下所有信源及对应的候选协作站点集，建立能耗模型用以分析系统中任意单个终端的行为，得到终端在连续两次成功传输间能耗的解析表达式；然后，采用最优化理论建立基于系统能效最大化的线性规划，从而得到任意信源各候选协作站点的协作概率优化配置。

本发明提出的能效优化的协作MAC协议由三种机制构成：

(1)协作信息搜集机制

各终端在系统网络初始化阶段采用基于RTS/CTS两次握手的直传模式进行信道的竞争接入。为了使各信源终端及支持协作的站点获取周围终端与信宿(接入点)的速率信息，进而确定协作状况，RTS帧结构包括了对应发送信源与信宿的当前最大速率信息。同时，各信源终端独立维持一个协作表，记录周围所有支持协作站点终端的实时链路信息。

(2)协作概率配置机制

定义终端的“协作效率”为

$w=\frac{{(1/R_{\mathrm{sh}}+1/R_{\mathrm{hd}})}^{-1}}{R_{\mathrm{sd}}}$

其中，R_sh为信源与支持协作站点终端间的最大传输速率，R_sd为信源与信宿间的最大传输速率，R_hd为协作站点与信宿间的最大传输速率。

根据第一阶段搜集的协作信息，每个信源选取具有最大“协作效率”的支持协作的站点，生成候选协作站点集。根据系统设备在不同状态下的功率，计算任意终端在其连续两次成功数据传输期间的能量消耗，进而建立系统生存周期模型。

此外，权衡系统生存周期及系统容量两个性能指标，采用最优化理论建立基于系统能效优化的线性规划表达式，从而得到在能效最优条件下的所有信源各候选协作站点的协作概率配置。

其中，系统能效最优化的目标规划等价于：

$\left\{\begin{array}{cc}\min & f\left(Q\right)=\max \left\{E_k\right\}\\ s.t.& E_k=\frac{L}{R_k}{P}_{\mathrm{tr}}+\underset{s=1,s\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L}{R_s}{P}_{\mathrm{sl}}+\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}\left[(\frac{L}{r(k,h)}-\frac{L}{R_k})(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{sl}})\right]\\ & +\underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sh}}[T_{\mathrm{HTS}}{P}_{\mathrm{re}}+T_{\mathrm{SIFS}}(P_{\mathrm{se}}+P_{\mathrm{sl}})+(\frac{L}{r(s,h)}+\frac{L}{R_h}-\frac{L}{R_s})P_{\mathrm{sl}}]\\ & +\underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sk}}[T_{\mathrm{HTS}}(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}})+\frac{L}{R_k}(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{sl}})+(\frac{L}{r(s,k)}+T_{\mathrm{ACK}})(P_{\mathrm{re}}-P_{\mathrm{sl}})+3T_{\mathrm{SIFS}}(P_{\mathrm{se}}-P_{\mathrm{sl}})]\\ & q_{\mathrm{kh}}\≥0,k,h\∈[1,n]\\ & \underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}\≤1,k\∈[1,n]\\ & \underset{s-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sk}}\≤1,k\∈[1,n]\end{array}\right.,k\∈[1,n]$

其中，n为终端数量，k为终端编号，R_k为终端k的直传速率，r(k，h)为终端k与h的最大速率，L为传输数据长度(包括帧头)，T_RTS、T_CTS、T_HTS和T_ACK分别为RTS、CTS、HTS和ACK帧传输时长，T_SIFS和T_DIFS分别为SIFS和DIFS帧间间隔时长，P_tr、P_re、P_se和P_sl分别为终端传输功率、接收功率、侦听功率和睡眠功率，Q是协作概率矩阵：Q＝[q_sk]_n×n，这里，q_sk表示终端k能作为协作站点参与终端s任一次传输的协作概率。

(3)复合协作传输机制

利用协作概率配置阶段所得结果，各协作站点记录对各信源的协作请求应答概率。当信源发送RTS请求进行协作通信时，信源从自身协作表中选择具有最新更新信息的候选协作站点，并将此信息写入RTS帧内。同时，所选协作站点在成功接收RTS帧后根据设定的“协作应答概率”决定是否参与协作。若愿意参与协作，则经过一个SIFS后反馈一个与CTS相同格式的HTS帧；否则，不反馈任何信息。

当信源的候选协作站点集非空时，但所选择的候选协作站点拒绝参与数据传输时，信宿节点需要修改CTS帧结构中“持续时间”字段信息，增加直传模式带来的时延长度。当信源节点尝试采用协作模式进行数据传输而选择协作站点时，协作站点以第二阶段配置的协作概率所获得的应答概率对此请求进行反馈。若愿意参与协作传输，则在成功接收RTS帧SIFS时长后回复HTS；否则，保持缄默状态。

各终端的“协作应答概率”计算为：

${\mathrm{\λ}}_k\left(s\right)=\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sh}}/n_s$

其中，q_sh表示终端h能作为协作站点参与终端s任一次传输的协作概率，n_s表示信源s候选协作站点数量。

附图说明

图1图示了本发明中基于复合式协作站点选择的不同数据传输方式；

图2图示了本发明中信源维持的协作表结构；

图3图示了本发明中引入的RTS帧结构；

图4图示了本发明中信源信道竞争接入及数据传输流程；

图5图示了本发明中协作站点操作流程；

图6图示了本发明中信宿操作流程。

具体实施方式

与传统协作MAC协议单纯让信源进行协作站点选择或让候选协作站点进行竞争选择不同，本发明通过定义一种复合式协作站点选择方式，提供一种用于解决已有协作MAC协议中协作站点能量过快消耗问题，进而提升系统的能效。应该指出，仅仅那些维持最大协作效率的支持协作站点终端才能成为对应信源的候选协作站点集中的元素。

本领域技术人员应当了解，以下对于本发明操作过程的描述是用于举例说明的目的而非用于应用限制。技术人员需要懂得，在本发明的精神和所附权利要求的范围内有许多变例。凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1是使用本发明的基于复合式协作站点选择的不同数据传输方式示意图。信源在候选协作站点集非空时尝试采用协作传输模式，协作站点依据协作请求应答概率设置对协作请求进行判断。

若协作站点拒绝参与协作，则协作站点在成功接收到RTS后，根据已有协作概率设置决定是否参与协作发送，信宿在多等待一个SIFS确认所选协作站点不参与协作传输后，发送CTS开始进行直传模式。若同意参与协作，则在正确接收RTS帧SIFS后回复HTS，而信宿在正确接收HTS帧SIFS后回复CTS。然后，两跳数据传输的过程即被启动，信宿完成数据接收后回复ACK，表明本次协作传输成功完成。

此外，信源在过程中可以根据接收信宿的CTS帧进行自适应速率更新，其余终端进行握手信息侦听进行自身协作表的建立与维护，并用于过程中的网络分配矢量设置。

图2是使用本发明的信源协作表结构示意图。通过数据传输过程中各信源对信道中帧信息的侦听情况，跟踪记录候选协作站点集中的元素信息，维护并更新该协作表。

图3是使用本发明的RTS帧结构。本协作的RTS帧结构中除了信源与信宿地址字段外，加入了信源所选择的协作站点地址字段，当采用直传模式时，该字段为空；为了提供系统的协作概率优化配置，增加了信源当前候选协作站点数量信息；同时，为提供给周围终端信源当前最大直传速率信息，增加了一个信源与信宿自适应速率信息字段。

图4是使用本发明的信道竞争接入及数据传输流程示意图。信源退避计数器为零且发送队列非空时，检测候选协作站点集是否为空，在非空的情况下选择协作表中最近更新的终端为协作站点，将信息写入RTS帧进行协作传输，进行信道接入尝试。若能成功预约信道，则收到HTS则说明协作通信成功建立，开始进行两跳传输。信源在第二跳传输过程中根据该数据帧“持续时长”设置进入睡眠状态，并在传输结束后醒来进行ACK的接收；否则，就在2个SIFS后接收来自信宿的CTS，表明只能采用直传模式进行数据传输。

图5是使用本发明的协作站点操作流程示意图。当终端接收到的RTS信息中的协作站点地址字段表明为本终端时，终端根据自身对应于此信源协作概率设置，决定是否答应建立协作。若答应协作请求，则回复HTS，并在成功接收信宿的CTS后开始接收信源的数据信息，并在接收成功后转发给信宿；若拒绝协作请求，则不给HTS回复，并根据后续接收的CTS设置NAV。

图6是使用本发明的信宿操作流程示意图。当信宿接收到正确的RTS，若协作站点字段为空，则在SIFS后直接回复CTS；否则，多等待SIFS时长以确定对应的协作站点是否愿意进行协作传输。若正确接收到协作站点的HTS，则在正确接收到来自协作站点转发数据后回复ACK。

本发明提供的基于系统能效优化的上行链路协作MAC协议，能够通过复合式协作站点选择优化系统能效，在终端随机分布的准静态室内环境下，尤其是终端配置便携式电源的能量受限移动场景中，具有很大的实用价值。

Claims (8)

1.一种能效优化的上行链路协作MAC协议，其特征在于包括如下三种机制：

(1)协作信息搜集机制：各“终端”采用基于RTS/CTS两次握手的直传模式进行信道的竞争接入，RTS帧结构包括对应发送信源与信宿的当前最大速率信息，各信源独立维持一个协作表，记录周围所有支持协作站点的实时链路信息；

(2)协作概率配置机制：根据协作信息搜索结果，每个信源选取具有最大“协作效率”的支持协作的站点，生成候选协作站点集，并根据最优化理论建立的系统能效最大化的线性规划，可获得在能效最优条件下所有信源及各候选协作站点的协作概率配置；

(3)复合式协作传输机制：利用协作应答概率配置机制所得结果，协作站点计算对各信源的“协作请求应答概率”，当信源发送RTS请求进行协作通信时，信源从自身协作表中选择具有最新更新信息的候选协作站点，并将此信息写入RTS帧内，同时，所选协作站点在成功接收RTS帧后根据设定的“协作应答概率”决定是否参与协作。

2.权利要求1所述的三种机制所涉及的过程并非完全独立的三个阶段，在复合式协作传输机制运行过程中，系统可以不间断地同时进行协作信息搜集机制的操作，可通过一个预设周期进行协作概率配置更新，以适应信道环境的变化。

3.权利要求1所述的终端设备，其角色包括信源和协作站点两种角色，一个终端既可以是信源，可以是支持协作的站点，也可以是两者的组合，充当信源角色的终端维持的协作表信息来源于其侦听到的RTS与CTS帧所包含字段信息，以及根据接收信噪比分别获得的与帧发送终端的当前速率信息。

4.权利要求1所述的“协作效率”定义为：

$w=\frac{{(1/R_{\mathrm{sh}}+1/R_{\mathrm{hd}})}^{-1}}{R_{\mathrm{sd}}}$

其中，R_sh为信源与支持协作站点间的最大速率，R_sd为信源与信宿间的最大速率，R_hd为协作站点与信宿间的最大速率，即任意信源的候选协作站点集包含的元素都具有最大的w。

5.权利要求1所述的最佳协作概率指满足以下线性规划：

$\left\{\begin{array}{cc}\min & f\left(Q\right)=\max \left\{E_k\right\}\\ s.t.& E_k=\frac{L}{R_k}{P}_{\mathrm{tr}}+\underset{s=1,s\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{L}{R_s}{P}_{\mathrm{sl}}+\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}\left[(\frac{L}{r(k,h)}-\frac{L}{R_k})(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{sl}})\right]\\ & +\underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sh}}[T_{\mathrm{HTS}}{P}_{\mathrm{re}}+T_{\mathrm{SIFS}}(P_{\mathrm{se}}+P_{\mathrm{sl}})+(\frac{L}{r(s,h)}+\frac{L}{R_h}-\frac{L}{R_s})P_{\mathrm{sl}}]\\ & +\underset{s-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sk}}[T_{\mathrm{HTS}}(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}})+\frac{L}{R_k}(P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{sl}})+(\frac{L}{r(s,k)}+T_{\mathrm{ACK}})(P_{\mathrm{re}}-P_{\mathrm{sl}})+3T_{\mathrm{SIFS}}(P_{\mathrm{se}}-P_{\mathrm{sl}})]\\ & q_{\mathrm{kh}}\≥0,k,h\∈[1,n]\\ & \underset{h-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}\≤1,k\∈[1,n]\\ & \underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sk}}\≤1,k\∈[1,n]\end{array}\right.,k\∈[1,n]$

其中，n为终端数量，k为终端编号，R_k为终端k的直传速率，r(k，h)为终端k与h的最大速率，L为传输数据长度(包括帧头)，T_RTS、T_CTS、T_HTS和T_ACK分别为RTS、CTS、HTS和ACK帧传输时长，T_SIFS和T_DIFS分别为SIFS和DIFS帧间间隔时长，P_tr、P_re、P_se和P_sl分别为终端传输功率、接收功率、侦听功率和睡眠功率，Q是协作概率矩阵：Q＝[q_sk]_n×n，这里，q_sk表示终端k能作为协作站点参与终端s任一次传输的协作概率。

6.权利要求1所述的第三中，当信源的候选协作站点集非空时，但所选择的候选协作站点拒绝参与数据传输时，信宿节点需要修改CTS帧结构中“持续时长”字段信息，增加直传模式带来的时延长度。

7.权利要求1所述的“协作请求应答概率”计算为：

${\mathrm{\λ}}_k\left(s\right)=\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{sh}}/n_s$

其中，q_sh表示终端h能作为协作站点参与终端s任一次传输的协作概率，n_s表示信源s候选协作站点数量。

8.权利要求1所述的复合式协作传输机制中，当信源尝试采用协作模式进行数据传输而选择协作站点后，协作站点以协作概率配置结果所获得的协作请求应答概率进行反馈。

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