CN103220115B - 时分双工/时分多址信道规划帧编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分双工/时分多址信道规划帧编码方法，主要解决现有信道规划帧编码效率不高的问题。其实现步骤是：首先，设置网络环境，确定网络中中心节点和从属节点的个数；其次，根据具体的时隙用途定义K种码字，其中包括K-1种用途码字和1种节点分隔符码字，并对这K种码字进行编码；然后，确定下一个规划周期中的时隙分配结果，并根据下一个规划周期中的时隙分配结果将用途码字放到规划帧中的相应位置；最后，插入节点分隔符码字，完成信道规划帧编码。本发明有效减小了规划帧编码长度，降低了规划帧在信道传输时的开销，提高了信道利用率，并且对设备要求低，可应用于各种采用时分双工/时分多址通信的局域网和接入网领域。

Description

时分双工/时分多址信道规划帧编码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种信道规划帧编码方法，可应用于各种采用时分双工/时分多址通信的局域网和接入网领域。

背景技术

在基于共享媒质的局域网和接入网中，为实现信道资源的合理和无冲突的分配，常采用一个有中心的点到多点的逻辑拓扑结构。在这种网络结构中，存在一个中心节点统一分配信道资源的使用，除中心节点之外的其它节点称为从属节点。中心节点和从属节点之间可以直接进行数据通信，各从属节点之间的通信一般需要通过中心节点进行转发。为更好提供服务质量QoS保证，中心节点常采用基于周期性报告/授权的时分双工/时分多址机制来实现信道资源的分配。在这种机制中，信道划分成连续且互不重叠的规划周期；每个规划周期含有一个信道规划帧，简称规划帧，它由中心节点生成并发送，用于发布下一个规划周期的信道分配方案，如图2所示；当前规划周期的信道分配方案，由上一个规划周期中的规划帧进行规划。

在每一个周期中，信道被分成M个固定长度的时隙，各个节点，包括中心节点和N个从属节点，通过上一个周期收到的规划帧来确定本周期中各个时隙的分配。

为有效实现信道规划，降低规划帧的开销，规划帧一般采用两种基本编码方法实现每个周期中的时隙分配：一种是基于时隙的编码方法，在这种方法中，规划帧顺序地指示所规划周期中的每个时隙由哪个节点使用，这种方法产生的规划帧的最短长度为个比特。另一种是基于节点的编码方法，在这种方法中，规划帧顺序地指示所规划周期中各个节点所占用的时隙数，即第一个节点占用M₁个时隙，第二个节点占用这M₁个时隙后面紧跟着的M₂个时隙，以此类推，直到第N个节点占用本周期的最后M_N个时隙，这里，M₁+M₂+…+M_N=M，M₁，M₂…，M_N≥0。这种方法需要对每个节点所占的时隙数编码，由于可能出现一个节点占用一个周期内所有时隙的情况，所以对于时隙数的编码长度最短应该为因此这种方法产生的规划帧最短为个比特。若还要考虑各个时隙的功能用途有多种，如除了传输数据帧，还可用作传输多种控制帧、倒换帧间隔以及作为空闲时隙，编码长度可能还会更大。

上述两种规划帧编码的构成方法是基于报告/授权机制进行信道资源分配的局域网和接入网通常使用的基本方法，但这两种方法都存在编码效率不高的缺点。

在局域网和接入网中，通常时隙数和节点数都较大，此时规划帧编码所占用的比特数会较大，而规划帧是要占用规划周期中的时隙发送的，因此规划帧的开销会造成传输有效数据帧的时隙减少，最终造成信道利用率的降低。例如，设网络中有64个从属节点，每个规划周期包括150个固定长度的时隙，即N=64，M=150，在基于时隙的编码方式中，需要900比特对规划帧进行编码；在基于节点的编码方式中，需要512比特对规划帧进行编码。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，以提高编码效率，从而减小规划帧的开销，提高信道利用率。

本发明的技术方案是这样实现的：

技术方案1，对于依次由下行时段和上行时段构成的规划周期，其信道规划帧编码方法，包括如下步骤：

（1）设网络中有一个中心节点和N个从属节点，每个从属节点有一个节点编号，编号从1到N；

（2）将信道划分成连续且互不重叠的规划周期，设每个规划周期依次由下行时段和上行时段构成，共包含有M个固定长度的时隙，其中下行时段包含M_d个时隙，上行时段包含M_u个时隙，M_d>0，M_u≥0，M_d+M_u=M；中心节点通过发布规划帧对下一个规划周期的时隙进行分配；

（3）设规划帧中有K种码字，K大于1，定义第1种码字至第K-1种码字为用途码字，用于指示时隙的用途，该用途包括传输数据帧、规划帧和预约帧，定义第K种码字为节点分隔符码字，用于指示使用时隙的从属节点；

（4）对上述K种码字进行编码，得到用途码字和节点分隔符码字；

（5）在规划帧中放入M个由第（4）步所编的用途码字，用于指示规划周期中依次出现的M个时隙的用途，其中每个用途码字对应一个时隙，形成由M个用途码字构成的用途码字组；

（6）在规划帧中已形成的用途码字组中间，插入2N个节点分隔符码字，以指示使用这些时隙的从属节点：

（6a）定义传输数据的时隙为数据帧时隙；

（6b）在下行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输下行数据帧，0<n≤N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n个分隔符码字与第n+1个分隔符码字之间；

（6c）在上行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输上行数据帧，0<n<N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个分隔符码字与第n+N+1个分隔符码字之间；当n=N时，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个分隔符码字之后；至此，完成信道规划帧编码。

技术方案2，对于依次由上行时段和下行时段构成的规划周期，其信道规划帧编码方法，包括如下步骤：

1）设网络中有一个中心节点和N个从属节点，每个从属节点有一个节点编号，编号从1到N；

2）将信道划分成连续且互不重叠的规划周期，设每个规划周期依次由上行时段和下行时段构成，共包含有M个固定长度的时隙，其中上行时段包含M_u个时隙，下行时段包含M_d个时隙，M_u≥0，M_d>0，M_u+M_d=M；中心节点通过发布规划帧对下一个规划周期的时隙进行分配；

3）设规划帧中有K种码字，K大于1，定义第1种码字至第K-1种码字为用途码字，用于指示时隙的用途，该用途包括传输数据帧、规划帧和预约帧，定义第K种码字为节点分隔符码字，用于指示使用时隙的从属节点；

4）对上述K种码字进行编码，得到用途码字和节点分隔符码字；

5）在规划帧中放入M个由第（4）步所编的用途码字，用于指示规划周期中依次出现的M个时隙的用途，其中每个用途码字对应一个时隙，形成由M个用途码字构成的用途码字组；

6）在规划帧中已形成的用途码字组中间，插入2N个节点分隔符码字，以指示使用这些时隙的从属节点：

6a）定义传输数据的时隙为数据帧时隙；

6b）在上行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输上行数据帧，0<n≤N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n个分隔符码字与第n+1个分隔符码字之间；

6c）在下行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输下行数据帧，0<n<N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个分隔符码字与第n+N+1个分隔符码字之间；当n=N时，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个分隔符码字之后；至此，完成信道规划帧编码。

本发明具有如下优点：

1、与现有的规划帧编码方法相比，本发明有效减小了规划帧编码长度，降低了规划帧在信道传输时的开销，提高了信道利用率。

（1a）与基于时隙的编码方式相比

基于时隙的方式构造的规划帧至少需要个比特，而本发明只需要个比特。通常情况下，时隙的用途较少，因此用途码字个数较少，多数情况下K的典型值取4就能满足需求，即用途码字长度的典型值为2。如在64个从属节点，规划周期包含150个时隙的情况下，基于时隙的分配方式其规划帧编码至少需要900比特，而本发明仅需要428比特，当N和M取值更大时，这种优势更为突出；由于本发明减小了规划帧的编码长度，故减小了规划帧在信道中传输时的开销，提高了信道利用率。

（1b）与基于节点的编码方式相比

基于节点的方式构造的规划帧至少需要个比特，而本发明需要个比特，同样取上述条件，基于节点的分配方式其规划帧编码至少需要512比特，本发明需要428比特，当N和M取值更大时，这种优势更为突出；由于本发明减小了规划帧的编码长度，故减小了规划帧在信道中传输时的开销，提高了信道利用率。

2、与现有信道规划帧编码方法相比，本发明涉及的规划帧编码方法，以用途码字对应规划周期的各个时隙，以节点分隔符码字对应使用各个时隙的从属节点，具有结构简单清晰，易于解析，便于硬件实现的优点。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中的规划帧与规划周期关系图；

图3是本发明实施例一规划帧中的码字与规划周期中各个时隙的对应关系；

图4是本发明实施例二规划帧中的码字与规划周期中各个时隙的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容做进一步阐述。

实施例一

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤1，设置网络环境。

本实例中，设置网络由1个中心节点和64个从属节点组成，从属节点编号为1到64；每个规划周期包含150个固定长度的时隙，依次由上行时段和下行时段构成；

步骤2，定义规划帧中需要使用的码字。

定义用4种码字表示规划周期中时隙的用途和节点分隔符，其中第1种码字表示对应的时隙用途为传输数据帧，第2种码字表示对应的时隙用途为传输规划帧，第3种码字表示对应的时隙用途为传输预约帧，第4种码字是节点分隔符码字。

步骤3，对步骤2中定义的4种码字进行编码。

编码方法采用等长编码或不等长编码，本实施例采用但不局限于2比特的等长编码，即：第1种码字用0b01表示；第2种码字用0b10表示；第3种码字用0b00表示；第4种码字用0b11表示。

步骤4，确定时隙分配结果。

中心节点根据上一个规划周期中从属节点上报的预约帧和本地队列情况运行调度算法，确定下一个规划周期中各个时隙的用途和使用各时隙的节点，得到如下时隙分配结果：

在上行时段，共有50个时隙，即将第1个时隙至第5个时隙分配给从属节点1，以传输上行数据；将第6个时隙到第7个时隙分配给从属节点2，以传输上行数据；将第8个时隙至第10个时隙用于各从属节点采用但不局限于OFDMA方式同时传输预约帧；将第11个时隙至第13个时隙分配给从属节点63，以传输上行数据；将第14个时隙至第50个时隙分配给从属节点64，以传输上行数据；

在下行时段，共有100个时隙，即将第51个时隙至第56个时隙分配给从属节点1，以接收下行数据；将第57个时隙至第82个时隙分配给从属节点32，以接收下行数据；将第83个时隙至第85个时隙用于中心节点传输规划帧；将第86个时隙至第117个时隙分配给从属节点43，以接收下行数据；将第118个时隙至第150个时隙分配给从属节点44，以接收下行数据。

步骤5，放入用途码字。

根据步骤4所得到的各个时隙用途，在规划帧中依次放入150个与时隙用途相对应的用途码字，码字与时隙用途的对应关系如步骤3所示，形成用途码字组。

步骤6，插入节点分隔符码字。

根据步骤4所得到的各个数据帧时隙的使用节点，在步骤5形成的用途码字组中插入节点分隔符码字；为保证编码唯一性，本实施例中，每个节点分隔符码字0b11后的下一个码字，其取值只能为0b01或0b11，具体步骤如下：

（6a）在上行时段，根据步骤4对第1个时隙至第6个时隙的分配结果，将第1个节点分隔符码字插入到第一个用途码字之前，将第2个节点分隔符码字第插入到5个用途码字后面；

（6b）在上行时段，根据步骤4对第6个时隙至第11个时隙的分配结果，将第3个节点分隔符码字至第63个节点分隔符码字插入到10个用途码字后面；

（6c）在上行时段，根据步骤4对第11个时隙至第14个时隙的分配结果，将第64个节点分隔符码字第插入到13个用途码字后面；

（6d）在下行时段，根据步骤4对第51个时隙至第57个时隙的分配结果，将第65个节点分隔符码字插入到第50个用途码字之后，第66个节点分隔符码字至第96个节点分隔符码字插入到第56个用途码字之后；

（6e）在下行时段，根据步骤4对第57个时隙至第86个时隙的分配结果，将第97个节点分隔符码字至第106个节点分隔符码字插入到第85个用途码字之后；

（6f）在下行时段，根据步骤4对第86个时隙至第118个时隙的分配结果，将第107个节点分隔符码字插入到第117个用途码字之后；

（6g）在下行阶段，根据步骤4对第150个时隙的分配结果，将第108个节点分隔符码字至第128个节点分隔符码字插入到第150个用途码字的后面，至此，完成规划帧编码。

编码完成后规划帧中的码字与规划周期中各个时隙的对应关系如图3所示，即规划帧中的编码规定了对应规划周期中每一个时隙的用途以及使用各时隙的节点。

实施例二

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤一，设置网络环境。

本实例中，设置网络由1个中心节点和64个从属节点组成，从属节点编号为1到64；每个规划周期包含143个固定长度的时隙，依次由下行时段和上行时段构成，其中，第1个时隙至第11个时隙是固定的下行时段，第126个时隙至第140个时隙是固定的上行时段，第12个时隙至第125个时隙是上下行可变时段，每个下行时段和上行时段的最后3个时隙用作上下行倒换间隔，规划帧固定占用第5个时隙至第7个时隙，预约帧固定占用第130个时隙至第136个时隙。

步骤二，定义规划帧中需要使用的码字。

定义用4种码字来表示规划周期中时隙的用途和节点分隔符，其中第1种码字表示对应的时隙空闲，第2种码字表示对应的时隙用途为传输数据帧，第3种码字表示对应的时隙用于传输规划帧或预约帧或用作上下行倒换间隔，第4种码字是节点分隔符码字。

步骤三，对步骤二中定义的4种码字进行编码。

编码方法采用等长编码或不等长编码，本实施例采用但不局限于2比特的等长编码，即：第1种码字用0b00表示；第2种码字用0b01表示；第3种码字用0b10表示；第4种码字用0b11表示。

步骤四，确定时隙分配结果。

中心节点根据上一个规划周期中从属节点上报的预约帧和本地队列情况运行调度算法，确定下一个规划周期中各个时隙的用途和使用各个数据帧时隙的从属节点，得到如下时隙分配结果：

在下行时段，共有53个时隙，即将第1时隙至第4个时隙分配给从属节点1，以传输下行数据；将第5时隙到第7个时隙用于传输规划帧；将第8至第9个时隙分配给从属节点4，以传输下行数据；将第10个时隙至第50个时隙分配给从属节点5，以传输下行数据；将第51个时隙至第53个时隙用作上下行倒换间隔。

在上行时段，共有90个时隙，即将第54个时隙至第56个时隙分配给从属节点传输1，以传输上行数据；第57个时隙至第59个时隙为空闲；将第60个时隙至第129个时隙分配给从属节点2，以传输上行数据；将第130个时隙至第136个时隙用于各从属节点采用但不局限于OFDMA方式同时传输预约帧；将第137个时隙至140个时隙分配给从属节点64，以传输上行数据；将第141个时隙至143个时隙用作上下行倒换间隔。

步骤五，放入用途码字。

根据步骤四所得到的时隙用途，在规划帧中依次放入143个与时隙用途相对应的用途码字，码字与时隙用途的对应关系如步骤三所示，形成用途码字组。

步骤六，插入节点分隔符码字。

根据步骤四所得到的各个数据帧时隙的使用节点，在步骤五形成的用途码字组中插入节点分隔符码字，为保证编码唯一性，每个节点分隔符码字0b11后的下一个码字，其取值只能为0b01或0b11，具体步骤如下：

6a）在下行时段，根据步骤四对第1个时隙至第8个时隙的分配结果，将第1个节点分隔符码字插入到用途码字组的起始处，将第2个节点分隔符码字至第4个节点分隔符码字插入到7个用途码字后面；

6b）在下行时段，根据步骤四对第8个时隙至第10个时隙的分配结果，将第5个节点分隔符码字插入到第9个用途码字后面；

6c）在下行时段，根据步骤四对第10个时隙至第54个时隙的分配结果，将第6个节点分隔符码字至第64个节点分隔符码字插入到第53个用途码字后面；

6d）在上行时段，根据步骤四对第54个时隙至第60个时隙的分配结果，将第65个节点分隔符码字插入到第64个节点分隔符码字之后，将第66个节点分隔符码字插入到第59个用途码字之后；

6e）在上行时段，根据步骤四对第60个时隙至第137个时隙的分配结果，将第67个节点分隔符码字至第128个节点分隔符码字插入到第136个用途码字之后，至此，完成规划帧编码。

编码完成后规划帧中的码字与规划周期中各个时隙的对应关系如图4所示，即规定了对应规划周期中每一个时隙的用途以及使用各时隙的节点。

以上描述仅是本发明的两个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，包括如下步骤：

(1)设网络中有一个中心节点和N个从属节点，每个从属节点有一个节点编号，编号从1到N；

(2)将信道划分成连续且互不重叠的规划周期，设每个规划周期依次由下行时段和上行时段构成，共包含有M个固定长度的时隙，其中下行时段包含M_d个时隙，上行时段包含M_u个时隙，M_d>0，M_u≥0，M_d+M_u＝M；中心节点通过发布规划帧对下一个规划周期的时隙进行分配；

(3)设规划帧中有K种码字，K大于1，定义第1种码字至第K-1种码字为用途码字，用于指示时隙的用途，该用途包括传输数据帧、规划帧和预约帧，定义第K种码字为节点分隔符码字，用于指示使用时隙的从属节点；

(4)对上述K种码字进行编码，得到用途码字和节点分隔符码字；

(5)在规划帧中放入M个由第(4)步所编的用途码字，用于指示规划周期中依次出现的M个时隙的用途，其中每个用途码字对应一个时隙，形成由M个用途码字构成的用途码字组；

(6)在规划帧中已形成的用途码字组中间，插入2N个节点分隔符码字，以指示使用这些时隙的从属节点：

(6a)定义传输数据的时隙为数据帧时隙；

(6b)在下行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输下行数据帧，0<n≤N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n个节点分隔符码字与第n+1个节点分隔符码字之间；

(6c)在上行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输上行数据帧，0<n<N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个节点分隔符码字与第n+N+1个节点分隔符码字之间；当n＝N时，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个节点分隔符码字之后；至此，完成信道规划帧编码。

2.根据权利要求1所述的一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，其中所示步骤(4)中对K种码字进行编码，采用等长编码或不等长编码的方法。

3.根据权利要求2所述的一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，其中所述的等长编码方法，包括格雷码编码、自然二进制码编码和折叠二进制码编码。

4.根据权利要求2所述的一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，其中所述的不等长编码方法，包括Huffman编码、Shannon编码、Fano编码及算数编码。

5.一种时分双工/时分多址信道的规划帧编码方法，包括如下步骤：

(1)设网络中有一个中心节点和N个从属节点，每个从属节点有一个节点编号，编号从1到N；

(2)将信道划分成连续且互不重叠的规划周期，设每个规划周期依次由上行时段和下行时段构成，共包含有M个固定长度的时隙，其中上行时段包含M_u个时隙，下行时段包含M_d个时隙，M_u≥0，M_d>0，M_u+M_d＝M；中心节点通过发布规划帧对下一个规划周期的时隙进行分配；

(3)设规划帧中有K种码字，K大于1，定义第1种码字至第K-1种码字为用途码字，用于指示时隙的用途，该用途包括传输数据帧、规划帧和预约帧，定义第K种码字为节点分隔符码字，用于指示使用时隙的从属节点；

(4)对上述K种码字进行编码，得到用途码字和节点分隔符码字；

(5)在规划帧中放入M个由第(4)步所编的用途码字，用于指示规划周期中依次出现的M个时隙的用途，其中每个用途码字对应一个时隙，形成由M个用途码字构成的用途码字组；

(6)在规划帧中已形成的用途码字组中间，插入2N个节点分隔符码字，以指示使用这些时隙的从属节点：

(6a)定义传输数据的时隙为数据帧时隙；

(6b)在上行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输上行数据帧，0<n≤N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n个节点分隔符码字与第n+1个节点分隔符码字之间；

(6c)在下行时段，若数据帧时隙是由节点编号为n的从属节点传输下行数据帧，0<n<N，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个节点分隔符码字与第n+N+1个节点分隔符码字之间；当n＝N时，则将该数据帧时隙对应的码字置于第n+N个节点分隔符码字之后；至此，完成信道规划帧编码。